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C07: simulator

tags: sysprog2017

主講人: jserv / 課程討論區: 2017 年系統軟體課程
:mega: 返回「進階電腦系統理論與實作」課程進度表

預期目標

  • 搭配 現代處理器設計，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

  • 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
$ 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
    ​​​​$ ./as_exec tests/hello.s
    1. 組譯並輸出 ELF 格式目的檔 tests/hello.o
    ​​​​$ ./as_exec -w tests/hello.s
    1. 組譯並輸出 ELF 到給定的路徑
    ​​​​$ ./as_exec -o tests/temp.o -w tests/hello.s
    1. 載入之前組譯得到的 ELF 檔案並執行
    ​​​​$ ./as_exec -x tests/hello.o
  • 輸出的 ELF 檔案可用 objdump 工具分析和觀察:
$ objdump -x tests/hello.o

#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

$ sudo apt-get install clang-format

作業要求

  • 閱讀 現代處理器設計 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，學習其中 ISA 和模擬器實作，並在 GitHub 上 fork full-stack-hello
  • 閱讀 你所不知道的C語言：遞迴呼叫篇 和觀看對應講座錄影，用 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 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 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 232 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 264 數值)
  • 觀察 Add label support 的實作方式，試著在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」

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
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Jim Huang
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Published on HackMD