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# C07: simulator ###### tags: `sysprog2017` :::info 主講人: [jserv](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/User/jserv) / 課程討論區: [2017 年系統軟體課程](https://www.facebook.com/groups/system.software2017/) :mega: 返回「[進階電腦系統理論與實作](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/sysprog/schedule)」課程進度表 ::: ## 預期目標 * 搭配 [現代處理器設計](http://hackfoldr.org/cpu),實際練習系統軟體開發 * 思考函式呼叫和掌握遞迴程式開發技巧 * 擴充給定的指令集 (ISA) 模擬器 ## [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) * [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) 是成功大學發展的小型指令集模擬器,附帶組譯器和編譯器等系統工具 * 編譯和測試 ```shell $ git clone https://github.com/sysprog21/full-stack-hello.git $ cd full-stack-hello $ make $ make check ``` 預期得到以下輸出: ``` 42 tests/halt.s pass Hello World tests/hello.s pass 42 50 150 tests/test.s pass $ make test python tests/run_tests.py .. --------------------------------------------------------- Ran 4 tests in 0.002s OK ``` * 組譯器使用 ``` $ ./as_exec -h Usage: as_exec [-w] [-x] [-o <out_file>] <in_file> -w Assemble <in_file> and write to an ELF file, see -o below -o if -w is specifed, <out_file> is used to store the object code -x Load <in_file> and execute it <in_file> the file name to be used by commands above ``` * 用給定的 `tests/hello.s` 檔案做示範 1. 組譯和執行 ```shell $ ./as_exec tests/hello.s ``` 2. 組譯並輸出 ELF 格式目的檔 `tests/hello.o` ```shell $ ./as_exec -w tests/hello.s ``` 3. 組譯並輸出 ELF 到給定的路徑 ```shell $ ./as_exec -o tests/temp.o -w tests/hello.s ``` 4. 載入之前組譯得到的 ELF 檔案並執行 ```shell $ ./as_exec -x tests/hello.o ``` * 輸出的 ELF 檔案可用 [objdump](https://sourceware.org/binutils/docs/binutils/objdump.html) 工具分析和觀察: ```shell $ objdump -x tests/hello.o ``` * 注意 `vm.c` 用到 GCC [computed goto](https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Labels-as-Values.html) 的機制 ```Clike #define OP(name) OP_##name #define BEGIN_OPCODES \ const static void *labels[] = {OP_LABELS}; \ goto *labels[OPCODE.opcode] #define DISPATCH \ do { \ ++env->r.pc; \ goto *labels[OPCODE.opcode]; \ } while (0) #define GOTO(n) \ do { \ env->r.from = env->r.pc; \ env->r.to = n; \ env->r.pc = n; \ goto *labels[OPCODE.opcode]; \ } while (0) #define END_OPCODES ``` ## [clang-format](https://clang.llvm.org/docs/ClangFormat.html) * LLVM 專案旗下的 [clang-format](https://clang.llvm.org/docs/ClangFormat.html) * 安裝方式: ```shell $ sudo apt-get install clang-format ``` * 延伸閱讀: [使用Clang-format來幫助你美化你的程式碼](https://forum.angular.tw/t/topic/235) ## 作業要求 * 閱讀 [現代處理器設計](http://hackfoldr.org/cpu) 教材和觀看裡頭所有錄影,記錄你的心得和疑惑 * 研究給定的 [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello),學習其中 ISA 和模擬器實作,並在 GitHub 上 fork [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) * 對照研讀 [你所不知道的 C 語言:編譯器和最佳化原理篇](https://hackmd.io/s/Hy72937Me) 教材和觀看直播錄影,以得知編譯器運作原理 * 閱讀 [你所不知道的C語言:遞迴呼叫篇](https://hackmd.io/s/rJ8BOjGGl) 和觀看對應講座錄影,用 [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) 的指令實作 Fibonacci 數列 * 需要包含 recursive 和 non-recursive 實作,分別置於檔案 `tests/fib-recursive.s` 和 `tests/fib-iterative.s` * 修改 `vm.c` (和對應的原始程式碼),允許執行時期由使用者 (和 `Makefile`) 帶入參數,如 `--input`,這數值應該透過暫存器作為上述 Fibonacci 數列程式的 `Fib(N)` * 研究現有 [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) 的自動測試程式,整合上述兩種 Fibonacci 程式實作,並且比較效能 (需要包含 vm 內部的 cycle count) * 除了 recursive 和 iterative 版本,應該一併考慮以下 Fibonacci 數列的實作方式,並善用 GNU plot 製圖和解讀 * Tail recursion * Q-Matrix * Fast doubling * 過程中可修改 [full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) 模擬器的程式碼,加入追蹤 / 除錯用途的指令 (instruction),也應該探討模擬器的運作機制並說明自己修改的方式 * 注意 Fib(46) 之後的數值會超過 2^32^ 可表達的範圍,需要設計有效的數值表示機制來處理 (如用兩個 32-bit 暫存器保存 2^64^ 數值) * 觀察 [Add label support](https://github.com/jserv/full-stack-hello/pull/30) 的實作方式,試著在[full-stack-hello](https://github.com/sysprog21/full-stack-hello) 給定的組譯器中新增 label 的支援 * 相關的背景知識錄影共有 ==18 小時== (當然不可能看了就懂,請預留思考和提問討論的時間),務必及早開始 * 將你的觀察、上述要求的解說,以及各式效能改善過程,善用 gnuplot 製圖,紀錄於「[作業區](https://hackmd.io/s/BJR9BTlRW)」 ## 截止日期 * Nov 9, 2017 (含) 之前 * 越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review,評分越高