Примеры
В этой Лекции рассматриваются более продвинутые темы программирования под RISC-V на примере использования структур данных (реализуется связный список) и работы с числами с плавающей запятой. Цель этой лекции - показать, как реализуются базовые алгоритмы, применяемые в вычислительной технике.
После прочтения этой лекции вы должны быть способны:
- реализовывать структуры данных и использовать функции malloc и free стандартной библиотеки языка C;
- писать программы, работающие с числами с плавающей запятой.
Примеры
Связный список
Связанный список - простейшая структура данных. Связный список состоит из элементов, содержащих данные, и указателей на другие аналогичные элементы. Указатель - специальная переменная, которая хранит адрес в памяти, в данном случае - адрес элемента списка. Элементы списка упорядочены в том смысле, что у каждого элемента есть потомок, связанный с текущим элементом по указателю. Есть первый элемент, называемый головой списка - указатель на самый первый элемент списка. Есть последний элемент, называемый хвостом списка - задаётся элементом без потомка, указатель на потомка у такого элемента равен нулю (нулевой указатель).
Рассмотрим список, состоящий из двух элементов, имеющих значения 0x32 и 0x12. Первый элемент расположен в памяти по адресу 0x32c0, а второй - по адресу 0x32a0. Каждый элемент содержит значение и указатель на следующий элемент (он может быть нулевым). Голова списка указывает на самый первый элемент: head = 0x32c0:
Адрес Значение Указатель 0x32c0: 0x32 0x32a0 0x32a0: 0x12 0x0000
Самый простой способ вставить элемент в список - затолкнуть его в голову, при этом для каждого нового элемента требуется выделить место в памяти, что обычно делается динамически через менеджер памяти и область динамической памяти, называемой "куча". В процессе удаления элемента из списка (выталкивание) должна освободиться память. Для решения задач выделения и освобождения памяти используются C-функции malloc и free.
Элемент списка на языке Assembler может быть задан с помощью полей, которые предоставляют доступ к значению элемента списка и указателю на следующий элемент. Это делается в примере:
# linkedlist_struct.s # offset to value .equ node_val, 0 # offset to pointer(address) of next element .equ node_next, 8 # size of one element .equ node_size, 16 # calls: # linkedlist_push # input> a0: head, a1: value # output< a0: head or -1 if error # linkedlist_pop # input> a0: head # output< a0: head, a1: value # linkedlist_print # input> a0: head
В этом примере для работы со связным список реализованы три функции: для добавления элемента в список (операция заталкивания, push), для удаления элемента из списка (операция выталкивания, pop), и для печати значений всех элементов списка от головы до хвоста. Функция push создаёт новый элемент, при этом бывшая голова списка становится потомком для только что созданного элемента, а голова (указатель на начало списка) теперь указывает на созданный элемент. Функция pop инвертирует это действие, голова списка начинает указывать на потомок текущего элемента, а сам элемент, ранее бывший головой списка, удаляется. Функция print печатает все элементы.
# linkedlist.s .include "src/linkedlist_struct.s" .section .text .globl linkedlist_push linkedlist_push: addi sp, sp, -24 sd ra, 16(sp) sd a0, 8(sp) sd a1, 0(sp) # alloc memory li a0, node_size call malloc beqz a0, .L0err # value ld t1, 0(sp) sd t1, node_val(a0) # insert as new head head ld t0, 8(sp) sd t0, node_next(a0) # || val | next ->|| -> || ... | ... || j .L0exit .L0err: li a0, -1 .L0exit: ld ra, 16(sp) addi sp, sp, 24 ret .globl linkedlist_pop linkedlist_pop: addi sp, sp, -16 sd ra, 8(sp) sd s0, 0(sp) # if head is zero beqz a0, .L1err # return value ld a1, node_val(a0) # pointer to next element will be new head ld s0, node_next(a0) # free memory call free # return new head mv a0, s0 j .L1exit .L1err: li a0, -1 .L1exit: ld s0, 0(sp) ld ra, 8(sp) addi sp, sp, 16 ret .globl linkedlist_print linkedlist_print: addi sp, sp, -24 sd ra, 16(sp) sd a0, 8(sp) sd a0, 0(sp) .L2loop: beqz a0, .L2exit sd a0, 0(sp) ld a1, node_val(a0) la a0, .L2prompt call printf ld a0, 0(sp) ld a0, node_next(a0) j .L2loop .L2exit: ld a0, 8(sp) ld ra, 16(sp) addi sp, sp, 24 ret .section .rodata .L2prompt: .asciz "%u \n"
Использование связного списка показано в основном коде. Элементы добавляются, удаляются, печатаются.
# main.s
.include "src/linkedlist_struct.s"
.section .text
.globl main
main:
addi sp, sp, -8
sd ra, 0(sp)
# new head of list
li s0, 0
mv a0, s0
li a1, 0x12
call linkedlist_push
li a1, 0x23
call linkedlist_push
li a1, 0x45
call linkedlist_push
call linkedlist_pop
li a1, 0x56
call linkedlist_push
call linkedlist_print
call linkedlist_pop
call linkedlist_pop
call linkedlist_pop
ld ra, 0(sp)
addi sp, sp, 8
ret
Подсчёт среднего значения
Следующий пример показывает использование регистров для работы с числами с плавающей запятой. Она начинается с чтения дробных чисел с помощью функции scanf (строки 09-19) в память (по метке buffer). Числа с плавающей запятой занимают 4 байта. Программа в ходе своей работы подсчитывает сумму всех значений, для этой цели используются специальные регистры для работы с числами с плавающей запятой ft0, ft1 и ft3. Целочисленные значения могут быть сконвертированы в числа с плавающей запятой инструкцией fcvt.s.w (конвертирует знаковое целое длинной в слово в дробное значение), это происходит на строках 24 и 25. Второй цикл (строки 26-36) вычисляет сумму путём загрузки чисел с плавающей запятой из памяти (строка 34) и суммируя числа с сохранением результата в регистре ft1 (строка 35). Среднее значение вычисляется благодаря операции деления (строка 38). В итоге, результат печатается с использованием функции printf. Функция printf требует аргумент в виде числа двойной точности, загруженного в регистр a1, эта операция реализуется в строчках 41 и 42. Программе нужны расширения F и D, описанные в спецификации. Программе на стандартный ввод можно перенаправить данные из файла используя возможности перенаправления потоков операционной системы: average < numbers.txt.
00 # average.s 01 .equ maxNb, 100 # maximal numbers to be read 02 .section .text 03 .globl main # run in C 'environment' 04 main: 05 addi sp, sp, -16 # store ra (return address) and saved regs on stack 06 sd ra, 0(sp) 07 sd s0, 8(sp) 08 09 li s0, 0 # counter numbers: i 10 .L0input: # read in numbers 11 la a0, scanfmt 12 la a1, buffer 13 slli t0, s0, 2 # next input in buffer+4*i 14 add a1, a1, t0 15 call scanf # read float number 16 blez a0, .L0avg # if no number could be read anymore, continue.. 17 addi s0, s0, 1 # count numbers read in s0: i = i + 1 18 li t0, maxNb # if i < maxNb, continue reading 19 blt s0, t0, .L0input 20 21 .L0avg: 22 beqz s0, .L0err # check if at least one number is read, else exit 23 24 fcvt.s.w ft0, s0 # divider: convert from int in s0 to float 25 fcvt.s.w ft1, x0 # sum: init with zero, convert from x0 26 .L0avgloop: 27 beqz s0, .L0out # count down s0 to zero: i = i - 1 28 addi s0, s0, -1 29 30 slli t1, s0, 2 # compute address to float number in memory 31 la t0, buffer 32 add t0, t0, t1 33 34 flw ft2, 0(t0) # load from memory to float register ft2 35 fadd.s ft1, ft1, ft2 # sum in ft1 36 j .L0avgloop 37 .L0out: 38 fdiv.s ft1, ft1, ft0 # average in ft1 39 40 la a0, resultfmt # print result using printf 41 fcvt.d.s ft1, ft1 # need to prepare for printf, expand to double size 42 fmv.x.d a1, ft1 # move from ft1 to a1 43 call printf # and print 44 45 .L0err: 46 li a0, 0 47 48 ld s0, 8(sp) 49 ld ra, 0(sp) # restore ra 50 addi sp, sp,16 51 ret # return to caller 52 53 .section .rodata 54 scanfmt: 55 .asciz "%f" 56 resultfmt: 57 .asciz "Average: %f\n" 58 59 .section .bss 60 buffer: 61 .zero 4*maxNb