Praktikum Rechnerarchitektur

Transkript

1 Praktikum ERA Blatt 1 1 LEHRSTUHL FÜR RECHNERARCHITEKTUR UND PARALLELE SYSTEME Praktikum Rechnerarchitektur Arbeitsblatt 1 Es wird zu jeder Tutorstunde ein neues Aufgabenblatt geben. Dabei gibt es Tutoraufgaben T zur Bearbeitung während der Tutorstunde, optionale Aufgaben X für Schnelle und Interessierte und freiwillige Hausaufgaben H, die in der folgenden Woche kurz besprochen werden. T1 Die 64-Bit Erweiterung des x6 Assembler In der Vorlesung haben Sie x6 als -Bit-Architektur kennengelernt. Heute handelt es sich aber bei den meisten Prozessoren um 64-Bit-Prozessoren. 1. Warum ist das ursprüngliche x6 eine -Bit-Architektur, was bedeutet das? 2. Worin liegen die Unterschiede bei einer 64-Bit-Architektur, was sind die Vorteile? Ihr Laptop besitzt vermutlich einen Prozessor der Architektur x6-64. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung des x6 auf 64-Bit. Die Änderungen durch diese Erweiterung sollen nun genauer betrachtet werden. 3. Um 64-Bit-Zahlen zu verarbeiten, gibt es bei x6-64 neue 64-Bit-Register. Erinnern Sie sich an die Register des x6- und füllen Sie anhand der folgenden Hinweisen die Übersicht der Register des x6-64 auf der nächsten Seite aus: Die acht -Bit-Register des x6 bleiben mit all Ihren Unterteilungen erhalten. Sie werden nach vorne zu 64-Bit-Registern erweitert. Die neuen 64-Bit-Register erhalten den Präfix r, z.b. rax. Zusätzlich gibt es neue General Purpose Register r-r15. Bei r r15 können die unteren Bit können mit dem Suffix d (für doubleword), die untersten Bit mit dem Suffix w (für word) und die untersten Bit mit dem Suffix b (für byte) angesprochen werden. Damit kennen Sie bereits die wichtigsten Neuerungen der x6-64 Erweiterung. Die Befehle bleiben alle erhalten und wurden auf die Verwendung mit 64-Bit-Registern erweitert. Es ist lediglich zu beachten, dass beim Schreiben von eax die obereren Bit von rax auf gesetzt werden (nicht jedoch beim Schreiben von ax). In diesem Praktikum verwenden wir von nun an x6-64.

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3 Praktikum ERA Blatt 1 3 T2 Setup und erste Schritte Um ein einheitliches Setup zu gewährleisten, entwickeln wir auf dem Uni-Server der Rechnerhalle. Mittels einer SSH-Verbindung können Sie auch von Ihrem Laptop aus darauf zuzugreifen. Ansonsten benötigen Sie keine weiteren Tools. Account Zur Anmeldung benötigen Sie Ihre Informatik-Kennung der Rechnerbetriebsgruppe (RBG) (dies ist nicht Ihre TUM-Kennung!). Sollten Sie Ihr Passwort vergessen haben, wenden Sie sich bitte an den RBG-Helpdesk. Weitere Informationen zur lxhalle finden Sie im RBG-Wiki 1 Host: Host-Key: Username: Password: halle.in.tum.de siehe RBG-Wiki Ihre Informatik-Kennung, Ihr Passwort zu der Informatik-Kennung Verbindung unter Windows Unter Windows verwendet man dazu das Tool PuTTY. 1. Im Konfigurationsdialog von PuTTY muss die IP-Adresse auf den oben genannten Host (halle.in.tum.de) gesetzt werden. 2. Auf Open klicken und beim erscheinenden Fenster nach dem Überprüfen den Host-Key annehmen Melden Sie sich nun mit Ihrer Informatik-Kennung an. Wenn alles funktioniert, haben Sie nun eine Linux-Kommandozeile auf der Rechnerhalle vor sich. Verbindung unter macos, Linux, BSD, Öffnen Sie das Terminal Ihres Vertrauens. 2. Verbinden Sie sich per ssh username@halle.in.tum.de 3. Beim ersten Verbinden werden Sie gefragt, ob Sie der Verbindung vertrauen möchten. Überprüfen Sie den angezeigten Fingerabdruck; stimmen diese überein, akzeptieren Sie den Key durch das Eintippen von yes. 4. Sie sind nun mit der Rechnerhalle verbunden Der Host-Key stellt sicher, dass Sie sich wirklich um den angefragten Server handelt und kein Angreifer die Verbindung auf einen anderen Server umleitet.

4 Praktikum ERA Blatt 1 4 T3 Von Java zu C Ziel dieser Aufgabe soll es sein, die Formel des kleinen Gauß zu implementieren. Dabei soll mit Hilfe einer Schleife die Zahl n z = n = k für n = 1 berechnet, und anschließend auf die Konsole ausgegeben werden. 1. Überlegen Sie sich, wie Sie dieses Programm in Java implementieren würden. 2. Was passiert beim Kompilieren und Ausführen eines Java-Programms? Was macht im Gegensatz dazu der C-Compiler? Wo liegen die Vor- und Nachteile? 3. Betrachten Sie nun die folgende C-Implementierung des Programms. Was ist anders, als Sie es in Java kennen? Wie funktioniert die Funktion printf? 1 # include <stdio.h> 2 3 int main ( int argc, char ** argv ) { 4 int sum = ; 5 6 for ( int i = 1; i <= 1; i ++) { 7 sum += i; } 9 k=1 1 printf (" Die Summe aller nat ü rlichen Zahlen " \ 11 " von 1 bis 1 betr ägt %d.\n", sum ); return ; 14 } T4 Entwickeln auf der Kommandozeile Das C-Programm soll nun am Rechner implementiert werden. In dieser Aufgabe geschieht dies mithilfe der Kommandozeile 3, in Aufgabe X1 werden später noch Alternativen hierzu gezeigt. 1. Loggen Sie sich auf der Rechnerhalle ein. 2. Stellen Sie sicher, dass Sie sich in Ihrem home-verzeichnis befinden: Die Ausgabe des Befehls pwd sollte Ihr home-verzeichnis /u/halle/benutzerkennung/home_at sein. Ansonsten wechseln Sie mit dem Befehl cd /u/halle/benutzerkennung/home_at in das gesuchte Verzeichnis. 3 Wir gehen davon aus, dass Sie sich selbstständig in die Verwendung einer Linux-Kommandozeile einarbeiten können. Ein paar Basis-Befehle sind hier genannt. Verwenden Sie man <Befehl> in der Kommandozeile um nähere Informationen zu den einzelnen Befehlen zu bekommen.

5 Praktikum ERA Blatt Erstellen Sie einen neuen Ordner gauss: mkdir gauss 4. Wechseln Sie in das Verzeichnis gauss: cd gauss 5. Erstellen Sie die Datei gauss.c: touch gauss.c 6. Schreiben Sie Ihre Implementierung mithilfe eines Texteditors Ihrer Wahl (wir verwenden nano 4 ) in die Datei gauss.c: nano gauss.c 7. Kompilieren Sie Ihr Programm mithilfe des Gnu-C-Compilers: gcc -o gauss gauss.c. Führen Sie Ihr Progamm auf der Kommandozeile aus:./gauss T5 Analyse des kompilierten Programms Im Folgenden werden wir den Maschinencode betrachten, den der Compiler aus Ihrem Programm erzeugt hat. 1. Verwenden Sie nun den Befehl objdump, um den Maschinencode der kompilierten Datei in lesbarer Form anzuzeigen: objdump -M intel -d gauss less Sie können die Ansicht von less mit der Taste q beenden. Die Repräsentation der Ausgabe von objdump ist: <address>: instruction_bytes instruction_mnemonic Die lesbare Repräsentation des Programms findet sich in instruction_mnemonic. 2. Suchen Sie in der Ausgabe von objdump (der sogenannten Disassembly) nach der Funktion main. Können Sie die Schleife aus der Hochsprache im Assemblercode lokalisieren? 3. Kompilieren Sie Ihr Programm erneut unter der Verwendung der Optionen -O 5, -O1 oder -O2. Wie verändert sich die Disassembly? 4 Es ist auch vim installiert, falls Sie dies bevorzugen sollten. 5 Minus, großer Buchstabe O, Null

6 Praktikum ERA Blatt 1 6 X1 sshfs Alternativ zu der Programmierung direkt auf der Kommandozeile können Sie auch auf Ihrem lokalen Rechner arbeiten und die Dateien danach auf den Server übertragen. Besonders komfortabel gelingt dies mittels sshfs, das einen Ordner (z.b. das eigene Homeverzeichnis) auf der Rechnerhalle lokal bereitstellt. Unter Windows nutzen Sie dafür win-sshfs: Unter macos benötigen Sie osxfuse. Folgen Sie der Anleitung unter Unter Linux benötigen Sie FUSE sowie sshfs. Sie finden diese Pakete ggf. im Paketmanager der Distribution Ihres Vertrauens. Sie können die Verbindung anschließend mit dem Befehl sshfs benutzerkennung@halle.in.tum.de: mountpoint herstellen. Der Mountpoint muss dabei ein leerer Ordner sein, der Ihrem Benutzer gehört. Für einen einmaligen Dateiaustausch kann außerdem scp benutzt werden. Weitere Infos hierzu finden Sie im Wiki der RBG 6. Es ist Ihnen freigestellt, wie Sie arbeiten möchten. 6