「情報科学基礎実験」計算機システム演習 (アセンブリ入門) 第3回 (全5回) 2014年1月22日(金) 石川研助教ゲローフィ　バリ bgerofi@il.is.s.u-tokyo.ac.jp (Based on Kazuki Yoshizoe’s slides) 質問受付 kisojikken-a@lyon.is.s.u-tokyo.ac.jp 不正行為について •  もちろん、他の講義と同様禁止 –  不正行為はハイリスク・ノーリターン •  参考にした資料などあれば、明示すること •  さらに、本演習特有の問題として –  コンパイラの出力をそのまま提出するのは禁止 •  ほぼ分かります •  分からなくなるくらいまで改変できればアセンブリでプログラムが書けるのと同じこと 2 注意書き •  アセンブリのマニュアルを持参すること –  以下にある •  Power ISA Documentation (2.05を使います) –  http://www.power.org/resources/reading/ –  そのために csp にログインして課題を実行する –  ログインできないときは早急に連絡するように –  その他、問題が起きたと思ったら早急に連絡 •  プロセスが止まらない等 •  他の演習と同様、以下に資料などを掲載する –  http://hagi.is.s.u-tokyo.ac.jp/kisojikken/ •  課題を提出、質問、連絡なども、同様に以下で受け付ける –  kisojikken-a@lyon.is.s.u-tokyo.ac.jp 3 前回までのフォロー •  %r1 などは、汎用レジスタ(GPR)に対応する –  %r1 はマニュアルの GPR1, %r31は GPR31 –  本当は、 add 1 2 3 で GPR1 = GPR2+GPR3 •  人間にとって分かりやすくするために、レジスタの頭に %r をつけている ( -mregnames ) •  マニュアルは紙媒体とPDFの使い分けを推奨 –  検索等のために原典をダウンロードしましょう –  PowerPC Architecture Book, Version 2.05 •  http://www.power.org/resources/reading/ •  csp (Power7) は 64bitアーキテクチャであることに注意 –  sizeof(long) とか sizeof(void *) とかを確認すること •  命令の書き方について詳しい説明を追加 –  次ページ以降 (ページ数などは ver. 2.05 の物) 4 add命令詳細 XO-form: 命令の形式。32bit の使い方の種類 p.17 (1.6.12 XO-Form) RT: target register. 代入される汎用レジスタ RA: 被演算子となる又は代入されるレジスタ RB: 被演算子となる汎用レジスタ OE: XERレジスタに OV, SV bit を立てるか Rc: Record bit. Condition Register に演算結果に応じたフラグを立てるか p.20 (1.6.24 Instruction Fields) 例えば、オーバーフローを検知して、フラグを立てる加算命令を書くとする。レジスタ3にレジスタ3とレジスタ4を足した物を代入するとすると、・ (OE=1, Rc=1) の命令なので、使う命令は addo. (末尾のピリオドに注意) ・ RT は 3, RA は例えば 3, RB は例えば 4 なので、 addo. RT,RA,RB の通りに、 addo. 3, 3, 4 と書けばよい。 5 無条件分岐詳細 (1/2) 数値は基本的には10進数。ただし、0bnnnn は2進数、0xnnnn は16進数。 𝑋↓𝑝 : X の p番目の bit 𝑋↓𝑝:𝑞 : X の pからq番目までの bit列 𝑋↓𝑝,𝑞, … : X の p番目, q番目, … の bit列 p.4∼ (1.3.2 Notation) EXTS(x):xの符号を保って左側のbitを埋める CIA: Current Instruction Address NIA: Next Instruction Address p.7 (1.3.4 Description of Instruction Operation) AA: Absolute Address bit (絶対アドレス bit) LK: Link bit (Link Register を書き換えるか) p.18 (1.6.24 Instruction Fields) 6 無条件分岐詳細 (2/2) 分岐先のアドレス指定には、2つ方法がある。一つは相対アドレス指定。CIA＋LI のアドレスへジャンプする。もう一つは絶対アドレス指定。LIが示すアドレスへジャンプする。 AA bit (Absolute Address bit) で区別する。 CIA+4 を Link register に保存するかどうかは LK bit で区別する。例えば、一番よく使われる、相対アドレスジャンプ＋ Link register にCIA+4を保存する命令は、 bl 命令である。書き方は、 bl target_addr となる。target_addr の部分は、アセンブリの中なら、例えばラベルで指定できる。補足： qsortの実装の場合、この命令では駄目 7 分岐命令 (branch 命令) if (x == y) { (分岐する場合の処理) } (分岐しない場合の処理) cmp %cr7, %r3, %r4 beq %cr7, mylabel (分岐しない場合はここを実行) mylabel: (分岐する場合はここを実行) プログラムの実行が枝分かれするので分岐命令 (branch instruction) と言う分岐するとき、branch が taken であると言い、分岐しないとき not taken であると言う拡張ニーモニックが多数用意されているので、まだ気づいていない人はマニュアルを bgt などで検索してみること 8 条件付分岐命令詳細 (1/2) BO: 分岐命令(B)の Option (Figure 38 参照) BI: CRのどのbitによって分岐するか指定する。具体的には 32+BI 番目の bit p.18 (1.6.24 Instruction Fields) 9 条件付分岐命令詳細(2/2) マニュアルの Figure 38 を見れば、分岐条件の記述方法が分かる。しかしこれはかなり複雑なので良く読まないと分からない。分岐予測に関する説明もあるが、ここはまだ知らなくて良い。(Figure 39) しかし p.384 付近によく使われる分岐命令の短縮形 (拡張ニーモニック extended mnemonic)が載っているのでここを参考にすると良い 10 メモリアクセス命令詳細 MEM(x, y): メモリ上の x番地から y byte分 p.7 (1.3.4 Description of Instruction Operation) EA: Effective Address この場の変数定義 (一行下ですぐに使われている) ^↑𝑛↓𝑋 : Xをn回繰り返したもの p.5 (1.3.2 Notation) レジスタ RA に D を符号拡張した物を足した値をアドレスと見なして、メモリから 4 byte分読み込んで RT に代入し、上位 32bitをゼロで埋める、と書いてある。(長い) 命令を確認するには、例えば addtwo2.o: file format elf64-powerpc user@~> gcc -c addtwo.s Disassembly of section .text: user@~> objdump -d addtwo.o とすると右のような出力が得られる。0000000000000000 <addtwo>: add r3, r4, r3 の bit 列が16進数で 0: 7c 64 1a 14 add r3,r4,r3 4: 4e 80 00 20 blr 表示される。 11 関数呼出：レジスタの待避 •  関数を呼び出すと、呼び出された側では当然レジスタを使う –  前回の課題では、GPR3 (%r3) からGPR12 (%r12) だけを使用するように指示した。なぜか？ –  add_main.s と addtwo.s で使うレジスタが重複していないのは偶然か？ •  もちろん、偶然ではない •  関数呼出の際にはレジスタをメモリに待避する操作が必要 –  当たり前だが、32個のレジスタをうまく使い回さなければならない –  そのために、ルールが決められている 12 volatile, non-volatile 関数呼出の前後で値が変わってしまう可能性があるレジスタを volatile (揮発性) なレジスタという。呼び出し側が待避する。そうでないレジスタを non-volatile なレジスタという。呼び出された側が使う場合はメモリに待避し、リターンする前に書き戻す。レジスタ名内容の待避役割 r0 volatile 命令によっては、ゼロレジスタ (値が0のレジスタ) と見なされる r1 スタックポインタ r2 Table of contents pointer (本演習では説明しない) r3 - r10 volatile 引数に使う (r3は返値を置く) r11, r12 volatile 関数のリンクなどに使われる。(本演習では説明しない) r13 non-volatile small data area pointer (本演習では説明しない) r14 - r31 non-volatile ローカル変数として使う。使う場合は待避する。 LR volatile link register. 分岐命令から戻るアドレスを記録する。 CTR volatile counter register. ループのカウンタ用。 CR0-1, 5-7 volatile condition register. 実体は 32bit のレジスタを 4bitずつ 8分割した物 CR2 - CR4 non-volatile condition register. この部分は保存する 13 main.c #include <stdio.h> int main() { return func_a(1); } a.c 関数呼出とスタックこのように、何段も関数が呼ばれた場合、それぞれの関数の情報はどのように保持されているか。例えば、func_a からリターンするアドレスはどこに保存されているのだろうか？ int func_a(int x) { return func_b(x); } func_c b.c int func_b(int x) { return func_c(x); } c.c int func_c(int x) { return (x + 1); } main func_b func_b func_a func_a func_a main main main func_b func_a func_a main main main 14 上位アドレス main スタックポインタの操作 mainのスタックフレーム main を実行中のスタックポインタスタックは、上から下へ伸びる addtwo 下位アドレス addtwoのスタックフレーム addtwo を実行中のスタックポインタ関数呼出のためのスタックをコールスタックなどとも呼ぶ。 (単にスタックと呼ぶことが多い) スタックは、上から下へ伸びる。そのため、addtwo のスタックポインタは main のスタックポインタよりも値が小さい。スタックポインタはr1です。注意：いつも16の倍数である! add_main.c #include <stdio.h> extern int addtwo(int x, int y); int main() { int a = 3; int b = 4; int c; c = addtwo(a, b); printf ("%d + %d = %d\n", a, b, c); return 0; } addtwo.c int addtwo(int x, int y) { return x + y; } 15 スタックフレームの中身上位アドレスこちらに成長する (SP + (SP + (SP + (SP + (SP + (SP + (SP + 下位アドレス 48) 40) 32) 24) 16) 8) 0) LR (link register)保存領域 CR (condition register)保存領域 Back chain FPR保存領域 GPR保存領域 VRSAVE save word アラインメントパディングベクトルレジスタ保存領域局所変数保存領域関数呼出用パラメータ保存領域 TOC保存領域 (予約) リンクエディタ領域 (予約) コンパイラ領域 (予約) LR (link register)保存領域 CR (condition register)保存領域 Back chain これは、64bit PowerPC の Unix のABI (Linux も共通) non-volatile なレジスタを待避する領域 (必要に応じて確保する) 局所変数や局所配列に使う領域 (少し先でも説明) 呼び出す関数の引数の数によりサイズが変わるここまでは、スタックを伸ばす場合は必ず作る %r1 (=SP, Stack Pointer) は常にスタックの先頭のアドレスを持つ “64-bit PowerPC ELF Application Binary Interface Supplement 1.9” Fig 3-17. Stack Frame Organization 又は、「Power アーキテクチャーのためのアセンブリー言語第 4 回: 関数コールと PowerPC の 64-ビット ABI」を参考 16 リンクレジスタ •  主に、一部の分岐命令で更新される –  戻りアドレスをリンクレジスタに記録してから分岐する •  bl 命令が代表例 (bl printf などとしているはず) •  リンクレジスタの示す場所へジャンプする命令で使う –  例えば blr 命令 (今の関数からリターンする命令) •  blr 命令を実行する前に、リンクレジスタを元の値に戻しておく必要がある –  関数を呼び出す前にリンクレジスタを保存し、呼び出した関数から戻ってきたらリンクレジスタを元に戻す –  自分から関数を呼び出さないならリンクレジスタに触る必要はない •  リンクレジスタを保存する場所に注意 –  前の関数のスタックの中 (次ページ参照) 17 リンクレジスタ等の待避 sample.s r3を使いつつ、他の関数を呼ぶ ld %r3, 112(%r1) ld %r0,144(%r1) mtlr %r0 addi %r1,%r1, 128 blr LR save word 128 byte sample: stdu %r1, -128(%r1) mflr %r0 std %r0, 144(%r1) std %r3, 112(%r1) 上位アドレス %r1+144 Back chain %r1+128 (元の%r1) r3 を保存 %r1+112 LR save word 下位アドレス Back chain 新しい%r1 mflr 命令は、mfspr の拡張命令。 Link Register をコピーする。 18 スタックポインタの増やし方必要な分だけ増やす。たとえば、以下の c1000.c では、1000 文字分のcharの配列をスタック上に置くことになるので、スタックポインタは1000 byteと少しだけ動いている c1000.c #include <stdio.h> int main() { char str[1000]; return 0; } $ gcc -S -mregnames c1000.c 16の倍数であることに注意！ (quad word アライン) c1000.s .file "c1000.c" .section ".toc","aw" .section ".text" .align 2 .globl main .section ".opd","aw" .align 3 main: .quad .L.main,.TOC.@tocbase,0 .previous .type main, @function .L.main: std %r31,-8(%r1) stdu %r1,-1072(%r1) mr %r31,%r1 li %r0,0 mr %r3,%r0 addi %r1,%r31,1072 ld %r31,-8(%r1) blr 19 呼出規約 (Calling Convention) •  関数呼出の際のスタックの作り方、レジスタの使い方等を合わせて呼出規約 (Calling Convention) と呼ぶ –  実行可能ファイルが互換性を持つには、機械語が互換性があるだけではなく、呼出規約が同じである必要がある •  実行可能ファイルに互換性があるためには、ABI (Application Binary Interface) に互換性がある必要がある –  例えば、Intel互換CPU上の Linux の ABI, PowerPC 上の Linux の ABI 等というように決まっている –  呼出規約は ABI の一部 –  もちろん機械語が互換でないとダメ –  システムコール (そのうち説明) も互換でないとダメ 20 関数呼出時のレジスタ待避 (補足) •  レジスタは、使っている物 (これから使う物) だけ待避すれば良い –  volatile, non-volatile なものそれぞれについてルール通り待避、復帰すれば、何重に関数呼出が起きても大丈夫 –  呼ばれる側の関数 (callee) は、呼び出し元がどんなプログラムであっても動くように書く –  呼び出す側の関数 (caller) は呼び出す関数がどんな関数であっても動くように書く •  もちろん、お互いが呼出規約のルールに従っている限り –  コンパイラのコードを参考にすると、無駄に待避していることがある •  それをそのまま写す人もいますが… •  詳細については： –  http://refspecs.linuxfoundation.org/ELF/ppc64/PPC-elf64abi-1.9.html –  http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-powasm4/ index.html –  日本語で： http://www.ibm.com/developerworks/jp/linux/library/lpowasm4.html 21 課題58, maxof3 関数を作成せよ •  3つの整数引数を受け取り、大小比較を行って、最大の値を返す関数 maxof3 を作成せよ –  ただし、自作の maxof2.s を2回呼び出して使うこと –  適当な Cプログラムを作成し、(例えば) maxof3.s と組み合わせてコンパイルし実行すること。 –  ヒント： maxof3 ではリンクレジスタも保存すること。 (mflr, mtlr 命令は何をする命令か？) •  提出物 –  maxof3, maxof2 のアセンブリソースコード –  Cソースコード –  コンパイル時のコマンド •  コンパイルオプションが分かるように –  実行結果 •  締切 2014年1月29日(水) 22 課題59, strlenを使ったstrcmp •  自作の mystrlen 関数を部品として呼び出す mystrcmp2 関数を作成すること。 –  適当な Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行すること。 –  ヒント：レジュメで説明した addtwo.s ではリンクレジスタを保存していない。mystrcmp2 ではリンクレジスタも保存すること。 (add_main.s を参照, mflr, mtlr 命令は何をする命令か？) •  提出物 –  mystrcmp2, mystrlen のアセンブリソースコード –  Cソースコード –  コンパイル時のコマンド •  コンパイルオプションが分かるように –  実行結果 •  締切 2014年1月29日(水) 23 課題60, strlenを使った strcat •  自作の mystrlen 関数を部品として呼び出す mystrcat2 関数を作成すること。 –  適当な Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行すること。 –  ヒント：レジュメで説明した addtwo.s ではリンクレジスタを保存していない。mystrcat2 ではリンクレジスタも保存すること。 (add_main.s を参照, mflr, mtlr 命令は何をする命令か？) •  提出物 –  アセンブリソースコード –  Cソースコード –  コンパイル時のコマンド •  コンパイルオプションが分かるように –  実行結果 •  締切 2014年1月29日(水) 24 課題61, 浮動小数を作る関数 •  3つの整数を受け取り、それぞれを浮動小数の符号部、指数部、仮数部とみなして、浮動小数点数を作って返す関数をアセンブリで作成せよ。 –  適当な Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行すること。 –  ヒント：ビット演算、シフト演算などを使うこと。 •  マニュアル 3.3.12, 3.3.13 等を参照 –  ヒント： GPR と FPR の間のデータの受け渡しはメモリアクセスを介して良い –  (optional) 複数の動作を一括で行う命令もある。できるだけ少ない命令数で実装せよ。 •  提出物 –  –  –  –  アセンブリソースコード Cソースコードコンパイル時に実行したコマンド実行結果 •  締切 2014年1月29日(水) 25 課題58∼61 について •  レジスタの待避は呼出規約通りに行うこと –  maxof3 は、自作の maxof2 ではなく、誰か他人の作った maxof2 でも (それが呼出規約に従っている限り) 動作するようにする •  つまり、maxof2 が %r3から%r10あたりを好き勝手に使っているかもしれない •  例えば %r3 や %r4 を maxof2 が使っていない volatile なレジスタに待避すれば、この場合は正しく動作するが、課題の意図としては誤り –  また、レジスタをスタックに待避するのではなく %r14 などにコピーしているのもやめよう •  main関数で %r14 を使っていたら誤動作します。あらかじめ%r14を待避しているならば正しいです •  去年の経験： –  レジスタを待避する場所が間違っているコードが多数提出されてた –  運良く動作していることに気づいていない人が多かった •  mystrcmp2 などについて –  mystrlen を呼び出す際に、引数がポインタとしては不正な値になっている可能性が高い –  呼び出す前に、%r3 が正しい値かどうか確認 (例えばgdbを使ってみる) 2011/11/30 情報科学基礎実験 26 課題62, 再帰で階乗 •  アセンブリでも、Cと同様に再帰呼び出しを行う関数を作ることも可能である •  アセンブリで、再帰呼び出しにより階乗を求める関数を作成せよ –  例えば、fact.c と同様の動作をすれば良い –  Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行せよ –  オーバーフローに注意 •  提出物 –  アセンブリソースコード –  C ソースコード –  コンパイル時のコマンド –  実行結果 fact.c int fact(int i) { if (i == 0) return 1; else return i * fact(i-1); } •  締切 2014年2月5日(水) 27 課題63, 再帰でフィボナッチ •  アセンブリでも、Cと同様に再帰呼び出しを行う関数を作ることも可能である •  アセンブリで、再帰呼び出しによりフィボナッチ数を求める関数を作成せよ –  例えば fib.c と同様の動作をすれば良い –  Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行せよ。 •  提出物 –  アセンブリソースコード –  C ソースコード –  コンパイル方法 (オプション) –  実行結果 fib.c int fib(int a) { if (a == 0) return 0; if (a == 1) return 1; return fib(a-1) + fib(a-2); } •  締切 2014年2月5日(水) 28 課題64, (optional) アッカーマン関数 •  アッカーマン関数の定義を調べよ •  再帰呼び出しでアッカーマン関数を計算する関数を実装せよ –  Cプログラムと組み合わせてコンパイルし、実行せよ。 –  オーバーフローに注意 –  注意: ctrl-c や kill コマンドの準備をしておきましょう •  提出物 –  –  –  –  アセンブリソースコード C ソースコードコンパイル時のコマンド実行結果 •  締切 2014年2月5日(水) 29 補足: ハマりがちな罠 (再掲) •  cmp %cr7, %r4, 5 としてもアセンブルが通る –  objdumpで逆アセンブルしてみると cmp %cr7, %r4, %r5 の意味になっています •  cmpi %cr7, %r4, %r5 も同様 –  実際には cmpi %cr7, %r4, 5 の意味になります •  おかしいなと思ったら –  hoge.o ファイルを作ってから objdump してみる •  $ objdump -d hoge.o •  比較命令や分岐命令でコンディションレジスタの番号を指定しないと cr0 が使われます –  書き忘れに注意 –  意図して書かないなら問題なし •  addi や lbzx 命令で r0 を使うと数値の 0 として扱われます –  自信がなければ使わないほうがいいです 30 アセンブリ上級者向け課題 •  以下の2つの課題を両方とも解いた場合、アセンブリ入門の課題は免除されます。 –  課題98, qsort と互換のクイックソートを csp 上のアセンブリで実装せよ。また、自作のCプログラムからリンクして使用せよ。性能を qsort と比較せよ。 –  課題99, printf のサブセットを csp 上のアセンブリで実装せよ。最低限、%d と %s にのみ対応すれば良い。出力の際は、標準ライブラリ等を使うのではなく、アセンブリから直接システムコールを呼ぶこと。また、自作のアセンブリプログラムから10 個以上の引数を用いて、動作を確認すること。 •  さらに興味があれば、x86アセンブリでも課題のプログラムを作成してみることも良いと思います。 –  本演習が PowerPC を用いるのは教育的配慮によるものです •  提出物 (zip) –  本課題は、必要なファイルを zip形式でまとめて提出すること。 –  プログラム以外に、仕様やコードの簡単な説明を添付すること。 31 予定 •  第1回 (1月8日(水)) –  プログラミング環境の設定 –  アセンブリの生成 –  整数表現、浮動小数表現 •  第2回 (1月10日(金)) –  アセンブリとは –  マニュアルの読み方 –  簡単なアセンブリプログラム •  (一週間空白) •  第3回 (1月22日(水)) –  –  –  –  関数呼び出しスタックの扱い方レジスタの待避再帰呼び出し •  第4回 (1月24日(金)) –  多倍長計算 –  積和命令 –  内積、行列 •  第5回 (1月27日(月)) –  システムコール –  質疑応答 32 補足: gdbの使い方 (再掲) •  コンパイル時に -g オプションをつけると、C と同様に gdb を使ったデバッグが可能 –  例えば、 addtwo.s と add_main.c がある状態で •  $ gcc -g add_main.c addtwo.s -o add –  とコンパイルすると、 •  $ gdb add –  でデバッガが起動する •  デバッガ (gdb) の主なコマンド –  機能は各自調べること (help コマンドやgoogleで) •  •  •  •  実行開始： run, start, … 途中で止める: break, condition, … ステップ実行： step, stepi, next, nexti, … スタック操作： backtrace (bt), up, down, … •  デバッガは非常に便利なので使い方を身につけるべき –  特に上級者向け課題はデバッガなしではかなり厳しい 33