Esame di Calcolatori Elettronici

(per gli studenti di Ing. Informatica della Scuola di Ing. di Pisa)

Questo sito è stato realizzato per permettere l'autocorrezione degli elaborati consegnati dagli studenti durante la prova pratica al calcolatore. La prova pratica, che fa parte delle prove di esame, consiste nella traduzione di alcune funzioni da C++ ad assembler per architetture Intel x86 e nella scrittura di estensioni per un nucleo multiprogrammato didattico.
Agli studenti è richiesto di correggere autonomamente il proprio elaborato e di comunicare successivamente le correzioni all'esaminatore, prima di sostenere la prova orale. In questo modo, l'esaminatore può valutare, in un tempo ragionevole, gli errori commessi dallo studente durante la prova pratica.

Prima di procedere, si consiglia di leggere le istruzioni sull'utilizzo del sito.

Premere qui per accedere alla propria home page. Verranno richiesti il numero di matricola e la password scelta il giorno della prova pratica.

Avvisi

Col tempo, è mia intenzione far diventare questo sito un punto di raccolta per informazioni di varia natura sull'esame stesso. Sono graditi contributi da parte degli studenti.

Materiale per l'esame

Orario di ricevimento: ogni lunedì dalle 14.30 alle 17.30. Per il ricevimento da remoto, scrivere un messaggio sulla chat di MS Teams e attendere di essere invitati sul canale.

Dispense

Richiami sull'architettura di un calcolatore.
Corrispondenza C++/Assembly (lucidi del Prof. Frosini)
- Record di attivazione.
- Identificatori e classi.
Indirizzi e oggetti.
Memoria RAM.
Memoria Cache.
Periferiche (tastiera, video, timer, hard disk).
Interruzioni (esempi).
Eccezioni (sorgenti).
Protezione.
Introduzione al sistema multiprogrammato.
Realizzazione dei processi.
Realizzazione delle primitive.
Semafori.
Sospensione dei processi.
Paginazione:
- introduzione (esempio);
- tabelle multilivello;
- complementi (memoria fisica in memoria virtuale, pagine di grandi dimensioni, TLB);
- funzioni di libreria (esempi);
- implementazione.
I/O nel sistema multiprogrammato:
- Bus PCI.
- primitiva di sistema e driver (esempio).
- modulo I/O (esempio).
- DMA e PCI Bus Mastering (esempio).

Non più usate:

Introduzione a Linux (video dell'A/A 21/22).
(aggiornato 8/3/2023) Introduzione all'architettura Intel/AMD a 64 bit (con esempio di programma assembler).
Esempio introduttivo (Manchester Baby).
Lucidi del Prof. G. Frosini su Assembler e corrispondenza con il C++.
paginazione su domanda (esempio);
implementazione(vecchia email in cui si spiega il formato di swap.img).
Oggetti C++ e copie.
Accesso a basso livello.
Strumenti di sviluppo.

Esercizi

Esercizi tratti dalle slide del Prof. G. Frosini
Esercizio di traduzione. (La soluzione è in es1.s, si ringrazia lo studente Lorenzo Giorgi per aver trovato un errore).
Esercizio con errore di Segmentation Fault (qui alcune istruzioni per ottenere i file core).
Testi d'esame.

Software

Macchina virtuale contentente una distribuzione Debian e tutto il software necessario per il corso (login: studenti, password: studenti, password di root: admin):
- VMware, per Windows/Linux/Mac non Silicon (v2.1)
- VMware per Mac Silicon (v2.1)

istruzioni

Per chi vuole installare il software autonomamente sulla propria distribuzione Linux:

libce: libreria di supporto per gli Esempi I/O e il nucleo (v3.0.5). Istruzioni per l'installazione. Documentazione.
QEMU (versione modificata per il corso) e le istruzioni per l'installazione (v8.2.1-1).
Esempi I/O: programmi di esempio sull'utilizzo delle interfacce (tastiera, video, timer, etc.) e le relative istruzioni (v7.4.2).
Nucleo a 64 bit e alcune istruzioni (v7.1.2).
- La prima versione del nucleo a 64 bit (con l'esclusione delle gestione della memoria virtuale) e del boot loader sono state realizzate dallo studente Yuri Iozzelli a partire dalle vecchie versioni a 32 bit.
- Lo studente Vincenzo Consales ha portato sul nucleo il file system Minix, implementando anche la primitiva fork() di Unix (sorgenti originali).
- Lo studente Antonio Le Caldare ha esteso il nucleo implementando una completa interfaccia grafica a finestre, sovrapponibili e ridimensionabili. (sorgenti).
- Lo studente Filippo Storniolo ha sostiuito lo schedulatore del nucleo implementando un sistema time-sharing con priorità dinamica, inclusa la primitiva nice e il meccanismo di ageing (sorgenti).
- Lo studente Giovanbattista Rolandi ha portato il nucleo sui sistemi multiprocessore, scrivendo il codice per il boostrap dei processori aggiuntivi, proteggendo il codice del nucleo con un lock globale e garantendo la consistenza dei TLB (sorgenti).
- Lo studente Riccardo Palma ha scritto il driver e le primitive per utilizzare le schede audio CS4231A, con DMA e playback continuo (sorgenti).

Approfondimenti

Slide dal seminario sulle vulnerabilità della speculazione hardware, tenuto da Dario Faggioli (SUSE).
Application Binary Interface per l'architettura Intel/AMD a 64 bit su System V.
C++ reference, un sito molto utile sullo standard del C++ e del C.
Itanium C++ ABI, per chi è curioso sull' implementazione degli aspetti più avanzati del C++ come ereditarietà, polimorfismo, eccezioni.
ELF specification per sistemi a 32 bit e integrazione a 64 bit.
Programming Interface for Bus Master IDE Controller.
Una interessante intervista a Ken Thompson. L'intervistatore è la K di K&R e AWK.
Documentazione Intel con diversi dettagli sull'archiettura interna dei loro processori.
maggiori dettagli sulla microarchitettura dei processori Intel e AMD, ottenuti tramite reverse engineering.

Contributi degli studenti

Gli studenti Niccolò Pratesi, Matteo Giugni e Francesco De Lucchini hanno segnalato e corretto varie piccole imprecisioni nelle dispense e sul sito.
Lo studente Gabriele Frassi ha condiviso i suoi appunti personali su alcuni argomenti del corso: Assembly, nucleo.
Lo studente Luigi Gjoni ha preparato e condiviso questi schemi concettuali che riassumono tutti gli argomenti del corso.

Vecchio programma (pre A/A 2015/2016)

Tutto il materiale sottostante è relativo al vecchio programma basato sull'architettura a 32 bit.

Lucidi sulle istruzioni per la manipolazione delle stringhe.
Dall'A/A 2011/2012 le lezioni e la prova pratica sono basate su sistemi Unix-like (FreeBSD, GNU/Linux). In particolare la prova pratica si svolgerà su una distribuzione di GNU/Linux. Per gli esercizi di assembler va benissimo la versione di gcc che viene normalmente fornita con questi sistemi.
Il file ser.s (corretto) contenente i programmi di utitilità tastiera, video e uscita.
I sorgenti del nucleo (v4.11).

Approfondimenti (pre A/A 2015/2016)

Application Binary Interface per l'architettura x86 (le regole per l'allineamento cominciano a pag. 28 del pdf).
Slide ed esempi del seminario sul bootstrap del PC, tenuto dal Dott. Fabio Checconi nell'A.A. 2003/04. Per ulteriori domande e chiarimenti, potete contattare fchecchoni_AT_libero.it. (sostituite _AT_ con @)[8].
Versione estesa del nucleo (versione SVN 698). Questo nucleo estende la versione semplificata presentata nel libro, aggiungendo argomenti più avanzati e nuove funzialità (per esempio, i terminali virtuali). Questa versione verrà aggiornata aggiungendo nuovi eventuali driver e funzionalità scritte dagli studenti (in genere come tesina triennale). Hanno contribuito a questa versione del nucleo:
- Lo studente Antonio Spada, che ha modificato il nucleo in modo da utilizzare il controllore delle interruzioni avanzato (I/O APIC), che sostituisce o si affianca al vecchio PIC nei PC moderni. (sorgenti originali).
- Lo studente Angelo Castellano, che ha esteso il nucleo emulando la modalità testo nella modalità grafica, aggiungendo una barra che mostra visivamente quale è il terminale virtuale attivo. (sorgenti originali).
- Gli studenti Alessandro Furlanetto e Federico Bianucci, che hanno modificato il nucleo in modo che ogni terminale virtuale abbia la propria finestra (finestre non spostabili e non sovrapponibili). (sorgenti originali).
- Lo studente Filippo Lauria, che ha esteso il nucleo aggiungendo il driver per la scheda di rete Realtek RTL8139. (sorgenti originali).
- La studentessa Roberta Murgia, che ha esteso il nucleo aggiungendo il driver per il controllore USB UHCI, gestendo connessione, configurazione e disconnesione dei dispositivi. (sorgenti originali).
- Lo studente Michele Buccoli, che ha esteso il nucleo aggiungendo il driver della scheda audio Ensoniq ES1370, con play continuo. (sorgenti originali).
- Lo studente Giuseppe Pes, che ha esteso il nucleo aggiungendo le primitive POSIX essenziali per l'accesso in lettura a scrittura, creazione e cancellazione di file e directory per i file system FAT32. (sorgenti originali).
- Lo studente Daniele Di Proietto, che ha esteso il nucleo aggiungendo il driver per il mouse PS/2 e il supporto per il disegno del cursore, il cambio di finestra e lo scrolling. (sorgenti originali).

Contributi degli studenti (pre A/A 2015/2016)

Lo studente Marco Soricellli ha deciso di rendere disponibili a tutti i suoi appunti dalle lezioni. Si tratta del vecchio programma (pre A/A 2015/2016), ma sono ancora in gran parte validi.
Lo studente Mohamed Machkour ha preparato questa dispensa in LaTeX integrando i suoi appunti con alcune risposte della mailing list e ha deciso di renderla disponibile a tutti.
Lo studente Riccardo Diodati ha trascritto in LaTeX e ordinato per argomenti le domande e le risposte della mailing list, dall'anno 2005 fino a giugno/luglio del 2007. Potete scaricare il pdf risultante.
Gli studenti Luca Bonmassar e Riccardo Vestrini mi hanno mandato questo schema che raccoglie e collega fra loro i vari componenti del calcolatore presentati nel libro di testo (processore, RAM, bus, controllore DMA, controllore delle interruzioni, etc.). Lo schema è realizzato con Kontour (ora Karbon14) dalla suite KOffice. Potete prelevare da qui la versione in pdf;
Nucleo di "Calcolatori Elettronici. Volume IV" (G. Frosini, B. Lazzerini) (vecchia versione del materiale ora contenuto in "Architettura dei Calcolatori Volume III")
- Lo studente Fabio Checconi ha reso realmente funzionante il nucleo descritto in quel libro. Il nucleo realizzato comprende il driver per la tastiera e per il video, i processi esterni per la lettura/scrittura delle porte seriali, la multiprogrammazione, i semafori e il timer. Il nucleo contiene anche il codice per l'allocazione della memoria dinamica e i terminali virtuali (normalmente non spiegati a lezione). Inoltre, e' stato realizzato il parser che permette di tradurre i costrutti 'semaphore', 'process', etc.. negli appropriati costrutti C/C++. Potete scaricare i sorgenti, comprensivi di istruzioni.
- Lo studente Dario Faggioli ha esteso il nucleo aggiungendovi il driver esterno per l'accesso agli hard disk (accesso ad interruzione di programma) e per l'accesso al floppy disk (DMA). Potete scaricare i sorgenti, comprensivi di istruzioni.
- Lo studente Carlo Vallati ha esteso il nucleo aggiungendovi il driver per il controllore USB UHCI dell'Intel, funzioni per l'accesso e la configurazione tramite il bus PCI, e un driver di esempio per la stampa su stampanti USB. Potete scaricare i sorgenti, comprensivi di istruzioni.
- Lo studente Diego Giardinetto ha esteso il nucleo aggiugendovi il driver per le schede di rete Ethernet compatibili con NE2000. Qui trovate i sorgenti. (il file contiene due versioni del nucleo: una configurata per l'invio dei dati e l'altra per la ricezione).
- Lo studente Riccardo Menichini ha esteso il nucleo aggiungendovi il driver le schede audio compatbili con Sound Blaster 16. Qui trovate i sorgenti.
Boot loader utilizzato fino all'A/A 2011/12 per il caricamento del nucleo a partire dal DOS. Sorgenti. Hanno contribuito a questa versione:
- Lo studente Valerio di Gregorio, che ha scritto il programma per DOS che esegue il bootstrap del modulo sistema.
- Lo studente Simone Genovese, che ha modificato il programma di bootstrap e il nucleo per permettere il ritorno al DOS al termine dell'esecuzione.
- Lo studente Angelo Castellano, che ha esteso il boot loader in modo da abilitare la modalità grafica VGA 800x600.
- Gli studenti Alessandro Furlanetto e Federico Bianucci, che hanno esteso il boot loader in modo da abilitare (opzionalmente) la modalità grafica SVGA 1280x1024x256, con ritorno al DOS in modalità testo in uscita.
Nuovo nucleo di Calcolatori Elettronici (vedi sezione Approfondimenti):
- Lo studente Roberto Brüggemann ha esteso il nucleo aggiungendo una gestione dei thread e della mutua esclusione ispirata al modello di Java. Sono disponibili i sorgenti.
- Gli studenti Tommaso Latini e Luca Carotenuto hanno esteso il nucleo completando l'infrastruttura USB con la gestione dei diversi tipi di trasferimento e l'allocazione della banda tra i dispositivi connessi. Sono disponibili i sorgenti.
- Lo studente Antonio La Marra ha esteso il nucleo aggiungendo il driver USB per i dispositivi a blocchi. Sono disponibili i sorgenti.

Per problemi o suggerimenti, inviate un email a g.lettieri@iet.unipi.it inserendo la stringa '[CALCOLATORI]' dentro l'oggetto.