Tämän harjoituksen tavoitteet

Päätavoite:

• Tulee ultrakevyt ensiaskel ohjelmointiin symbolisella konekielellä eli assemblerilla.
• Eli pehmeä lasku edellisistä seuraavia demoja kohti.

Edelleen käytetään nykyaikaisia työkaluja, joita kurssilla on tähän asti käytetty. Tehdään AMD64 -prosessorin (ts. "x86-64") konekieltä GNU:n assemblersyntaksilla, jota on tähänkin asti nähty debuggerin tulosteissa. Ohjelma käännetään ja linkitetään komentoriviltä GNU:n työkaluilla Jyväskylän yliopiston suorakäyttökoneella (jalava tai halava), jossa sitä myös kokeillaan. Jotta työskentely olisi näppärää, screen-ohjelman, kuoren ja tekstieditorin käyttö on hyvä olla hanskassa.

Johdanto

Aiemmin opittua soveltaen valmistele hakemisto tätä demoa varten ja hae pieni koodipaketti seuraavin komennoin:

wget https://gitlab.jyu.fi/itka203-kurssimateriaali/itka203-kurssimateriaali-avoin/-/raw/master/2015/demot/mallikoodia/d04b/d04b_paketti.zip
unzip d04b_paketti.zip

Tutki paketista avautunutta runkoa aiemmin opituilla keinoilla (mm. komennot ls, less, tekstieditori). Mukana on Makefile, joka automatisoi käytännössä kaiken paitsi koodin kirjoittamisen vastauksena palautettavaan tiedostoon. Seuraava komento kääntää, linkittää ja ajaa kokonaan C:llä tehdyn mallikoodin:

make esimerkki

Seuraava komento kääntää, linkittää ja ajaa version, jossa yksi aliohjelmista on toteutettu suoraan konekielellä. Voit todeta, että se ei vielä tee toimenpidettä, joka sen pitäisi. Sen näkee siitä, että tuloste on erilainen kuin mitä make esimerkki tulostaa:

make oma

Kyseinen kohde oma on määritelty Makefilessä ensimmäisenä, joten se on oletus ja voit sen sijaan komentaa pelkästään:

make

Kokeile vaikka, niin se on tässä nyt sama asia kuin make oma.

Tehtäväsi on muokata konekielisen aliohjelman tynkä asmvaihtaja.s sellaiseksi, että ohjelma toimii sen kanssa täysin samoin kuin malliesimerkki. Tiedät olevasi perillä, kun komennot make esimerkki ja make oma antavat täsmälleen saman tulosteen.

Täsmennyksiä:

• Mitään muita tiedostoja ei ole tarpeen muuttaa palautustehtävän tekemiseksi kuin konekielistä tynkää.
• Asian ymmärtämiseksi on syytä tutkia, miten C-malli toimii
• Muista kääntää ja kokeilla aina pienten muutosten jälkeen, ennen kuin koodi menee hallitsemattomaan tilaan liian monen muutoksen kautta!

Mitä koodiesimerkistä voi ammentaa

Esimerkkikoodi ja sen Makefile on tehty tukemaan ymmärrystä tähän asti käsitellyistä asioista.

Tällaista on tavoiteltu:

• C-koodi on suomeksi kirjoitettu ja kommentoitu, jotta sen ymmärtäisi. (Vuonna 2021 väsätty versio on nopeasti ja väsyneenä tehty, mistä voi tulla epäselkeyttä yrityksestä huolimatta; korjataan, jos/kun ilmenee jotain dramaattista ymmärtämisen estettä! Tähän asti ei ole havaittu isoja ongelmia (tilanne 3.5.2023))
• Kaikki muuttujat ja data ovat int64_t -tyyppisiä eli 64-bittisiä kokonaislukuja.
• Niinpä kaiken pitäisi näyttää mahdollisimman nätisti ja yksinkertaisesti 64-bittisten rekisterien (RAX, RBX, RCX, ...) kokoisilta möhkäleiltä, jotka ovat muistissa 8:lla jaollisissa osoitteissa. Mist sen näkee? Niiden osoitteet heksana ilmoitettuna päättyvät heksanumeroon 8 tai 0.
• Muistiosoitteet ja kokonaislukumuuttujat ovat saman kokoisia, mikä helpottanee muistiosoitteiden ajattelemista "ihan tavallisina lukuina, jotka kertovat data-alkion ensimmäisen tavun sijaintipaikan"
• Esimerkki demonstroi sitä, että .h -otsikkotiedosto ei ole sama asia kuin otsikon mukaisen toiminnallisuuden toteuttava aliohjelma.
• Esimerkki demonstroi ohjelman koostamista erikseen käännetyistä objektitiedostoista.
• Esimerkissä on käytelty aiemmista C-demoista tuttuja asioita, joten jospa tulisi uuden ohella vahvistusta ja kertausta edellisiin.
• Noin 130 rivin mittainen ja muutamasta tiedostosta koostuva C-koodi toivottavasti on ymmärrettävissä kokonaan, joten se olisi sopiva väliaskel tähän kohtaan oppimisen kaarta.
• Itse palautustehtävä on aivan minimaalinen, mutta siitä on mahdollista oppia jo aika paljon asioita. Mukana on väistämättä epäsuoraa muistin käyttöä osoitteen kautta, rekisterien käyttämistä, suoritusjärjestystä, GNU AT&T -syntaksin kirjoittamista, ABIn ymmärtämistä ...
• Sovellus eli "arvontasimulaatio" toivottavasti on hauska ja jättää mielenkiintoisen muistijäljen siitä, että pienillä detaljeilla on yllättävän paljon vaikutusta. Ei ainoastaan konekielen ja bittien tasolla vaan ihan algoritmivalinnoissakin.

Nämä ovat oletuksia. On mielenkiintoista kuulla palautetta kevään 2023 opiskelijoilta, kun demo on vasta kolmatta vuotta käytössä! Ainakin 3.5.2023 mennessä tehtävä on tarjonnut sopivaa pähkinää purtavaksi, mutta apua kysymällä on saatu sitten palaset loksahtamaan paikalleen mukavasti. Havainnekuvien piirtäminen saattaa auttaa kovasti!

Miten tätä tehtävää lähestytään

Tehtävä on yksinkertainen, mutta vasta sitten, kun palaset yhdistyvät kohdalleen oppimisen ja kertaamisen kautta.

Mallivastauksen näkeminen pilaisi sen aika totaalisesti, samoin kuin liian tarkat ohjeet.

Näin ollen on syytä antaa enemmän tai vähemmän lennokkaita ja tarkoituksellakin yleistasoisia vinkkejä:

• Tässä varmaankin pitää yhdistellä muutama tähän asti erillisinä luettu tiedonmurunen toisiinsa.
• C-kielisen esimerkin ymmärtäminen olisi hyvä lähtökohta. Eli pääsee kertaamaan aiempaa samalla.
• Olisi hyvä ymmärtää C:n osoittimen ja tietokoneen muistiosoitteen yhteys, koska nyt suoraan konekielellä pitää toteuttaa jotakin osoittimien päässä oleviin arvoihin.
• Assembler-syntaksi muistin ja rekisterien käyttämiseen pitää olla tiedossa, koska jotenkinhan näillä käytettävillä palikoilla tässä pitää jonglöörata. Luentomonisteessa on kattavat esimerkit, joista syntaksin periaate ja kummallisuudet pitäisi olla selvitettävissä. Se vaatii omaa ajattelua ja soveltamista esimerkkien pohjalta! Tässä tehtävässä selviää todellä pienellä määrällä keskenään samankaltaisia käskyjä.
• Debuggeri auttaa oppimaan ja hahmottamaan käytännön toiminnallisuuksia sen lisäksi että selvittämään virheitä, joita tosi helposti tulee konekielellä (ja C-kielellä) ohjelmoidessa. Eli käyttele debuggeria vaan - on suositeltavaa olla utelias ja lisäksi näppärä selvitystyökalujen kanssa!
• Muista kokeilla kääntää ja suorittaa ohjelmaa usein, niin syntaksivirheitä ei pääse kasautumaan.
• Kommentoi assembler-koodisi tarvittaessa vaikka rivi riviltä! Muuten on itsellekin tosi vaikea pysyä kärryillä, mitä koodi tekee, ja muille lukijoille se voi olla aivan mahdotonta.
• Huomaa, että tässä demossa ei vielä tarvita kokonaista "pinokehystä", jota käsitellään tarkemmin seuraavassa demossa ja joka pitää sitten olla mukana viimeisessä demossa. Tässä ei vielä tarvita, eikä kannata turhan päiten tehdäkään, koska toteutettava aliohjelma ei kutsu muita aliohjelmia vaan se on aina kutsupinon päällimmäisenä silloin, kun se ylipäätään tulee kutsutuksi.

Uusia tarvittavia tietoja

Tämä asia pitää opetella alustavasti, vaikka se onkin vasta seuraavan demon pääteema:

• Miten parametrit välittyvät, kun C-kielinen ohjelma kutsuu konekieliohjelmaasi?

  Tämän määrää ABI-dokumentaatio. Pilaisi oppimisen kertoa vastaus suoraan tässä tehtäväohjeessa.

  Virallinen ABI löytyy esimerkiksi osoitteesta http://refspecs.linuxbase.org/elf/x86_64-SysV-psABI.pdf ja sitäkin kannattaa silmäillä yhtenä esimerkkinä reaalimaailman dokumentaatiosta.

  Aliohjelman (eli C-terminologialla funktion) kutsuminen löytyy dokumentista aliotsikon "Function calling sequence" alta.

  Luentomonisteessa on kiteytetty suomen kielellä tähän tarpeeseen olennaisimmat kohdat poislukien seuraava:

  • ABI lupaa, että rekisterit RBX, R12, R13, R14 ja R15 ovat aliohjelmakutsun jälkeen samat kuin ennen sitä. Kutsuja voi pitää niissä jotakin tarvitsemaansa sisältöä. Sinunkin oman aliohjelmasi pitää toteuttaa tätä ABI-lupausta / sopimusta! Ota tämä huomioon. Muille rekistereille ABIssa ei ole samanlaista sääntöä. Tämä tieto on esimerkiksi ABI-dokumentin rekisteritaulukossa sarakkeessa "Callee-saved" yes/no.

• Parametrien ja paluuarvon välityksestä sekä pinokehyksestä tulee lisää seuraavassa demossa. Tässä demossa ei tosiaan tarvita vielä muuta tietoa kuin tuo, missä parametrit tulevat sisään.

  Miksi?

  • Otsikkonsa mukaisesti aliohjelma ei tässä palauta mitään, koska paluuarvon tyypiksi on kirjoitettu C:llä void.
  • Vaikutus ulkopuoliseen maailmaan on tarkoitus tehdä suoraan muistiin, mistä syystä molemmat parametrit ovat tyypiltään muistiosoitteita eli int64_t*.
  • Tuotettavan aliohjelman ei tarvitse kutsua muita aliohjelmia, joten sen ei tarvitse luoda omaa kehystä. Tähän liittyy ABI-dokumentissa selostettu "Red zone".
  • Tuotettavan aliohjelman tehtävä on niin pienimuotoinen, että sen tarvitsemat väliaikaiset tiedot mahtuvat rekistereihin. Pystyy valitsemaan sellaiset, jotka eivät ole edes "callee saved".

Pakollinen palautustehtävä

Tästä demosta palautetaan tasan yksi tiedosto nimeltään asmvaihtaja.s jossa on tekemäsi assembler-aliohjelma. Sen pitää toimia yllä olevan ohjeen mukaisesti. Eli tehtäväpaketin Makefile kääntää kokonaisuuden, ja simulaattori tulostaa täysin samoin komennolla make oma kuin komennolla make esimerkki.