Praktikum ASP (IN0035) - Einführungsvorlesung · 2019. 10. 16. · PraktikumASP(IN0035) Einführungsvorlesung AlexisEngelke Lehrstuhl für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme

Praktikum ASP (IN0035)Einführungsvorlesung

Alexis Engelke

Lehrstuhl für Rechnerarchitektur und Parallele SystemeFakultät für InformatikTechnische Universität München

16. Oktober 2019

2

Alexis Engelke 2019

Wie funktioniert die Programmierungvon Prozessoren auf niedriger Ebene?

I Welche Schnittstelle zu (Anwendungs-)Softwarehat ein Prozessor?

I Wie kann man diese möglichst effizient nutzen?

Motivation Organisation Grundlagen AArch64 Toolchain

3

Alexis Engelke 2019

Ziele des Praktikums

I Vermittlung von Low-level ProgrammierungI 64-Bit ARM-Architektur (AArch64) auf Raspberry Pi 3

I Verständnis der Programm-Ausführung auf HardwareI Effizienz: Was kann Hardware gut?I Gezielte Code-OptimierungI Leistungsanalyse, BenchmarkingI Sichere Programmierung


4

Alexis Engelke 2019

Cluster von 40 Raspberry Pi 3


6

Alexis Engelke 2019

Wofür ist das gut?

I Gezielte Anpassung von Programmen, ermöglichen. . .I dass ein Compiler schnellen Code generieren kannI Optimierungen, die ein Compiler nicht (gut) kann

I Games-Bezug: Höhere Performance

I DebuggingI Bei komplexen Bugs, Compiler-Bugs, CPU-Bugs, etc.

I Sichere ProgrammierungI Schwachstellen im Code vermeiden


7

Alexis Engelke 2019

Organisation des Praktikums

I Modul IN0035, 5 ECTSI Keine Klausur, Bewertung über ProjektarbeitI Website: https://www.caps.in.tum.de/asp

I Ansprechpartner:1. Ihr Tutor ist der erste Ansprechpartner2. Praktikumsleitung (Alexis Engelke)

I Bei Problemen mit Rechnerräumen: RBGI Bei Problemen mit Praktikumsinfrastruktur: Tutor


https://www.caps.in.tum.de/asp

8

Alexis Engelke 2019

Ablauf

I Einführungsvorlesung: 16.10.2019

I Phase 1: Wöchentliche PraktikumsstundenI Start ab 21.10.2019, jeder sollte angemeldet seinI Anwesenheit ratsam

I Phase 2: ProjektarbeitI Zuteilung in Dreiergruppen (Anfang Dezember)I Bearbeitung einer individuellen ProjektaufgabeI Ab Januar Sprechstunde statt Tutorien in 01.08.011

Während der Projektphase werdenkeine Fragen zum Grundstoff beantwortet!


9

Alexis Engelke 2019

ZeitplanI Anmeldung zu Projektphase bis 29.11.2019I Vergabe Projektaufgaben 04.12.2019I Kurzvortrag 09.12. – 13.12.2019

I Vorstellung der Aufgabe in einem TutoriumI Anwesenheitspflicht

I Ende Tutorien 20.12.2019I Abgabefrist 29.01.2020I Abschlussvorträge 02.03. – 06.03.2020

I Anwesenheitspflicht (für eigenen Vortrag)I Bei unbegründeter Abwesenheit Bewertung mit 5.0

I Weitere Details folgen per E-Mail und auf WebsiteMotivation Organisation Grundlagen AArch64 Toolchain

10

Alexis Engelke 2019

Bewertung Projektaufgabe

I Grundlage: PraktikumsordnungI Unbedingt lesen!I Neues Bewertungsschema ab WiSe 19/20!I Enthält Details zu Durchführung und Bewertung

I Bewertung von:1. Implementierung (20 Pkt.)2. Ausarbeitung (20 Pkt.)3. Abschlussvortrag (20 Pkt.)

I Endnote 5.0 möglichI Plagiate: Abgabe von nicht selbst-geschriebenem Code

führt zu Konsequenzen: Note 5.0 bis Exmatrikulation


11

Alexis Engelke 2019

Organisatorisches: Verschiedenes

I Besuch von Veranstaltung IN0034 empfohlenI Erfahrung mit Linux-Konsole und C-Programmierung

unabdingbare Voraussetzung!

I Hardware: Zugriff zu Raspberry Pi 3 vom LehrstuhlI Fernzugriff von zuhause möglich

I Literatur: ARM-Dokumentation, LV-Materialien


12

Alexis Engelke 2019

ARM

I ARM Holdings (früher: Advanced RISC Machines)I Erstellt Prozessor-Designs für mobile/embedded Systeme

I Keine Chipherstellung!I Verkauft Lizenzen der Architektur,

u.a. an Apple, Nvidia, Broadcom, Intel, Cavium, . . .

I Design kann leicht geändert/erweitert werdenI Z.B. für GPUs, Netzwerkcontroller, . . .

I Geringer Stromverbrauch, Preis (?)


13

Alexis Engelke 2019

Instruction Set Architecture

I Schnittstelle zwischen Programm und ProzessorI Hardware-Realisierung für Programmierer nicht wichtig

I Welche Modi werden unterstützt?I Bei ARM: AArch32, AArch64I Aber auch: Betriebssystem-Modi

I Welche Datentypen?I Byte, Word (32-Bit bei ARM), Float, Double, . . .

I Welche Instruktionen, Register?I Wie wird Maschinencode codiert?


15

Alexis Engelke 2019

Überblick AArch64Core

Speicher

x0x1x2x3x4. . .x28x29x30

Register (64 Bit)

xzr

sp

pc

nzcv

Steuerungs-/Berechnungslogik

Code Data Stack

Low Addr → High Addrpc

sp

I RegisterI 31 General-PurposeI Zero Register xzrI Program Counter pc

I Flags Register nzcvI Stack Pointer sp

I SpeicherI Byte-weise adressierbarI Enthält Code und Daten


16

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler

I Rückgabewert in x0

func:mov x0, 123ret

long func() {return 123;

}


17

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler

I Rückgabewert in x0I Argumente in x0–x7

func:add x0, x0, 5ret

long func(long x0) {return x0 + 5;

}


18

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


func:add x0, x0, x1ret

long func(long x0, long x1) {return x0 + x1;

}


19

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


func:sub x0, xzr, x0ret

long func(long x0) {return -x0;

}


20

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


func:mul x1, x0, x0add x0, x1, x0ret

long func(long x0) {return x0 * x0 + x0;

}


21

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


func:add x1, x0, 1mul x0, x0, x1mov x1, 2sdiv x0, x0, x1ret

long func(long x0) {return x0 * (x0 + 1) / 2;

}


22

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


I Label enden mit :I Sprünge mit b.cond

I eq equalle less-or-equal

gt greater-than

func:cmp x0, 0b.eq .Lequalsub x0, x0, 1

.Lequal:ret

long func(long x0) {if (x0 != 0) x0 -= 1;return x0;

}


25

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


I Label enden mit :I Sprünge mit b.cond

I eq equalle less-or-equalgt greater-than

abs:cmp x0, 0b.ge .Lpositivesub x0, xzr, x0

.Lpositive:ret

long abs(long x0) {if (x0 < 0) x0 = -x0;return x0;

}


26

Alexis Engelke 2019

Arten von Instruktionen

I Arithmetisch-logische InstruktionenI add, sub, eor, mov, . . .

I Kontrollfluss-InstruktionenI b, b.cond, ret, . . .

I Speicherzugriffs-InstruktionenI ldr, str, (. . . )

I I/O-InstruktionenI Systeminstruktionen


28

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler


I Laden: ldrI Schreiben: str

func:ldr x0, [x0]ret

long func(long x0[]) {return x0[0];

}


29

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler



func:ldr x1, [x0]add x1, x1, 1str x1, [x0]ret

void func(long x0[]) {x0[0] += 1;

}


30

Alexis Engelke 2019

AArch64 Assembler



func:ldr x1, [x0]ldr x2, [x0, 8]add x1, x1, x2str x1, [x0]ret

void func(long x0[]) {x0[0] += x0[1];

}


31

Alexis Engelke 2019

Überblick AArch64Core

Speicher

x0x1x2x3x4. . .x28x29x30

Register (64 Bit)

xzr

sp

pc

nzcv

Steuerungs-/Berechnungslogik

Code Data Stack

Low Addr → High Addrpc sp

I RegisterI 31 General-PurposeI Zero Register xzrI Program Counter pcI Flags Register nzcvI Stack Pointer sp

I SpeicherI Byte-weise adressierbarI Enthält Code und Daten


32

Alexis Engelke 2019

Stack

I Erlaubt Funktionen, Daten temporär zu speichernI Lokale VariablenI Register, die von aufgerufener Funktion benutzt werden

I Wächst historisch von hoher Adresse zur niedrigenI Größe begrenzt, keine großen Datenmengen alloziieren

I Stack-Pointer-Register spI Zeigt immer auf unteres Ende vom StackI Muss immer 16-Byte ausgerichtet sein


33

Alexis Engelke 2019

Einordnung

Assembler

Maschinencode

Interpreter/VM(mit JIT-Compiler)

Compiler

Java

Compiler

C, C++, Swift,Rust, Go, . . .

Python, R,JavaScript, . . .

Byte Code


34

Alexis Engelke 2019

Übersicht: C-Compiler

gcc -o fileA.i -E fileA.c

fileA.c fileA.iPreprocessor

cpp

fileA.sC-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as execLinker

ld

fileB.S fileB.sPreprocessor

cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


34

Alexis Engelke 2019


gcc -o fileA.s -S fileA.c


cppfileA.s

C-Compiler

cc1

fileA.oAssembler

as execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


35

Alexis Engelke 2019

OptimierungsoptionenI -O0 – no optimizationI -O1 – “optimize”

I Better register allocation, dead code elimination, . . .I -O2 – “optimize even more”

I More aggressive CSE, remove redundant instructions, . . .I -O3 – “optimize yet more”

I Aggressive inlining, vectorization, . . .I -Os – “optimize for size”I -Og – “optimize debugging experience”I -Ofast – “disregard strict standards compliance.”

I Floating-point optimizationsI -march=native (in addition) – architecture tuning


36

Alexis Engelke 2019


gcc -o fileA.o -c fileA.c


cppfileA.s

C-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as

execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


36

Alexis Engelke 2019


gcc -o exec fileA.c


cppfileA.s

C-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


36

Alexis Engelke 2019


gcc -o exec fileA.c fileB.S


cppfileA.s

C-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


37

Alexis Engelke 2019

Reverse Engineering

I Rekonstruktion von Programm aus BinaryI Motivation

I Finden/Beheben von SchwachstellenI Malware-AnalyseI Spionage (z.B. von Konkurrenten) – (i.d.R.) illegalI Cracks – (i.d.R.) illegal

I Rev.Eng. von fremder Software rechtlich schwierigI Vorher um Erlaubnis fragen / Anwalt konsolutieren


38

Alexis Engelke 2019

Reverse Engineering

objdump -xd exec


cppfileA.s

C-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


39

Alexis Engelke 2019

Disassembly

I Kommando: objdump

I Menschenlesbare Form von MaschinencodeI Gegenstück zu as

I Aber: Nicht 1-zu-1 wieder kompilierbar

I Einfaches Problem: Decodierung wie im Manual


40

Alexis Engelke 2019

Disassembly

0000000000000000 :0: 2a0003e2 mov w2, w04: 7100041f cmp w0, #0x18: 5400012d b.le 2c c: 52800021 mov w1, #0x1

10: 2a0103e0 mov w0, w114: d503201f nop18: 1b017c00 mul w0, w0, w11c: 11000421 add w1, w1, #0x120: 6b01005f cmp w2, w124: 54ffffa1 b.ne 18 28: d65f03c0 ret2c: 52800020 mov w0, #0x130: d65f03c0 ret


41

Alexis Engelke 2019

Reverse Engineering


cppfileA.s

C-Compiler

cc1fileA.o

Assembler

as execLinker

ld


cppfileB.o

Assembler

as

objdump -d

Disassembler

???Decompiler


42

Alexis Engelke 2019

Dekompilieren

I Sehr schwieriges Problem!I Behandlung von speziellen InstruktionssequenzenI KontrollflussrekonstruktionI Erkennung von Datentypen und StrukturenI Variablen als solche erkennenI . . .


43

Alexis Engelke 2019

Zusammenfassung

I Einführung in AArch64 ArchitekturI Häufig verwendete RegisterI Grundlegende arithmetische InstruktionenI Speicherzugriff

I Speicherlayout: Stack für verschachtelte FunktionsaufrufeI Toolchain: Compiler, Assembler, Linker, Disassembler


Häufige Fehler: Ausarbeitung

1. Beschreibung der Implementierung zu detailliert2. Keine Beispiele, Korrektheit nicht gezeigt3. Keine Darstellung von Ergebnissen

I Formfehler: Starke PunktabzügeI Mehrere Ausarbeitungen, keine TEX-Datei, etc.

Häufige Fehler: Implementierung

1. Segmentation FaultI Z.B. Buffer Overflow, malloc nicht geprüft

2. Calling Convention nicht eingehalten3. Keine Korrektheitstests

I Abgabe kompiliert nicht auf Referenzplattform: Endnote5.0

I Compiler-generierter Code: Plagiat!

Häufige Fehler: Vortrag

1. Keine angemessene Wahl der InhalteI Z.B. viele Code-Listings, Programmaufruf

2. Kein Blickkontakt zum Publikum, Ablesen3. Schwer lesbare Folien, keine Foliennummern

I Formfehler: Starke PunktabzügeI Folien nicht abgegeben, nicht als PDF, etc.

Vielen Dank!

MotivationOrganisationGrundlagen AArch64Toolchain

Documents

Praktikum ASP (IN0035) - Einführungsvorlesung · 2019. 10. 16. · PraktikumASP(IN0035) Einführungsvorlesung AlexisEngelke Lehrstuhl für Rechnerarchitektur und Parallele Systeme