2024年度 システムプログラミング

概略

本講義ではC言語によるプログラミング修得者を対象に， プログラミングに関する理解をより深めるために不可欠なアセンブラと C言語の境界部分についての講義を行う．ポインタや構造体とアセンブラ言語との関係， C言語におけるヒープ，スタックとコンピュータアーキテクチャとの関係， main関数以前の動作などについて，実例を通して理解を深める．

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• システムプログラミング1 https://moodle.el.okayama-u.ac.jp/course/view.php?id=216104
• システムプログラミング2 https://moodle.el.okayama-u.ac.jp/course/view.php?id=216103

本演習ではC言語によるプログラミング修得者を対象として， プログラミングに関する理解をより深めるために アセンブリ言語とC言語の境界部分についての演習を行う．

1. MIPSアーキテクチャとアセンブリ言語，アセンブラ特有の記法
2. メモリの扱い(スタック，データセグメントとテキストセグメント)
3. 入出力の扱い，文字と文字列(直接制御とシステムコール)
4. レジスタ，スタックを用いた手続き呼出しの仕組み
5. Cコンパイラとアセンブラの連携
   • 関数内のレジスタ使用規則
   • 手続き呼出し規約(可変引数)
   • スタックフレーム，auto変数と static 変数の違い
   • 配列，ポインタのアセンブリ言語での表現

具体的には，SPIMというMIPS CPUシミュレータのハードウェア上にC言語とアセンブリ言語を使用して文字の表示と入力のためのシステムコールライブラリを作成する． さらに，そのライブラリを使用して printf 及び gets 相当を C言語で作成する． 最後に，それらを利用した応用プログラムを動作させる．

また，以下の関連項目は，本演習では扱っていない．

1. 浮動小数点とその演算
2. 構造体とメモリの関係
3. トラップ命令，syscall以外の例外命令
4. 割り込み

教科書は，「コンピュータの構成と設計 MIPS Edition 第6版 (上)(下)」を使用

2章(上巻)及び付録A(下巻)を主に参照する．特に下記の節は，本講義に関連が深い．必ず一読しておくこと．

• 第2章 命令：コンピュータの言葉 (上巻)
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 コンピュータ・ハードウエアの演算
  • 2.3 コンピュータ・ハードウエアのオペランド
  • 2.6 論理演算
  • 2.7 条件判定用の命令
  • 2.8 コンピュータ・ハードウエア内での手続きのサポート
  • 2.9 人との情報交換
  • 2.14 配列とポインタの対比
• 付録A アセンブラ,リンカ,SPIM シミュレータ (下巻)
  • A.1 はじめに
  • A.2 アセンブラ
  • A.5 主記憶領域の使用法
  • A.6 手続き呼出し規約
  • A.8 入力と出力
  • A.9 SPIM
  • A.10 MIPS R2000のアセンブリ言語

教科書旧版(5版)での対応も以下の通り．(参考: 教科書の正誤表)

• 第2章 命令：コンピュータの言葉 (上巻)
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 コンピュータ・ハードウエアの演算
  • 2.3 コンピュータ・ハードウエアのオペランド
  • 2.6 論理演算
  • 2.7 条件判定用の命令
  • 2.8 コンピュータ・ハードウエア内での手続きのサポート
  • 2.9 人との情報交換
  • 2.14 配列とポインタの対比
• 付録A アセンブラ,リンカ,SPIM シミュレータ (下巻)
  • A.1 はじめに
  • A.2 アセンブラ
  • A.5 主記憶領域の使用法
  • A.6 手続き呼出し規約
  • A.8 入力と出力
  • A.9 SPIM
  • A.10 MIPS R2000のアセンブリ言語

1. 工学基礎実験実習の教科書
2. 教育用計算機のページ
3. コンピュータの構成と設計(教科書) 付録 の英文原文
4. SPIM本家サイト (Linux版に加えて Mac,Windows版 SPIMを入手可能)
   • https://sourceforge.net/projects/spimsimulator/files/ から Windows/Linux/Mac 用の SPIM をダウンロードしてインストールできます．
     • 例えば，Windows の場合， QtSpim_9.1.24_Windows.msi をダウンロードして，ダブルクリックでインストールできます．
     • QtSpim を動かす場合は， -mapped_io に相当するオプション設定が GUI の Settings 項目に Enable Mapped IO としてあります．
     • Enable Mapped IO は，Practice2 までは on にして，Practice3 以降では off にして下さい (on にしてくと入出力がうまくできません)．
5. システムプログラミング2 のみで使う spim-gcc というソフトウェアについて
   • システムプログラミング2 では，spim-gcc (MIPS 用の GCC) を使いますが，これは，Linux でしか動作しません．
   • Windows 10/11 で自習したい人は， 以下を参考にして，WSL2 を有効化し，Ubuntu 22.04LTS をインストールしておくといでしょう．

     • https://learn.microsoft.com/ja-jp/windows/wsl/install

       wsl --install
       

   • spim-gcc のインストールについては，別途教員に相談してください．
6. SPIM のドキュメント(英文)
7. 演習で使用する主なMIPS命令の簡易一覧表

8. 演習室で使用する SPIM のコマンドは，

   qtspim -mapped_io&
   

   と入力して起動すること．

9. FAQ
10. 寄せられた質問への回答(一部)

1. レポート(システムプログラミング1,2 各1回)と，試問(同 各1回) の成績，毎回の提出物，及び定期試験で総合的に判断する．
2. レポートの締め切り，提出方法は，各回の出題時に指示する．
3. レポート作成に関する一般的な注意については， LaTeXによるレポート作成の基本 — 教育用計算機システム リファレンスマニュアル を参照のこと．
4. レポート提出後の講義中に口頭試問を行う．

新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の影響で予定が変更になる場合もあります．

例えば，口頭試問を簡略化し期末に定期試験を行う可能性もあります．

• 時間帯は，いずれも 13:25-16:20

メールアドレス: p3-2024@swlab.cs.okayama-u.ac.jp