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

К сожалению, два варианта этого базового курса, на наш взгляд, упираются в две крайности: один воспроизводит курс прошлого тысячелетия по 16-битной архитектуре (MASM6 + 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 Ассемблером и Си в стиле «Си — это такой суперудобный макроассемблер», перейдя либо на настоящее железо, либо на полный эмулятор Qemu.

TODO

Инструменты

MM

MARS

Moodle

EJudge

• MARS! и даже ММ, но нет

Выводы и задачи

Хотелось бы поменять ММ на MIPS-подобное что-то

До Си не дошли, зато я почти написал учебник)

См. также

• ../RemoteClasses2016

• Model machine emulator

• MIPS Assembler and Runtime Simulator

• Ejudge

• Рудаченко М. Е. Свободный эмулятор MARS в курсе «Архитектура ЭВМ и язык ассемблера». // Материалы XXII конференции «Свободные программы в высшей школе».