Организация ЭВМ и систем

Лабораторная работа ?2

Изучение ассемблерного листинга программы

(архитектура x86/x86-64)

Цель:

1) Познакомиться с программной архитектурой x86/x86-64,

2) научиться читать ассемблерный листинг программы для x86/x86-64 и проводить его простейший анализ.

Язык ассемблера привязан к архитектуре процессора. Команды ассемблера напрямую отображаются в команды процессора. Поэтому, рассматривая ассемблерный код программы, можно с большой долей уверенности судить о том, как программа будет реально исполняться.

Некоторые операции, такие как некоторые ветвления и обращения к памяти, выполняются намного дольше других команд. Оптимизирующий компилятор старается сформировать максимально эффективный код, т.е. который исполняется наиболее быстро. Вот некоторые действия, которые компилятор выполняет с целью улучшения кода:

· Избежание частых обращений в медленную оперативную память. Компилятор старается расположить как можно больше данных в регистрах.

· Переупорядочение инструкций процессора

• с целью устранения задержек при обращении к памяти,
• чтобы максимально загрузить исполнительные устройства процессора,
• при оптимизации ветвлений.

· Устранение зависимостей по данным, чтобы иметь больше свободы при переупорядочивании инструкций.

· Исключение недосягаемого кода.

· Устранение лишних и избыточных вычислений и вызовов функций.

· Удаление неиспользуемых переменных.

· Вычисление выражений на этапе компиляции, выполнение алгебраических преобразований с целью упростить выражение.

· Устранение ветвлений путем дублирования кода, использования условного присваивания.

· Оптимизация ветвлений:

• удаление лишних и заведомо ложных условий,
• оптимизация константных условий,
• замена переходов арифметическими операциями.

· Замена долгих операций на более быстрые (например: деление -> умножение -> сложение -> побитовый сдвиг).

· Оптимизация циклов:

• Раскрутка цикла - многократное дублирование тела цикла с уменьшением числа итераций для увеличения расстояния между ветвлениями,
• Вынос инвариантного кода за пределы цикла,
• Удаление ветвлений из циклов,
• Замена циклов с предусловием на циклы с постусловием,
• Замена циклов с возрастающим счетчиком на циклы с убывающим счетчиком.

· Переупорядочивание функций.

· Встраивание функций с целью устранения ветвлений при вызове функции, для возможности переупорядочить инструкции на границе тела функции и вызывающего кода.

· Оптимизация для конкретной архитектуры, использование специальных расширений (MMX, 3DNow!, SSE, SSE2, ...).

Задание

Задание следует выполнять на сервере solarka с помощью компилятора Sun Studio C Compiler 5.8 (команда cc). Тестовую программу (из первой лабораторной работы) скомпилировать и запустить с различными ключами оптимизации:

Уровни оптимизации	Архитектура x86	Архитектура x86-64
Без оптимизации		-xarch=amd64a
Уровень 1	-xO1	-xO1 -xarch=amd64a
Уровень 2	-xO2	-xO2 -xarch=amd64a
Уровень 3	-xO3	-xO3 -xarch=amd64a
Уровень 4	-xO4	-xO4 -xarch=amd64a
Уровень 5	-xO5	-xO5 -xarch=amd64a
Максимизировать скорость исполнения	-fast	-fast -xarch=amd64a

Для каждой архитектуры выбрать вариант оптимизации, работающий наиболее быстро. Сгенерировать ассемблерные листинги для следующих вариантов оптимизации:

- Архитектура x86 без оптимизации,

- Архитектура x86 с минимальным временем работы,

- Архитектура x86-64 без оптимизации,

- Архитектура x86-64 с минимальным временем работы.

В каждом ассемблерном листинге:

1. Распознать вычислительную функцию, сопоставить команды языка Си с командами ассемблера.

2. Локализовать обращения в память, которые происходят при выполнении вычислительной функции. Определить позиции в исходной программе на Си, в которых происходят обращения в память. Посчитать общее число обращений в память при выполнении вычислительной функции (функция от N - параметра задачи).

3. Определить, какие переменные и параметры вычислительной функции отображены на регистры, и какие размещены в памяти. Какие регистры используются для реализации вычислений (регистры общего назначения, регистры x87, MMX, XMM).

4. Описать видимые изменения в ассемблерном коде программы при переходе от неоптимизированного листинга к оптимизированному. Описать какие оптимизационные преобразования выполнил компилятор. Например:

- были убраны ненужные инструкции,

- переменные стали располагаться на регистрах,

- стали использоваться другие инструкции,

- инструкции стали располагаться в другом порядке,

- цикл развернулся сколько-то раз,

- функция не вызывается с помощью call, а подставляется ее код,

- и т.п.

Где возможно, приводить конкретные примеры ассемблерных команд из листинга.