Hochschule Augsburg, Fakultät für Informatik, Prof. Högl
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Letzter Update: 2019-10-22

Systemnahe Programmierung (PGU)

PGU = „Programming from the Ground Up“

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Moodle-Kurs: https://moodle.hs-augsburg.de/course/view.php?id=2806

Die Beispielprogramme sind in unserem Gitlab:

Diese Veranstaltung ist eine Einführung in die Assembler- und C-Programmierung für Bachelor-Studenten der Informatik. Wir werden dazu das schöne Skript in englischer Sprache von Jonathan Bartlett – Programming from the ground up - „PGU“ - verwenden, Sie finden eine von mir nach HTML übertragene Variante unter

sysprog_pgu/pgu/

Das Skript ist unter der Open-Source Lizenz GNU Free Documentation License (GFDL) erschienen, man darf es also jederzeit weiter verbreiten.

Beachten Sie auch die für uns wichtigen Anhänge in diesem Buch:

  • Anhang B: Einige x86 Instruktionen

  • Anhang C: Einige Linux Systemaufrufe

  • Anhang D: ASCII Tabelle

  • Anhang F: Der GDB Debugger

(Das Original von 2003 findet man hier: <http://download.savannah.gnu.org/releases/pgubook/ProgrammingGroundUp-1-0-lettersize.pdf>`_).

Zusaetzliche Themen, die wir bearbeiten, sind:

  • Die x86-64 Architektur

    (siehe Gitlab Repo, x86-64)

  • Exploits

    (siehe Gitlab Repo, Exploit)

Die Veranstaltung hat 5 SWS bzw. 6 Credit Points. Da ein CP genau 30 Arbeitsstunden entspricht, liegt der gesamte erwartete Zeitaufwand für die Studenten bei immerhin 180 Stunden.

Tipps

64-Bit Rechner und 32-Bit Programme

Auf Rechnern mit 64-Bit Betriebssystem sollte man den GNU Assembler und Linker in den 32-Bit Modus schalten. Beim Assembler wählt man --32 und beim Linker -m elf_i386, so wie in folgendem Beispiel:

as -g --32 -al=main.lst -o main.o main.s
ld -m elf_i386 -o main main.o

Falls man gegen die libc linken möchte, muss man ausserdem die Bibliotheken im 32-Bit Format installieren. Das geht z.B. auf einem Mint Linux 18.2 mit:

sudo apt install gcc-multilib libc6-dev-i386

Alle Beispielprogramme im sysprog.git Repository werden als 32-Bit Programme kompiliert. Ich nehme an, dass mittlerweile alle unter einem 64-Bit Linux arbeiten und fuer den Kurs Programme im 32-Bit Modus erstellen.

64-Bit Programme auf x86-64 Architektur

Einige haben nachgefragt, ob es weiterführende Informationen zum x86 mit 64-Bit Architektur gibt. Eine sehr schöne Beschreibung habe ich in folgendem 46-seitigen Text gefunden:

https://www.cs.cmu.edu/~fp/courses/15213-s07/misc/asm64-handout.pdf

Die beiden Autoren Bryant und O’Hallaron sind auch die Autoren des beeindruckenden Buches „Computer Systems: A Programmers Perspective“ (CSAPP), siehe http://csapp.cs.cmu.edu. Es enthält jede Menge interessante Themen zu system- und maschinennaher Programmierung, viel mehr als wir in unserer Veranstaltung machen können.

Von Ed Jorgensen gibt es das freie Buch x86-64 Assembly Language Programming with Ubuntu, siehe http://www.egr.unlv.edu/~ed/x86.html.

Mittlerweile (12/2018) gibt es dazu auch einen Ordner im sysprog.git Repository: https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/hubert.hoegl/sysprog/tree/master/x86-64. Siehe darin den Text main.rst.

GNU Debugger gdb

Den GNU debugger gdb starten Sie mit gdb --tui <Programm>. Das <Programm> ist der Name der ausführbaren Datei.

Damit Sie in gdb den Quelltext des Programmes sehen können, müssen Sie es mit der Option -g übersetzen.

In folgendem Beispiel erzeugt die -g Option die „Debug Informationen“ für den gdb. Die -al=main.lst Option erzeugt das Listing main.lst.

as -g -al=main.lst -o main.o main.s

Eine kurze Anleitung zur Technik des Debugging finden Sie in Erster Kontakt mit dem GDB . Der Text verwendet das „maximum“ Beispiel aus PGU, Kapitel 3. Später sollte man sich noch den Text GDB für Fortgeschrittene durchlesen.

Eine Zusammenfassung der wichtigsten GDB Kommandos für die SysProg-Veranstaltung ist im Repository der Beispiele sysprog.git (siehe oben) im Ordner gdb_anleitung (2017-10-23).

Es gibt auch eine Übersicht der Kommandos (Okt 2019).

Restructured Text (reST) / Markdown

Im WS1920 möchte ich Markdown als Abgabeformat empfehlen, da es einfach zu verwenden ist als reST. Eine kurze Anleitung zu den Möglichkeiten in Markdown ist hier: sysprog_pgu/Markdown-Anleitung.

Tipps zum Arbeiten mit Linux

  • Zum fundierten Einarbeiten in Linux empfehle ich die unter einer freien Lizenz erschienene Schulungsunterlage „Linux Essentials“ vom Linux Professional Institute (LPI):

    https://www.tuxcademy.org/media/lxes/

    Sie können dort das 264-seitige Handbuch lxes-de-manual-cc.pdf im PDF Format kostenlos herunterladen.

    Eine interessante Textsammlung zu verschiedenen UNIX-Themen wie Vi, Shell, Makefile, C und GDB bietet auch folgende Seite von Norman Matloff:

    http://heather.cs.ucdavis.edu/~matloff/unix.html

    Es lohnt sich, dort ein wenig zu stöbern!

  • Gewöhnen Sie sich an, nur im Terminal-Fenster zu arbeiten. Unsere häufigsten Kommandos sind:

    • Navigation im Filesystem (cd, ls, mkdir). Es ist keine gute Idee, das mit einem grafischen Filebrowser zu erledigen.

    • Dateien löschen (rm)

    • Editieren von Dateien (vim, micro, nano)

    • Aufrufen von make, eventuell mit make Targets, z.B. „make clean“

    • Starten des Debuggers

    • Gelegentliche Administrations-Aufgaben (sudo …), wie zum Beispiel dem Installieren von Paketen

Nicht als Administrator (root) arbeiten

Arbeiten Sie beim Programmieren NICHT als Root! Installieren Sie am besten das Paket „sudo“ und fügen Sie in /etc/sudoers die Zeile

stud    ALL=(ALL:ALL) ALL

hinzu („stud“ ist der Loginname).

Schreiben von Textdateien

Beispiele für Textdateien: reST Dokument, Assembler Quelltext, Makefile.

  • Ich empfehle den Vim Editor!

  • Gewöhnen Sie sich daran, den Text nicht breiter als 80 Zeichen zu schreiben. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass Braille Blindenschriftzeilen nicht mehr als 80 Zeichen darstellen können. Breite Bildschirme verleiten einen leider gerne, sehr lange Zeilen mit 100 bis 150 Zeichen zu schreiben. Die meisten Editoren können so eingestellt werden, dass Sie automatisch längere Zeilen umbrechen.

    In Vim verwende ich z.B. in ~/.vimrc das Kommando

    set colorcolumn=80

    das mir in Spalte 80 einen vertikalen roten Balken zeigt, über den man nicht schreiben sollte.

  • Um sich in Vim einzuarbeiten, beginnen Sie am besten mit dem Programm vimtutor. Geben Sie vimtutor [RETURN] auf der Kommandozeile ein und befolgen Sie die Anweisungen, die Sie danach am Bildschirm sehen.

Textbrowser

  • Ein Textbrowser ist praktisch, wenn man schnell einen Text lesen will. Das Standard-Werkzeug dafür ist less, das man so anwendet:

    less text.rst

    Man kann sich in ~/.bashrc einen Alias einrichten, z.B.:

    alias m="less"

    Damit kann man dann etwas kürzer m text.rst schreiben.

Hexdump/Hex Editoren

  • od

  • xxd

  • hexedit

Literatur

Alle folgenden Bücher und Tutorials sind unter einer freien Lizenz erschienen. Das heisst, Sie dürfen Sie jederzeit auf Ihren Rechner kopieren und auch weiterverteilen.

Nun noch ein paar traditionelle Bücher, die man mit Geld kaufen kann:

Vergessen Sie bitte nicht, dass Sie als Studentinnen und Studenten der Hochschule Augsburg über Safari Books Online gratis Zugriff auf eine riesige Menge an Informatik-Fachbüchern haben. Darunter sind auch viele Lehrbücher über Assembler-Programmierung und der Sprache C.