in questa esercitazione si trattano:

• cross-compilatori e strumenti di utilità GNU per l'analisi di programmi di basso livello
• esempi di uso di tali strumenti per diversi processori e sistemi di sviluppo di programmi:
  • per simulatore ARM VisUAL v. 1.27 con cross-compilatore GCC 3.2, GNU Binutils 2.13, e script ad-hoc
  • esecuzione con debugger su processore ARM Cortex-A9 (DE1-SoC HPS)
  • esecuzione con debugger su processore Nios II (DE1-SoC FPGA)
  • per processore ARM Cortex-A9 con cross-compilatore GCC 4.8.1 e GNU Binutils 2.23
  • per processore Nios II con cross-compilatore GCC 5.3.0 e GNU Binutils 2.25
• esperienza di laboratorio: riproduzione dell'esecuzione degli esempi e produzione di documentazione esplicativa

un primo esempio mostra l'uso dell'emulatore ARM VisUAL v. 1.27 per la simulazione dell'esecuzione di un programma per il calcolo del GCD con l'algoritmo di Euclide (Listing 7.11 in Schaumont, con main modificato per il diverso sistema di simulazione)

• l'emulatore accetta un programma sorgente assembly conforme a un sottoinsieme dell'insieme di istruzioni definito dalla sintassi UAL (Unified Assembly Language)

in questo esempio si genera il programma assembly dal sorgente C mediante il cross-compilatore arm-linux-gcc, per ISA ARMv4, realizzata nel processore StrongARM

• il cross-compilatore e i programmi di utilità sono reperibili da
  rijndael.ece.vt.edu/gezel2repo/pool/main/a/arm-linux-gcc/

tuttavia, il sorgente assembly così prodotto non soddisfa le restrizioni imposte dall'emulatore, e.g contiene direttive di assemblatore e altri dettagli sintattici non accettati da VisUAL

• l'ostacolo si supera mediante uno script ad-hoc, che modifica una copia del suddetto sorgente assembly producendone una versione conforme alla sintassi VisUAL

l'archivio arm_visual_examples.tgz, reperibile nella cartella crosstools dell'area dedicata di laboratorio, fornisce i sorgenti C e gli script richiesti per la cross-compilazione e l'emulazione VisUAL dell'esempio GCD e di un secondo esempio, illustrato dalla prossima figura, che presenta una realizzazione software del calcolo del delay Collatz, simile in funzionalità alle realizzazioni hardware considerate nelle precedenti esperienze di laboratorio

• per riprodurne l'esecuzione, dopo la decompressione dell'archivio con tar xzpvf, nella cartella arm_visual_examples eseguire rispettivamente ./c2visual gcd, e ./c2visual delay_collatz, quindi lanciare VisUAL e aprire i rispettivi file generati gcd/gcd.s, e delay_collatz/delay_collatz.s (attenzione: con estensione .s minuscola! )

la figura mostra un'istantanea dell'esecuzione del programma delay_collatz.c sul processore ARM della DE1-SoC

cross-compilazione, caricamento ed esecuzione hanno luogo mediante il programma altera-monitor-program, sotto controllo del suo debugger GNU GDB

• il sistema permette il caricamento di un sorgente C o assembly e la cross-compilazione attraverso lo stesso programma monitor

lo stesso sorgente C dell'esempio precedente può essere cross-compilato ed eseguito da softcore Nios II sulla FPGA nel sistema DE1-SoC

l'esecuzione dell'esempio delay_collatz sul processore ARM con il monitor program genera nella cartella del progetto due file interessanti per l'analisi di basso livello:

• delay_collatz.axf: l'eseguibile in formato ELF
• delay_collatz.axf.objdump: il suo disassembly prodotto dall'utilità objdump

per condurre ulteriori analisi di basso livello è utile sapere dove sono collocati i programmi di utilità associati al cross-compilatore gcc utilizzato dal monitor program

• nella directory di installazione del software Quartus Prime, il cross-compilatore e le binutils sono reperibili nella cartella
  University_Program/Monitor_Program/arm_tools/baremetal/bin

N.B. in verità, il monitor program usa versioni specializzate di alcuni di questi strumenti, che hanno un'altra collocazione; tuttavia per l'uso generale, indipendente dall'esecuzione nel contesto del monitor program, è da utilizzare la collezione di strumenti indicata sopra

l'elaborazione dei sorgenti C con il monitor program per l'esecuzione sul processore Nios II genera l'eseguibile .elf nella cartella del progetto, ma non il suo disassembly

• nella directory di installazione del software Quartus Prime, il cross-compilatore e le binutils sono reperibili nella cartella
  nios2eds/bin/gnu/H-x86_64-pc-linux-gnu/bin

ecco un semplice esempio di uso dell'utilità size: confronto della dimensione degli eseguibili generati dai tre cross-compilatori qui considerati, per entrambi i sorgenti C proposti e con le stesse opzioni di compilazione: in particolare, livello di ottimizzazione O2

• i due sorgenti e gli script usati a tal fine sono disponibili nell'archivio cross-compiled_sizes.tgz, reperibile nella cartella crosstools dell'area dedicata di laboratorio

la tabella che segue presenta il risultato di questo esercizio

riprodurre l'esecuzione degli esempi forniti per questa esercitazione, esaminare i file prodotti dalla loro esecuzione, individuare aspetti poco noti dei loro contenuti, reperire in rete informazioni su di essi e produrre della documentazione esplicativa in forma di lista di domande e risposte

• nella risposta va indicato un riferimento alla fonte; se la risposta è tratta da una fonte direttamente accessibile in rete, inserire il link specifico; se questo rinvia solo a una risposta alla domanda, il link è sufficiente come risposta

ecco tre esempi di domanda e risposta, uno per ciascuno dei tre tipi descritti sopra:

• Q: Cosa indicano gli acronimi VMA e LMA nell'output di objdump?
• A: Rispettivamente virtual memory address e load memory address; il primo è l'indirizzo di una sezione del programma durante l'esecuzione, il secondo è il suo indirizzo al primo caricamento del programma in memoria; i due indirizzi possono differire se il programma è caricato in una memoria diversa da quella che lo contiene a tempo di esecuzione, per esempio caricato su una memoria Flash e copiato su RAM quando va in esecuzione. (Schaumont, 2012, pp. 216-217)
• Q: Cosa fa l'istruzione ARM rsb?
• A: Sta per reverse subtract: sottrae il primo operando sorgente dal secondo, ovvero minuendo e sottraendo sono in ordine inverso rispetto alla sub; si noti che nelle istruzioni aritmetiche ARM il secondo operando sorgente può essere immediato, mentre il primo e la destinazione devono essere registri, dunque questa istruzione permette la sottrazione da una costante. (www.heyrick.co.uk/armwiki/RSB)
• Q: Qual è l'origine del nome bss della sezione di un programma eseguibile che contiene le variabili globali?
• A: it.wikipedia.org/wiki/.bss

letture raccomandate:

• Schaumont, Ch. 7, Sect. 7.4

materiali per consultazione:

• Schaumont, Ch. 7, Sect. 7.5, 7.6
• The ARM Instruction Set, tutorial, ARM University Program, V1.0
• VisUAL - A highly visual ARM emulator
• tutorial di fonte Intel® FPGA University Program (Novembre 2016):
• Introduction to the ARM® Processor Using Intel FPGA Toolchain - For Quartus Prime 16.1
• Introduction to the Intel Nios II Soft Processor - For Quartus Prime 16.1
• Intel FPGA Monitor Program Tutorial for ARM - For Quartus Prime 16.1
• Intel FPGA Monitor Program Tutorial for Nios II - For Quartus Prime 16.1

materiali utili per l'esperienza di laboratorio proposta:

• GCC, the GNU Compiler Collection
• GNU Binary Utilities