T1 Setup und erste Schritte

Transkript

1 Praktikum ASP Blatt 1 1 LEHRSTUHL FÜR RECHNERTECHNIK UND RECHNERORGANISATION Aspekte der systemnahen Programmierung bei der Spieleentwicklung Arbeitsblatt 1 Nach der Bearbeitung dieses Übungsblatts sollten Sie sich selbstständig mit einem Raspberry Pi 3 verbinden können... mit verschiedenen Darstellungen derselben Zahl in unterschiedlichen Basen umgehen können... mit negativen Binärzahlen im Zweierkomplement umgehen können... C-Quellcode selbstständig auf dem Raspberry Pi 3 kompilieren können Aufgrund der vorlesungsfreien Tage am und entfallen auch die Tutorien am T1 Setup und erste Schritte Um Software für den Raspberry Pi 3 zu entwickeln, ist eine Verbindung zu diesem sowie eine Entwicklungsumgebung und Tools wie Compiler, Editor, etc. notwendig. Die Verbindung kann entweder direkt über ssh 1 und Kommandozeile geschehen, oder auch über ein Entwicklungsframework wie ARM DS-5. In diesem Praktikum werden wir direkt auf den Raspberry Pi 3 arbeiten. Wir haben für Sie 40 Raspberry Pi 3 in unserem Serverraum bereitgestellt. Sie erreichen diese über unseren Load-Balancer unter sshgate-gepasp.in.tum.de. Beim Verbinden verteilt Sie dieser auf eines der 40 Boards, sodass die Gesamtlast auf allen Boards ungefähr gleich ist. Ihre Home-Verzeichnisse auf werden dabei von einem zentralen Server bereitgestellt, sodass Ihre Dateien überall verfügbar sind. Sollten Sie einmal die Verbindung verlieren, so werden in Ihrer Sitzung laufende Programme beendet. Die CPU-Zeit, die Ihre Prozesse verbrauchen können, ist limitiert, dieses Limit sollten Sie aber im Rahmen des Praktikums nicht erreichen. Nach 10 Minuten Inaktivität wird die Verbindung automatisch geschlossen. Auf diesem Blatt stellen wir Ihnen die Verwendung der Raspberry Pi 3 mittels Zugang über ssh vor. Verbindung zu den Himbeerrechnern 1. Bereits im Vorfeld sollten Sie eine von unserem Praktikums-Gitlab erhalten haben. Falls Sie keine erhalten haben, wenden Sie sich bitte an Ihren Tutor. 1 SSH steht für Secureshell und bezeichnet ein Netzwerkprotokoll, welches unter Linux zum verschlüsselten Datenaustausch verwendet werden kann.

2 Praktikum ASP Blatt Zum Verbinden mit den Boards benötigen Sie ein SSH-Schlüsselpaar. Unter Windows 10 nutzen Sie das Windows Subsystem for Linux und dann ebenfalls ssh-keygen. Unter Windows 7, 8, 8.1 erzeugen Sie dieses mit der Software PuTTYgen. Unter Linux und macos benutzen Sie ssh-keygen. Die Raspberry Pi 3 unterstützen alle gängigen Schlüsseltypen wie RSA, DSA oder ed Den öffentlichen Teil Ihres Schlüssels müssen Sie nun in Ihrem Gitlab-Profil hinzufügen. Dieser wird dann automatisch synchronisiert, sodass Sie ihn zur Authentifizierung an den Himbeerrechnern nutzen können. 4. Um Befehle auf dem Raspberry Pi 3 auszuführen, muss eine SSH-Verbindung aufgebaut werden. 5. Windows 10: Installieren Sie das Linux Subsystem for Windows 2 und folgen Sie dann der Anleitung für Linux/macOS. 6. Windows 7, 8, 8.1: Unter Windows verwendet man dazu das Tool PuTTY. a) Im Konfigurationsdialog von PuTTY müssen zunächst die folgenden Einstellungen gemacht werden: IP-Addresse: sshgate-gepasp.in.tum.de Optional: Die PuTTY-Session für den späteren Gebrauch speichern b) Auf Open klicken und beim erscheinenden Fenster nach dem Überprüfen den Hostkey annehmen 3. Der Host-Key unseres Systems ist weiter unten abgedruckt. c) Es erscheint jetzt ein Fenster mit einer Benutzerabfrage. Das Eingeben Ihrer Benutzerkennung ist der letzte Schritt zur Herstellung der SSH-Kommunikation zwischen Raspberry Pi 3 und dem Windows-PC. Ihre Benutzerkennung ist im Gitlab und auf den Boards gleich. Somit haben Sie eine Linux-Kommandozeile vor sich.. 7. Linux/macOS: a) Öffnen Sie das Terminal Ihres Vertrauens. b) Verbinden Sie sich per ssh username@sshgate-gepasp.in.tum.de mit dem Server. 2 Auch Ubuntu on Windows genannt 3 In sicherheitskritischen Anwendungen stellen diese sogenannten SSH-Fingerprinting-Keys die Authentizität des Verbindungspartners sicher. Ein eventueller Lauscher (Man in the Middle) wird dadurch ausgebremst.

3 Praktikum ASP Blatt 1 3 c) Beim ersten Verbinden werden Sie gefragt, ob Sie der Verbindung vertrauen möchten. Überprüfen Sie den angezeigten Fingerabdruck mit dem untenstehenden, um die Authentizität des Servers zu überprüfen. Stimmen diese überein, akzeptieren Sie den Key durch das Eintippen von yes. d) Sie sind nun mit einem Raspberry Pi 3 verbunden. Der ECDSA-Fingerprint des Server-Schlüssels lautet SHA256:hxc6Tz+AlPIsX2UrtKq8dBhPIEvQCjsI8p9VT2k1c6Q. Prüfen Sie diesen Wert genau! Anschließend sind alle notwendigen Konfigurationen an den Praktikumsrechnern durchgeführt. Sie finden diese Blätter und alle Materialien, die wir auch über die Webseite bereitstellen, im Cluster im Verzeichnis /material. Dieser ist für Sie nur-lesbar; falls Sie Rahmenprogramme o.ä. daraus verwenden, kopieren Sie diese vor dem Bearbeiten in Ihr Homeverzeichnis. Wir haben Ihnen in Ihrem Homeverzeichnis eine erweiterte Standardkonfiguration der Shell (.bashrc) bereitgestellt. Sie können diese natürlich jederzeit gegen eine eigene Konfiguration ersetzen! Insbesondere haben wir Ihnen einige nützliche Aliase direkt vorkonfiguriert, die Ihnen das Arbeiten auf der Kommandozeile angenehmer machen sollen. Sie können sich diese direkt auf der Shell Ihres Raspberry Pi 3 anzeigen lassen: cat ~/.bashrc grep alias 4 T2 Theoretische Grundlagen zu Stellenwertsystemen Füllen Sie die leeren Felder in der folgenden Tabelle. Dabei bezeichne g die Basis der jeweiligen g-adischen Darstellung Z = n a i g i i=0 g = 2 g = 10 g = 16 0x Tippen Sie diesen Befehl nicht einfach gedankenlos ab! Machen Sie sich mit den Befehlen cat und grep vertraut und denken Sie über den Pipe-Operator nach.

4 Praktikum ASP Blatt 1 4 T3 Zweierkomplement Das Zweierkomplement ist zur Darstellung von negativen Zahlen im Speicher von essentieller Bedeutung. Führen Sie die folgenden Rechnungen jeweils mit 8-Bit vorzeichenbehafteten Ganzzahlen zur Basis 2 durch. Wandeln Sie die Zahlen dafür zunächst in Binärdarstellung um. 4 + ( 3) ( 25) + 4 T4 Programmierung einer einfachen Schleife in C Ziel dieser Aufgabe soll es sein, die aus der Oberstufenmathematik bekannte Formel des kleinen Gauß zu implementieren. Formal ist diejenige Zahl z gesucht, die sich wie folgt errechnet: n z = n = k Für diese Programmieraufgabe soll n = 100 gewählt werden. Außerdem wollen wir die (naive) Lösung mithilfe einer Schleife implementieren. In C steht uns hierfür das for-konstrukt zur Verfügung. Nach der Berechnung soll das Ergebnis z mithilfe der printf()-funktion auf die Konsole ausgegeben werden. Implementieren Sie das Programm mithilfe der Kommandozeile 5 (s.o.) 1. Loggen Sie sich auf den Raspberry Pi 3 ein. 2. Stellen Sie sicher, dass Sie sich in Ihrem home-verzeichnis befinden: Die Ausgabe des Befehls pwd sollte Ihr home-verzeichnis /home/benutzerkennung sein. Ansonsten wechseln Sie mit dem Befehl cd /home/benutzerkennung in das gesuchte Verzeichnis. k=1 3. 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 5 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 ASP Blatt Schreiben Sie Ihre Implementierung mithilfe eines Texteditors Ihrer Wahl (wir verwenden nano 6 in die Datei gauss.c: nano gauss.c 7. Kompilieren Sie Ihr Programm mithilfe des Gnu-C-Compilers: gcc -o gauss gauss.c 8. Führen Sie Ihr Progamm auf der Kommandozeile aus:./gauss 6 Auf den Images sind auch vim und emacs installiert, sollten Sie diese bevorzugen.

6 Praktikum ASP Blatt 1 6 H1 sshfs Alternativ zu der Programmierung direkt auf der Kommandozeile können Sie auch auf Ihrem lokalen Rechner arbeiten und die Dateien danach auf den Raspberry Pi 3 übertragen. Besonders komfortabel gelingt dies mittels sshfs, das einen Ordner (z.b. das eigene Homeverzeichnis) auf dem Raspberry Pi 3 lokal bereitstellt. Für den Rest des Semesters ist Ihnen freigestellt, wie Sie arbeiten möchten. Unter Windows nutzen Sie dafür win-sshfs: Die Konfiguration erfolgt analog zu PuTTY. Unter macos ist die Sache etwas komplizierter: Sie benötigen 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@sshgate-gepasp.in.tum.de:/home/benutzerkennung/ mountpoint herstellen. Der Mountpoint muss dabei ein leerer Ordner sein, der Ihrem Benutzer gehört. H2 Cycle Challenge Anstatt klassicher Hausaufgaben, die in den Tutorstunden besprochen werden stellen wir Ihnen eine Möglichkeit zum selbstständigen Üben bereit: die Cycle Challenge. Jede Woche wird unter ein neues Optimierungsproblem veröffentlicht. Wir geben Ihnen dabei Code und Sie sollen diesen soweit wie möglich optimieren! Für jede Abgabe wird gezählt, wie viele Cycles (nicht Instruktionen) Ihr Code benötigt. Anhand dessen wird eine Rangliste 7 erstellt, wobei Sie ihr Pseudonym für diese frei wählen können. Auf die drei besten Optimierer_innen wartet am Ende des Semesters eine kleine Überraschung! Die Aufgaben der Cycle Challenge werden vollautomatisch bewertet und haben keinen Einfluss auf die Praktikumsnote. Bei Problemen oder Fragen steht Ihnen Ihr_e Tutor_in gerne zur Verfügung. 7 Sie können die Aufgaben selbstverständlich auch bearbeiten, ohne in der Rangliste (namentlich) gelistet zu werden.