Ilustrar el mecanismo de llamadas al sistema para solicitar servicios al sistema operativo.

Transcripción

1 Práctica 1: introducción al simulador SPIM 1. Motivación Seguro que a estas alturas de la carrera sabe ya manejar un ordenador perfectamente. Incluso debe saber cómo programarlos en un lenguaje de alto nivel como es C. Sin embargo, hasta ahora no ha visto cómo funciona en realidad un ordenador por dentro, ya que los lenguajes de alto nivel abstraen la realidad de la máquina para que sea más fácil trabajar con ellas. En esta práctica va a aprender que ahora en lugar de variables como en C, lo que tiene a su disposición son registros y posiciones de memoria. Además veremos que estas variables tienen un rango limitado, por lo que se pueden cometer errores si no se anda con cuidado. Por último veremos cómo se usa el sistema operativo para realizar la entrada y salida del programa. Así se dará cuenta de que algo tan fácil en C como es llamar a la función printf() en la realidad es un proceso bastante complejo. 2. Objetivos Esta práctica tiene varios objetivos principales: Introducir al alumno en el manejo del simulador SPIM. En el laboratorio se va a manejar la versión para X Window System sobre Linux, denominada xspim. Exponer los errores que se pueden producir en las operaciones aritméticas debidos al tamaño finito de la ALU y de los registros internos del procesador. Ilustrar el mecanismo de llamadas al sistema para solicitar servicios al sistema operativo. 3. Tiempo de laboratorio 1 sesión 4. Trabajo previo Leer detenidamente el enunciado de la práctica y la documentación del simulador SPIM. 5. Memoria Se entregarán al finalizar la práctica los códigos fuente de los programas diseñados y las respuestas a las cuestiones formuladas. 6. Arranque del simulador en Linux Arrancar el ordenador seleccionando en el menú de arranque la opción Linux2.4. Hay que estar atento, pues pasados 10 segundos se arranca Windows automáticamente. Cuando aparezca la ventana de login, introduzca su nombre de usuario y su clave. A continuación ya puede abrir una ventana de comandos (mediante el menú Programs ->Sistema ->Terminal UNIX de GNOME) y arrancar el simulador mediante el comando: xspim -geometry 640x & 1

2 Figura 1: xspim xspim es el nombre del simulador y la opción -geometry 640x especifica el tamaño de la ventana y su posición. Es necesario especificar el tamaño debido a que el tamaño por defecto no cabe en la pantalla. El carácter & se utiliza para ejecutar el programa en background de forma que se quede libre el terminal para introducir más comandos. En la pantalla aparecerá una ventana como la mostrada en la figura 1. Como puede observar, la ventana se divide en 5 zonas: En la primera zona, situada en la parte superior de la ventana, se muestran los registros del procesador. En la segunda zona se han situado una serie de botones que permiten controlar el funcionamiento del simulador. En la tercera zona se muestra el segmento de texto, que es la parte de la memoria en la que se sitúan los programas. Éste a su vez tiene dos partes, el programa de usuario y el programa de sistema (KERNEL). Además, esta zona se divide en 4 columnas: en la primera columna se muestra la dirección de memoria, en la segunda su contenido en hexadecimal, en la tercera el código en ensamblador y en la cuarta el código tal como está escrito en el archivo fuente (el número que precede la instrucción es el número de línea dentro de dicho archivo fuente). En la cuarta zona se muestra el segmento de datos, que a su vez se divide en DATA (datos del programa de usuario), STACK (pila) y KERNEL DATA (datos del sistema). Por último, la quinta zona muestra los mensajes del simulador. Todas las zonas anteriores muestran sólo una parte de la información que contienen. Para visualizar el resto, basta con pulsar con el ratón sobre la zona deseada y a continuación se pueden usar las teclas de avance y retroceso de página para visualizar el resto de información de cada zona. Por ejemplo, si pulsa con el ratón en la zona de registros y pulsa a continuación la tecla de avance de página, aparecerán en la pantalla los registros de coma flotante de precisión simple. A la derecha de las líneas que dividen cada zona aparecen unos cuadrados negros. Éstos permiten variar el tamaño de las zonas arrastrando con el ratón. No obstante, la zona de registros tiene un tamaño mínimo y la de botones es fija. 2

3 7. Arranque del programa en Windows Una vez abierta la sesión, hay que ejecutar el archivo e:\spim.bat. Para ello, lo más fácil es usar la opción ejecutar del menú inicio. El funcionamiento de la versión de Windows es similar a la de Linux mostrada en el apartado anterior. Para más detalles puede consultar el manual del programa, disponible en la página web del laboratorio. 8. Introducción de un programa Arranque su editor de texto favorito (por ejemplo xemacs en Linux o notepad en Windows) y teclee el siguiente programa en ensamblador: # Programa simple para sumar dos variables.data # zona de datos datos:.word 2, 3 # las dos palabras que se suman.text.globl main # zona de programas # la etiqueta main ha de ser global main: la $t0, datos # t0 apunta a la zona de datos. lw $t1, 0($t0) lw $t2, 4($t0) # t1 y t2 contienen los datos a comparar. add $t1, $t1, $t2 salida: jr $ra # Salimos de la rutina main(). Las palabras que comienzan con un punto:.data,.word,.text y.globl son directivas del ensamblador. Se utilizan para dar órdenes al ensamblador acerca de cómo ha de generar el código. Los significados de cada una de las directivas utilizadas en este programa son:.data: Indica al ensamblador que los siguientes elementos han de situarse en el segmento de datos. Se puede indicar opcionalmente una dirección para que coloque los elementos a partir de dicha dirección. Si no se indica nada se colocan a partir de la dirección 0x word: Guarda los valores que siguen a la directiva en palabras sucesivas de memoria..text: Indica al ensamblador que los siguientes elementos han de situarse en el segmento de texto (programas) del usuario..globl: Declara la etiqueta que le sigue como global, de forma que puede referirse desde otros archivos. Además, en este programa se ha usado una instrucción que no se ha estudiado aún en clase: la. En realidad se trata de una pseudoinstrucción que carga la dirección de la etiqueta (en lugar del dato que contiene la etiqueta) en el registro destino. Cuando termine de introducir el programa guardelo en disco utilizando como extensión del nombre un.s Carga del programa Para cargar el programa, pulse sobre el botón load en la versión de Linux o seleccione el menú File->Open en la versión de Windows. En la ventana que aparece seleccione el archivo con el código en ensamblador (Windows) o teclee su nombre completo (Linux). Como puede observar, el programa se carga a partir de la dirección 0x , pues de la 0x a la 0x C está el código de arranque. Ejecución del programa Una vez cargado, podemos pasar a ejecutarlo. Para ello en la versión Linux pulse sobre el botón run. En la de Windows puede usar el menú Simulator->Go o pulsar la tecla F5. Aparecerá una ventana en la que se puede seleccionar la dirección de arranque y los argumentos del programa. Pulse ok para ejecutar el programa desde la dirección 0x , que es donde comienza el código de arranque que se encarga de saltar a la etiqueta main de nuestro programa mediante la instrucción jal. Compruebe si el resultado de la ejecución es correcto. Por qué la última instruccíon de nuestro programa es jr $ra? 3

4 Ejecución paso a paso Ejecute el programa paso a paso utilizando la orden step comenzando desde la dirección 0x En la versión de Windows la ejecución paso a paso se realiza pulsando la tecla F10. Además, en Windows es necesario volver a cargar el programa de nuevo mediante el menú simulator->reload cada vez que se desee realizar una nueva ejecución paso a paso. Qué instrucción ha generado la pseudoinstrucción la? Por qué? Puntos de ruptura (breakpoints) Aunque la ejecución paso a paso es muy útil para depurar los programas, cuando éstos tienen un tamaño considerable puede llevarnos bastante tiempo ir ejecutando todo el programa hasta llegar a la zona en la que está el problema. Para evitar esto los puntos de ruptura permiten ejecutar el programa a su velocidad normal hasta que se llega a una instrucción determinada en la que se detiene la ejecución y se devuelve el control al usuario de forma que éste pueda inspeccionar los valores de las variables, ejecutar el resto del programa paso a paso, etc. Mediante la opción breakpoints (menú simulator->breakpoints en Windows) coloque un punto de ruptura en la primera instrucción del programa. Ejecute desde la dirección 0x (Código de arranque). Verifique que el programa se detiene en la primera dirección del programa. Continue ejecutando el programa paso a paso. Modificación de datos Mediante la opción set value (menú Simulator->Set Value en Windows) modifique la memoria para que el programa sume Ejecute el programa y compruebe el resultado. Para ver qué ocurre si no tenemos en cuenta que el rango de los registros es limitado, repita esta operación para sumar Ocurre alg ún error al ejecutar el programa? En caso afirmativo modifique el programa para que no se produzca el error. Da el programa ahora un resultado correcto? Ejecute ahora el programa paso a paso hasta la instrucción anterior a la suma. Modifique el valor de los registros t1 y t2 mediante la opción set value para que se sume 1+2. Continúe la ejecución del programa y compruebe el resultado. 9. Llamadas al sistema En la asignatura de sistemas operativos, estudiarán que una de las misiones de éstos es el facilitar el uso del hardware por parte de los programadores de aplicaciones. Para ello, todos los sistemas operativos disponen de un mecanismo para que los programas de aplicación puedan solicitarle servicios. Estos servicios pueden ser tan simples como leer un dato del teclado o tan complejos como enviar una serie de datos por la Red. El simulador SPIM simula una serie de llamadas al sistema operativo mediante la instrucción syscall. Estas llamadas permiten, entre otras cosas, la entrada de datos por teclado y la salida de datos por un terminal. Para realizar una llamada al sistema hay que colocar en el registro v0 un código que identifica el servicio que se desea y en los registros a0 a3 los argumentos necesarios. A continuación se ejecuta la instrucción syscall para realizar la llamada. Si la llamada al sistema devuelve algún valor, éste se deposita en el registro v0. En la figura A.17 del apéndice A de (Patterson y Hennessy, 2000) se muestra un listado completo de los servicios soportados por SPIM. En esta práctica sólo nos interesan tres: Servicio Código de llamada Argumentos Resultado print int 1 a0 = entero print string 4 a0 = dir cadena read int 5 entero en v0 Hasta ahora se han introducido los datos como constantes del programa y se ha dejado el resultado en un registro. Obviamente este modo de trabajo no es muy conveniente. Modifique el programa anterior para que lea dos enteros desde el teclado e imprima su suma en el terminal. Antes de cargarlo en el simulador es necesario borrar la memoria mediante el comando clear ->Memory & Registers. Qué ocurre al sumar ? Impresión de cadenas de caracteres El interfaz actual, aunque mejor que la primera versión, deja bastante que desear. Sería conveniente poder imprimir algún mensaje al usuario para que sepa lo que tiene que hacer. Para ello se puede utilizar la llamada al sistema 4

5 print string que permite imprimir la cadena de caracteres cuya dirección está almacenada en a0. Las cadenas han de situarse previamente en el área de datos mediante la directiva.asciiz. Así, si se escribe dentro del área de datos: cad1:.asciiz "Introduzca un entero " El compilador creará un espacio en memoria y lo inicializará con la cadena de caracteres terminada con un \0. Modifique el programa anterior para hacerlo más educado. Un ejemplo de funcionamiento del programa se muestra a continuación: Introduzca un entero 4 Introduzca un entero 5 El resultado es Final de la práctica Una vez finalizada la práctica, cierre la sesión (Desktop ->Log Out en Linux). El informe de la práctica ha de contener los listados de los programas realizados y las respuestas razonadas a las preguntas formuladas a lo largo de la práctica. Referencias Patterson, D. A. y Hennessy, J. L. (2000). Estructura y diseño de computadores. Interficie circuitería/programación. Reverté. 5