Arhitektura računala 2, vježba 2: arhitekura x86

Predmet ove vježbe je programiranje u strojnom jeziku arhitekture x86, te povezivanje strojnog koda s višim programskim jezikom.

1. Priprema

Upoznati se s osnovnim svojstvima strojnog jezika za instrukcijsku arhitekturu x86, te posebno proučiti dostupne na adresne načine i registre [1], [2]. Upoznati se s načinima (konvencijama) prenošenja parametara u potprograme [3], te posebno proučiti konvenciju cdecl za 32-bitne operacijske sustave koja će biti korištena u okviru ove vježbe.

2. Programsko okruženje

Potprograme u strojnom jeziku x86 pozivat ćemo iz programa u C++-u. Izvođenje strojnih instrukcija pratit ćemo iz standardnih programa za praćenje (debuggera). Nažalost, sintaksa unošenja strojnog koda u programski jezik C/C++-u nije ujednačena kod popularnih prevodioca. Zato su u nastavku dane upute za pisanje strojnih potprograma pod prevodiocima MSVC i gcc.

3. Rad s gcc-om

Strojni potprogram je gcc-u najlakše zadati u posebnoj datoteci s ekstenzijom .s. Datoteka koja definira strojni potprogram potprogram_asm ima sljedeću osnovnu strukturu:

  // ovo je komentar
  //
  // oznaka sintakse:
  .intel_syntax noprefix

  // neka simbol potprogram_asm
  // bude vidljiv izvana:
  .global potprogram_asm

  // odredišna oznaka potprograma:
  potprogram_asm:

  // ... strojni kod

Ovako definirani strojni potprogrami pozivaju se na jednak način kao i obični potprogrami u C-u, kao što će biti detaljnije objašnjeno kasnije. Za sada samo pretpostavimo da je glavni program smješten u datoteci lab1gcc.cpp, dok je strojni potprogram smješten u lab1gcc.s. Tada se prevođenje i povezivanje može obaviti naredbom (pripazite, na 64-bitnim Unixima ćete možda htjeti promijeniti ovaj poziv kao što je objašnjeno u odjeljku 7):

  $ g++ -g -o lab1gcc lab1gcc.s lab1gcc.cpp

Praćenje programa sad se može inicirati naredbom:

  $ gdb lab1gcc

Za ovu vježbu nam treba samo mali podskup svih mogućnosti programa gdb [4], tj. naredbe break, run, next ,step, print, te info registers. Način upotrebe tih naredbi može se proučiti u dokumentaciji [5].

4. Rad s MSVC-om

Strojni potprogram je MSVC-u najlakše zadati u tijelu tzv. gole funkcije, kako slijedi:

  // direktiva __declspec(naked) kaže prevodiocu 
  // da pozivatelj parametre prebaci konvencijom cdecl,
  // te da se ne generira nikakav kod
  // prije i poslije tijela funkcije
  
  int __declspec(naked) potprogram_asm(int i){

    __asm{
      // ... strojni kod
    }
  }

Ovako definirani strojni potprogrami pozivaju se na jednak način kao i obični potprogrami u C-u, kao što će biti detaljnije objašnjeno kasnije. Prevođenje datoteke sa strojnim potprogramom odvija se na standardan način. U konzolni projekt potrebno je dodati datoteku s izvornim kodom, te pokrenuti prevođenje (Build solution).

Praćenje programa može se inicirati iz integrirane razvojne okoline (Start debugging). Korisne akcije su Toggle breakpoint, Step over, Step into, korisni prozori su Watch i Registers.

5. Struktura strojnog potprograma

Standardni način pristupanja parametrima i lokalnim varijablama koristi registar ebp. Da bi se to omogućilo u okviru konvencije cdecl, strojni potprogrami često imaju sljedeću strukuru [3]:

                     /* cdecl prolog: */
  push  ebp          /* spremi ebp */
  mov   ebp, esp     /* ubaci esp u ebp */

                     /* zauzmi 4 bajta za lokalne varijable: */
  sub   esp, 4       /* lokalne varijable su "ispod" ebp */


                     /* glavna funkcionalnost potprograma */
  ...
                     /* povratna vrijednost je zadržana u eax*/


                     /* oslobodi lokalne varijable:*/
  add   esp, 4

                     /* cdecl epilog: */
  pop ebp            /* umjesto 'add esp,4, pop ebp' može biti 'leave'*/
  ret                /* povratak iz potprograma */  

6. Primjer potprograma

Razmotrimo potprogram (potprogram_c):

  int potprogram_c(int a, int b, int c) {
    return (a + b) * c;
  }  

Tijelo odgovarajućeg strojnog potprograma (potprogram_asm) bilo bi:

                      /* [ebp] je pohranjena vrijednost ebp  */
                      /* [ebp+4] je povratna adresa!         */
  mov   eax, [ebp+12] /* b */
  add   eax, [ebp+8]  /* a */
  imul  eax, [ebp+16] /* c */  

Povratna vrijednost se vraća preko registra eax. Prije i poslije gornjeg koda, potrebno je navesti standardni prolog i epilog (zbog referenciranja preko registra ebp). Bez prologa i epiloga, potprogram bi izgledao:

  sub_asm_noebp:
                        /* [esp] je povratna adresa! */
    mov   eax, [esp+8]  /* b */
    add   eax, [esp+4]  /* a */
    imul  eax, [esp+12] /* c */
    ret                 /* povratak iz potprograma */  

Obratite pažnju da potprogrami moraju očuvati vrijednosti nekih registara. Prilikom povratka iz potprograma ti registri (npr. ebx) moraju imati istu vrijednost kao i u trenutku poziva. Ti registri su u dokumentaciji označeni terminom callee-saved.

7. Strojni potprogrami pod g++-om za 64-bitne Linux, FreeBSD i OS X sustave

1. prevesti program za 32-bitnu platformu navođenjem zastavice -m32
   • obratite pažnju da ćete možda morati instalirati pakete s 32-bitnim bibliotekama;
2. prijenos parametara implementirati prema standardiziranoj konvenciji za 64-bitovnu inačicu instrukcijske arhitekture x86 (System V AMD64 ABI):
   • prvih šest argumenata koji su cijeli brojevi ili pokazivači prenose se preko registara rdi, rsi, rdx, rcx, r8, i r9;
   • povratna vrijednost prenosi se preko registra rax.

8. Poziv strojnog potprograma

Strojni potprogram se poziva transparentno, sasvim jednako kao i potprogram u C-u. Dakle, potprogrami potprogram_asm i potprogram_c pozivaju se na sasvim jednak način. Ukoliko definicija potprograma nije vidljiva na pozivnom mjestu (npr, ako je potprogram u zasebnoj datoteci) potrebno je kreirati odgovarajući prototip.

Strojni potprogram koji se zadaje u datoteci s čistim asemblerom (.s, gcc) proizvodi objektni kod u skladu s platformskim binarnim standardom (ABI) za jezik C. Ukoliko takav potprogram želimo pozivati iz C++-a, prototip je potrebno prefiksirati s extern C, kako bi se spriječilo dekoriranje imena potprograma.

  extern "C" int potprogram_asm(int,int,int);  
  

Ako želite koristiti gcc na Windowsima, potrebno je prevoditelju reći da prilikom prevođenja glavnog programa ime vanjske funkcije ne prefiksira podvlakom. To se postiže ključnom rječju asm() u deklraciji prototipa vanjske funkcije:

  extern "C" int potprogram_asm(int,int,int) asm("potprogram_asm");  
  

  .global potprogram_asm
  .global potprogram_asm_

  potprogram_asm:
  potprogram_asm_:
  ...
  

9. Zadatci

1. Razraditi primjer s procedurama potprogram_asm i potprogram_c:
   • sastaviti, prevesti i isprobati program koji se sastoji od potprograma potprogram_c i potprogram_asm te (glavnog) ispitnog programa:

         int main(){
         	std::cout <<"ASM: " <<potprogram_asm(3,5,6) <<std::endl;
         	std::cout <<"C++: " <<potprogram_c(3,5,6) <<std::endl;
         }    

   • pogledati kakav strojni kod generira prevodioc za potprogram_c, i to za različite stupnjeve optimizacije (MSVC: Project properties -> C/C++ -> Output files -> Assembler output; gcc: opcije -S -masm=intel)
   • sastaviti, prevesti i isprobati program koji se sastoji od potprograma potprogram_c i potprogram_asm te (glavnog) ispitnog programa.
2. Korištenjem dokumentacije za instrukcijsku arhitekturu x86 [6] napisati strojni potprogram koji:
   • smješta broj 42 u registar eax.
   • smješta broj 0x42 u registar ebx.
   • upisuje 0xffff u gornjih 16 bitova registra edx (uputa: iskoristite instrukcije push, mov i pop).
   • zamjenjuje donjih 8 bitova registra edx s brojem 0xdd.
   • Točno izvođenje programa provjerite praćenjem.
3. Napisati dvije verzije (C, asembler) potprograma za zbrajanje svih cijelih brojeva u intervalu [0,n> gdje je n parametar potprograma. Upute:
   • napisati ispitni program koji testira funkcionalnost oba potprograma
   • trebaju nam tri lokalne varijable (brojač, zbroj i granica) koje možemo spremiti u registre ecx, eax, edx (ne trebaju nam memorijske lokalne varijable)
   • brojač i zbroj inicijalizirati na 0,
   • uzmite u obzir da možemo imati 0 prolaza kroz petlju jer n može biti 0: cbog toga će nam trebati dva grananja
   • brojač i zbroj uvećavati instrukcijom add
   • uvjetni skok izvesti naredbama cmp i jl
   • kako se povratna vrijednost vraća preko eax, nakon uvjetnog skoka možemo se vratiti u glavni program
   • (jedno) rješenje ima 15 linija asemblera uključujući 3 odredišne oznake i 2 prazna retka
4. Napisati tri verzije potprograma za zbrajanje dvaju polja podataka tipa float, i to koristeći i) standardni C, ii) strojni jezik s instrukcijama iz podskupa x87, iii) strojni jezik s instrukcijama iz podskupa SSE. Upute:
   • Neka potprogram ima prototip void sum_c(float const* A, float const* B, int count, float *R);
   • Napisati potprogram u C-u, te ispitni program, testirati potprogram u C-u.
   • Napisati i ispitati ekvivalentan potprogram u strojnom jeziku koji bi koristio strojne instrukcije iz poskupa x87 (fld, fadd, fstp) [8,9]
     • za pristupanje elementima polja može se koristiti indeksno adresiranje, npr: fld DWORD PTR [eax+ecx*4]
     • ako koristimo indeksno adresiranje, treba nam 5 lokalnih varijabli; logičan raspored je: A -> eax, B -> ebx, index -> ecx, count -> edx, R -> edi
     • kako ebx i edi moramo vratiti netaknute, na početku procedure ih treba smjestiti na stog, a pri izlasku vratiti sa stoga
     • (jedno) rješenje ima 23 linije asemblera uključujući 3 odredišne oznake i 3 prazna retka
   • napisati i ispitati ekvivalentan potprogram u strojnom jeziku koji bi koristio vektorske instrukcije iz poskupa SSE (movq ili movaps, addps) u kombinaciji s registrima iz skupa XMM [7,8,9].
   • usporediti brzine izvođenja triju implementacija
   • BONUS Oblikuj dvije dodatne implementacije postupka. U prvoj implementaciji umanji broj prolaza kroz petlju Duffovim pristupom, a u drugoj naprosto pozovi funkciju saxpy iz neke optimirane implementacije biblioteke BLAS za tvoju platformu. Komentiraj relativnu performansu svih isprobanih pristupa.

   10. Upute za predaju u sustav Ferko

   Molimo vas da u sustav Ferko uploadate zip arhivu sa rješenjem zadatka 9c. Arhiva treba sadržavati samo datoteke s izvornim kodom. Datoteke nazovite main_gcc.cpp i p_asm.s za GCC odnosno main_msvc.cpp za MSVC.

   Preporučujemo da napravite cijelu pripremu kako biste bili spremni za kolokviranje vježbe.

   Reference

   [1] Wikipedia: x86 architecture

   [2] Wikipedia: x86 assembly language

   [3] Wikipedia: x86 calling conventions

   [4] Wikipedia: GNU Debugger

   [5] Using GNU's GDB Debugger

   [6] x86 Instruction Set Reference

   [7] Wikipedia: Streaming SIMD Extensions

   [8] x86 Instruction Set Reference

   [9] x86 Instruction Set Reference

   [10] x86 instruction listings