Инструментальная поддержка преподавания дисциплины «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера» на ВМК МГУ
Курячий Георгий владимирович, «Базальт СПО»
Рудаченко Михаил Евгеньевич, ГБС РАН
Аннотация: преподавание базовой (второй семестр обучения) дисциплины «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера» требует совмещать в семестровом курсе (52 часа теории + 52 часа практики) широкую фактологическую часть с практическим изучением одного конкретного языка ассемблера. Продуктивная по сути идея (автокод как практическая иллюстрация архитектуры) встречает всё больше трудностей: изучение современного ассемблера (nasm для x86_64) усложнено незначимыми практическими реалиями, изучение устаревшего (MASM для DOS) или модельного — страдает вопиющим расхождением с современностью. Так или иначе, большая часть теоретического материала не имеет практической поддержки. Авторами разработан, предложен и дважды проведён курс, основанный на архитектуре MIPS32 (эмулятор MARS) и классических модельных машинах, в котором сделана попытка поддержать практикой максимально возможный спектр изучаемых тем с автоматической проверкой программной части домашних заданий. В конце доклада обсуждаются возможности дальнейшего развития программной части курса.
О курсе «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера»
Это базовая дисциплина, которую читают на первом курсе во втором семестра на факультете ВМК МГУ. Плотность достаточная (4 часа теории + 4 часа практики в неделю), но объём сведений, которые хочется (следует!) туда втиснуть, год от году растёт.
- Цель
- сформировать понимание, что такое «архитектуры ЭВМ» и почему они такие
- Задачи
- теория + фактология + практика
- Изучить основы логической организации ЭВМ; смоделировать и сравнить несколько различных архитектур
- Рассмотреть современное состояние ЭВМ и принципы, по которым развивается их архитектура, например:
- конвенции и ABI;
- базис: система команд, виды адресации, регистры, подпрограммы, флаги и т. д.
- системные вызовы, прерывания, ловушки; внешние устройства, порты, MMIO, DMA и прочее; сопроцессоры;
- аппаратная оптимизация — кеш, конвейер, упреждающие вычисления и зависимости вычислительных потоков;
- аппаратная изоляция: режимы процессора, виртуальная память, виртуализация;
- Освоить язык ассемблера, в котором по возможности эти принципы применяются на практике
- Изучить некоторые приёмы низкоуровневого программирования и моделирования данных
К сожалению, два варианта этого базового курса, на наш взгляд, упираются в две крайности: один воспроизводит курс прошлого тысячелетия по 16-битной архитектуре (MASM4 + DOS), другой основан на nasm и x86_64. Сейчас готовится новый курс на базе Masm32 и Windows XP, сочетающий, на наш взгляд, худшие качества первых двух вариантов — моральную и актуальную устарелость и усложнённость изучаемого материала.
Выбор архитектуры
Мы провели много времени в спорах, что же взять за основу — идеальный учебный процессор в вакууме или настоящее живое железо, в котором пропустить всё лишнее. В итоге разработку идеального процессора мы оставили команде RiscV, а сами пришли к такому компромиссу:
В качестве модельных машин использовать факультетские наработки, только дописать к ним эмулятор.
- В качестве базовой архитектуры выбрать MIPS32, как наиболее подходящую по соотношению «современность»/«адекватность системы команд». В виде бонуса мы получаем простой и понятный конвейер. Российские реалии: процессор «Байкал Т» имеет архитектуру MIPS32.
В качестве среды программирования выбрать MIPS Assembler and Runtime Simulator (MARS). Недостатки того, что это эмулятор, компенсируются наглядностью
Если хватит времени/интеллектуальных усилий, прокинуть мостик между языком ассемблера и Си в стиле «Си — это такой суперудобный макроассемблер», перейдя либо на настоящее железо, либо на полный эмулятор Qemu.
Инструменты
Базовой LMS у нас на факультете является Moodle. В основном использовались три вида модулей — урок, задание, форум-семинар и контрольная. В контрольных мы старались давать параметрические задачи.
Для изучения модельных машин Владимир Лютов написал эмулятор, программы для которого задаются в шестнадцатеричных кодах. Эмулятор поддерживает пять архитектур из рассмотренных в методчке, отладчик, а также простой ассемблер для одной из них. Написан на Python.
Эмулятор MARS оказался неплох (правда, только в своей области):
- Простая IDE
- Отладчик и дизассемблер, редактора памяти, регистров, сопроцессора
- поддержка текстового В/В и выполнения программы в режиме эмулятора без UI
- Поддержка нескольких простейших внешних устройства, в т. ч. работающих по прерываниям и растрового графического дисплея
- Наглядные модули, описывающие работу конвейера, кеша и предсказателя перехода
Поскольку практических заданий было много (в среднем, 3 к лекции), в какой-то момент в их проверке подключилась система проведения олимпиад Ejudge. И модельные машины, и MARS хорошо встраиваются в EJudge, но в силу простоты и краткости программ для первых, мы решили ограничиться автоматической проверкой только программ для Mars.
Пришлось разработать три варианта «обвязки» Д/З:
- типа «из памяти в память», когда входные и выходные данные лежат в заданных местах памяти, а необходимый для EJudge ввод-вывод делает программа-footer
- типа «полная программа» (после изучения темы «ввод-вывод»)
- типа «подпрограмма» (после изучения темы «подпрограммы и конвенции по передаче параметров»), в которой программа-footer, помимо формирования ввода и вывода, проверяла соблюдение конвенций по вызову
Задачи для контрольных каждый студент получал так: скачивал программу-генератор (на Python), запускал её и получал текст условия и «номер варианта». Контрольные также пришлось проверять вручную.
Выводы
- Модельные машины в том виде, в котором они описаны в методичке, слишком похожи друг на друга, и не похожи на MIPS. Возможно, стоит отказаться от конкретно этого варианта и разработать более общий фреймворк, позволяющий моделировать более широкий спектр архитектур, причём так, чтобы плавно переходить к системе команд MIPS32.
- Следующие темы отсутствуют (ещё не запрограммированы или принципиально невозможны) в MARS:
- Виртуальная память
- Многопроцессорность
- DMA и иные контроллеры
- Упреждающие вычисления, псевдоскалярность, векторность
- Микропрограммы
- Виртуализация Все такие темы пришлось изучать «всухую», есть подозрение, что контроль остаточных знаний по ним разочарует. Некоторые из этих тем можно проиллюстрировать, написав соответствующие модули для MARS (это несложно), а некоторые — нет.
- Курс читался дважды. Оба раза в основное время к теме про Си вырулить не удалось за недостатком ресурсов (времени и плотности материала). Был подготовлен факультативный курс по Си на базе виртуальной машины с Linux и эмулятором Qemu-user-mipsel для изучения сгенерированного кода. К сожалению, формат курса (форум) оказался неудобным для изложения, потому что по факту получился учебник; требуются ресурсы для превращения одного во второе.
- Вполне возможно, что стратегически правильное решение — отказаться от MIPS в пользу RiscV, как доступной, достаточно несложной, перспективной и ультрасовременной архитектуры. Ранее останавливало отсутствие наглядных инструментов, наподобие MARS, что там сейчас творится — надо исследовать.
См. также
- Рудаченко М. Е. Свободный эмулятор MARS в курсе «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера». // Материалы XXII конференции «Свободные программы в высшей школе».
Приложение
