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版本 120712983bf3a0ac4c3a5b55344033bd22683494

Lab38: ARM Environment (2015q1 Week #2)

預期目標

  • 驗證 Introduction to ARM Architecture<https://docs.google.com/presentation/d/1cFBRICktpVQAOLzE5eDKD-OM4ckJuncFsn39Wg8aLZI/edit#slide=id.p14>_ 簡報內容
  • 學習 GNU Toolchain
  • 使用 QEMU 作為指令集模擬器

預先準備動作

  • 在自己的電腦中，安裝 Lubuntu<http://lubuntu.net/>_ 14.10 作業系統 (版本太舊的話，後續操作可能會失敗)
    • 虛擬機器環境 (不建議): 透過 VirtualBox 安裝 LubVirtualBox 安裝 Lubuntu<https://hackpad.com/VirtualBox-with-LUbuntu14.04-yza4C1MPF5s>_
  • 安裝相關開發工具

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sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential git-core
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf g++-arm-linux-gnueabihf
sudo apt-get install qemu-user qemu-system-arm
  • 使用 bash 作為 shell，避免不相容的狀況

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sudo apt-get install bash
  • 關於 GNU/Linux 指令，請參閱 鳥哥的 Linux 私房菜<http://linux.vbird.org/>_
    • 本系列課程全程使用 GNU/Linux，全世界有十幾億台裝置內建 Linux 系統，學習 Linux 是相當划算的投資！

範例程式碼操作

  • 取得 Introduction to ARM Architecture<https://docs.google.com/presentation/d/1cFBRICktpVQAOLzE5eDKD-OM4ckJuncFsn39Wg8aLZI/edit#slide=id.p14>_ 簡報對應的程式碼

.. code-block:: prettyprint

    git clone https://github.com/embedded2015/arm-lecture.git
  • 確認 arm-lecture<https://github.com/embedded2015/arm-lecture.git>_ 目錄已正確由 git 建立，接著切換工作目錄，並且編譯 ARM 版本的 “Hello World” 程式

.. code-block:: prettyprint

cd arm-lecture
cd hello && make qemu
  • 預期將看到以下輸出

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arm-linux-gnueabihf-as -c  -o hello.o hello.s
arm-linux-gnueabihf-ld  -o hello hello.o 
qemu-arm ./hello
Hello, world!
  • 若沒有特別指明，後續操作都在 arm-lecture<https://github.com/embedded2015/arm-lecture.git>_ 目錄之下，以下指令可以從 hello 目錄返回

.. code-block:: prettyprint

cd ..

對照測試簡報中的範例程式碼

  • 參閱 Introduction to ARM Architecture<https://docs.google.com/presentation/d/1cFBRICktpVQAOLzE5eDKD-OM4ckJuncFsn39Wg8aLZI/edit#slide=id.p14>_ 簡報內容
  • Example 1 (Page 31)

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cd example1
make default qemu

  • 預期輸出: 0

  • 修改 example1.c，將其中的 return 0 改為 return c，之後再 make qemu，即可知道 add(a,b) 的輸出結果

  • 將 example1.c 中的 add(a,b) 改為 div(a,b)，並對照簡報 Page 40-41，在 Makefile 的 CFLAGS 加上-mcpu=cortex-a15， 可發現生成的 ARM 機械碼使用了 sdiv 指令

  • Example 2 (Page 34)

.. code-block:: prettyprint

cd example2
make default qemu
  • 預期輸出:

.. code-block:: prettyprint

a * b is 140
a * b + c is 143
c - a * b is -137
  • Example 3 (Page 45)

.. code-block:: prettyprint

cd example3
make default qemu
  • 預期輸出

.. code-block:: prettyprint a/2 / b/2 is 0

  • Example 4 (Page 50)

.. code-block:: prettyprint

cd example4
make default qemu
  • 預期輸出

.. code-block:: prettyprint

a * b is 664237569
  • Example 5 (Page 55)

.. code-block:: prettyprint

cd example5
make default qemu
  • 預期輸出

.. code-block:: prettyprint

a & b is 17
Before operation, apsr was 20030010
After operation, apsr was 60030010
  • Example 6 (Page 62)

.. code-block:: prettyprint

cd example6
make default qemu
  • 預期輸出

.. code-block:: prettyprint

The address of a is 0xf6fff0ac
The value of b is now 10

作業要求

  • 參閱 Introduction to ARM Architecture<https://docs.google.com/presentation/d/1cFBRICktpVQAOLzE5eDKD-OM4ckJuncFsn39Wg8aLZI/edit#slide=id.p14>_ 簡報內容
    • Lab-1: 實做 Fibonacci 數列<http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%96%90%E6%B3%A2%E9%82%A3%E5%A5%91%E6%95%B0%E5%88%97>_，使用 ARM 組合語言
    • 必須實做遞迴和非遞迴的版本，分別對應 lab-1 和 lab-1i 目錄，請直接修改這兩個目錄中的程式碼，不需要建立新目錄
  • 試著用最短的 ARM 組合語言程式碼來開發
    • 提示：使用 Thumb2 conditional code
  • 嘗試評估 Fibonacci 數列<http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%96%90%E6%B3%A2%E9%82%A3%E5%A5%91%E6%95%B0%E5%88%97>_ 的執行效率，並比較遞迴和非遞迴實做的表現
  • 繳交方式：

    • 在 GitHub 上 Fork arm-lecture<https://github.com/embedded2015/arm-lecture>_，並提交修改

      • 對應於 lab-1, lab-1i 這兩個目錄

    • 編輯 Hackpad 下方「作業區<https://embedded2015.hackpad.com/Week-2-Mar-3-ARM-Environment-PxsRjeEkz5l>_」，增添開發紀錄和 GitHub 連結

    • 更新上述 Hackpad，將作業加入，並標注自己的 ID

      • 寄件到
      • 標題: “[NCKU/embedded]” 開頭，後面加學號與姓名
      • 內容：(回答以下問題)
        • GitHub 帳號, wiki 帳號 (註冊本站)
        • 關於 fork 出來的 repository 修改描述
        • 附上一份自我介紹和對課程的期許
  • 截止日期：
    • Mar 14, 2015 (含) 之前
    • 越早在 GitHub 上有動態、越早接受 code review，評分越高

挑戰題

  • 修改 Makefile 和撰寫必要的 script，讓 make qemu 可以一併自動檢驗 Fibonacci 計算的正確性

    • 使用情境如同 Running unittests via QEMU<http://www.chromium.org/chromium-os/testing/qemu-unittests>_

  • 計算每道 ARM/Thumb 指令的 cycle count，並且提出改善實做效能的方法

  • 以 gnuplot<http://www.gnuplot.info/>_ 繪製效能分析圖表，藉此得知 Fibonacci 數列對於效能的影響

    • 參考資訊: Gnuplot 純畫圖<http://user.frdm.info/ckhung/b/ma/gnuplot.php>_

  • 練習 ARM GCC Inline Assembly<http://www.ethernut.de/en/documents/arm-inline-asm.html>_

參考資料

  • Git / GitHub 教學<http://dylandy.github.io/Easy-Git-Tutorial/>_
  • Thumb2 conditional code 以及程式開發心得<http://www.slideshare.net/hirokiht/arm-developement>_, 竹內宏輝