Laboratorio di Architettura

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1 Laboratorio di Architettura Lezione 2 Andrea Torsello Dipartimento di Informatica Università Ca Foscari di Venezia p.1/50 Linguaggi È possibile programmare il computer usando vari linguaggi di programmazione Ogni linguaggio ha i suoi pro e contro MA... Alla fine, l unico linguaggio che il computer capisce è il linguaggio macchina Per usare altri linguaggi, occorre usare qualcosa in grado di far capire al computer gli altri linguaggi p.2/50

2 INTERPRETI Un INTERPRETE per un certo linguaggio L è un programma che interpreta appunto il linguaggio L e fa sì che questo venga correttamente eseguito dal computer Dato un interprete I, e un programma P nel linguaggio L, indichiamo con I(P) l esecuzione di P da parte di I p.3/50 VANTAGGI L interprete può non limitarsi solo a eseguire il programma, ma può fornire altri mezzi per controllarne l esecuzione Esempi: esecuzione passo passo, finestre di controllo delle variabili, trace modes, breakpoint etc etc. DEBUG p.4/50

3 SVANTAGGI Essendo una simulazione, tipicamente l interprete interpreta ogni istruzione del programma ogni volta che viene eseguita LENTEZZA Per eseguire un programma, ho bisogno dell interprete p.5/50 COMPILATORI Il COMPILATORE, invece, è un programma che prende un programma in un linguaggio L e lo traduce in un programma in un altro linguaggio Il SOURCE LANGUAGE ( sorgente ) viene tradotto nel TARGET LANGUAGE ( obiettivo ) p.6/50

4 COMPILATORI Tipicamente il TARGET LANGUAGE è il linguaggio macchina Eccezione: Linguaggi a BYTE-CODE (Es. JAVA) il linguaggio viene compilato ad un LINGUAGGIO INTERMEDIO che poi viene INTERPRETATO p.7/50 VANTAGGI Non ho più bisogno del compilatore, una volta tradotto il programma (Tipicamente) maggiore velocità, visto che il programma risultante è in linguaggio macchina p.8/50

5 SVANTAGGI Meno flessibile dell interprete per il debugging Più difficile da scrivere p.9/50 Scenario Nuovo computer, unico linguaggio disponibile: linguaggio macchina Volete usare il vostro linguaggio di programmazione preferito L Primo passo: scrivete un interprete I per far correre i programmi in L VANTAGGI: facile da scrivere, facile fare il debug dei programmi SVANTAGGI: lento, lento, lento!...e per far correre un programma ( hello world ) occorre portarvi dietro tutto l interprete p.10/50

6 Soluzione 1 Scrivete il compilatore in linguaggio macchina MOLTO DIFFICILE p.11/50 Soluzione 2 Scrivete il vostro compilatore C nel linguaggio L (!!) lo usate con l interprete I : I(C) gli date in input proprio il compilatore stesso (C): I(C)(C) voilà, avete il vostro compilatore I(C)(C) p.12/50

7 Self Compiling Compiler un compilatore che compila se stesso viene chiamato self compiling compiler Nota: in letteratura, spesso I(C) si scrive solo C, per cui il self-compiling compiler diventa semplicemente C(C) p.13/50 Importanza Anzitutto, come detto, concettuale: anche qui, l idea fondamentale, alla base dell architettura del computer, che DATO e PROGRAMMA sono la stessa cosa E poi, pratica: permette di ottenere un compilatore Come visto nello scenario, quando ho poche risorse Quando il linguaggio L è molto potente e un compilatore difficile da scrivere p.14/50

8 Soluzione 3 Sia C un compilatore per la macchina M C (C) è un compilatore che esegue nella macchina M, ma compila codice per la nostra macchina (cross-compiler) C (C)(C) è il compilatore desiderato p.15/50 Il processo di compilazione Il passaggio dal codice sorgente alla esecuzione del programma passa per 3 fasi. 1. Compilazione 2. Linking 3. Caricamento p.16/50

9 Compilazione Il programma viene analizzato e per ogni istruzione viene generato del linguaggio macchina che la implementa. L output è un file oggetto un file in cui sono specificati i simboli usati e implementati dal codice e in cui viene mantenuto il codice generato (formato dipendente dal sistema). p.17/50 Linking Il linguaggio macchina ottenuto da varie fasi di compilazione viene messo assieme risolvendo i riferimenti ai simboli implementati nei vari file oggetto. Il risultato è un file eseguibile un file in cui oltre al codice c è informazione riguardo alla posizione in memoria in cui va caricato il programma, nonché eventuali simboli ancora non risolti p.18/50

10 Caricamento: Il Loader è un componente del sistema operativo che carica il programma in memoria e vi passa il controllo alla prima istruzione del programma In sistemi con con librerie dinamiche, carica il linker dinamico per risolvere i simboli mancanti p.19/50 Dati I dati in un computer sono numeri (numeri interi) 13124, , Ma attenzione, come sono veramente contenuti i dati nel computer? p.20/50

11 Sistemi di numerazione Noi usiamo il sistema decimale, ma ci sono vari altri modi di scrivere i numeri: Uno, due, tre, quattro, cinque, sei, sette... Antichi: I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X,... E ancora più antichi:,,,,,,... p.21/50 Sistemi di numerazione Noi usiamo un sistema di numerazione POSIZIONALE a dieci cifre (cosiddetto DECIMALE, o a BASE DIECI) p.22/50

12 Decimale Dieci cifre 0 = 1 = 2 =. 9 = p.23/50 posizionale 452 significa ( ) + 4 ( ) ( ) Allora 10 significa ( ) che è 10 p.24/50

13 Dieci cifre Perché proprio dieci cifre? (suggerimento: quante dita abbiamo?) Lo stesso trucco si può fare con un numero qualsiasi di cifre p.25/50 Due cifre Due cifre (dette anche bit) 0 = 1 = 101 allora significa ( ) + 1 ( ) ( ) Tradotto nel nostro sistema = 5 p.26/50

14 Tante cifre Per esempio 36: 0 = 1 =. 9 = A = B =. Z = p.27/50 36 cifre Così, ad esempio, 1H2 significa 1 + H ( Z + 1 ) + 1 ( Z + 1 ) ( Z + 1 ) Che nel nostro sistema sarebbe: = 1909 p.28/50

15 Come si distingue? 101 in quale sistema di numerazione? indica 101 nel sistema binario indica 101 nel sistema decimale 101 n indica 101 nel sistema a n cifre Talvolta si usa anche 101 bin, 101 dec e 101 hex (o 0x101), per indicare i sistemi in base 2, 10 e 26 rispettivamente p.29/50 E il computer? Quante cifre usa il computer? p.30/50

16 E il computer? Quante cifre usa il computer? DUE Chiedete a Salvatore Orlando il perché p.30/50 E il computer? Quante cifre usa il computer? DUE Chiedete a Salvatore Orlando il perché Però... p.30/50

17 E il computer? Quante cifre usa il computer? DUE Chiedete a Salvatore Orlando il perché Però... Spesso conviene riunire le cifre binarie in gruppi più grandi (es. 4 o 8 cifre) In virtù del sistema posizionale, possiamo vedere questi blocchi di più cifre come altrettante cifre p.30/50 Esadecimale Quattro cifre binarie possono rappresentare 16 numeri diversi ( 0000, 0001, 0010,..., 1110, 1111 ) Possiamo usare un sistema numerico a sedici cifre (cosiddetto ESADECIMALE, o HEX): 0, 1,..., 9, A, B, C, D, E, F Così, ad esempio è uguale a B hex si può vedere come in base 2, e quindi come BD hex p.31/50

18 Riassumendo Il computer usa il sistema binario Molto spesso, siccome i numeri utilizzati sono multipli di quattro cifre, conviene usare la numerazione esadecimale, che è MOLTO PIÙ COMPATTA, visto che in ogni caso è molto facile passare dall una all altra numerazione Per casa: perché si riuniscono in gruppi di 4 cifre e non, per esempio, 8? p.32/50 Memoria La MEMORIA del computer ùsa serie di contenitori per numeri Ogni contenitore contiene un numero che è limitato (tipicamente, 8 cifre binarie: un BYTE Per identificare tali contenitori, si usano identificatori detti INDIRIZZI di memoria Spesso, tali indirizzi sono numeri come, ad esempio 0, 1, 2, 3, 500, , A0BC2E hex p.33/50

19 Linguaggio Macchina Il LINGUAGGIO MACCHINA è il linguaggio che il computer usa per eseguire istruzioni e manipolare dati p.34/50 Come è fatto Un programma è una sequenza di numeri o cifre, Es F0A470B980DBE190EF517C6120B F18D651826C AA106 BF FF846B D F45B C08 4A C D818281B4F A26C282B82B B1D49 p.35/50

20 Programmi come dati Il Computer vede tutto come DATI (numeri). Volendo, può vedere certi dati come corrispondenti a istruzioni (il cosiddetto LINGUAGGIO MACCHINA) Ad esempio, potrebbe voler significare somma uno al valore del registro t0 p.36/50 Programmi come dati AIUTO!!! È illeggibile! p.37/50

21 Linguaggio Macchina per umani Leggere numeri non è molto facile Per noi umani, conviene tradurre questi codici numerici in qualcosa di più leggibile Ad esempio, potrebbe tradursi in forma più leggibile con add t0, 1 (somma 1 al registro t0) tale formato più leggibile è detto LINGUAGGIO ASSEMBLY Spesso, vista la stretta corrispondenza, si fa confusione, o si considerano i due termini uguali p.38/50 Linguaggio Assembly Il linguaggio assembly è un linguaggio di programmazione, che rispecchia fedelmente le istruzioni del linguaggio macchina USO: più leggibile, più flessibile NOTA: proprio perché un assembly può aggiungere funzionalità, ci possono essere MOLTI LINGUAGGI ASSEMBLY DIVERSI per lo stesso linguaggio macchina (anche se, ovviamente, con differenze minime) p.39/50

22 Esecuzione Un programma in linguaggio macchina è una sequenza di dati Esso risiede nella MEMORIA ESTERNA del computer C è una locazione di memoria speciale, il cosiddetto PROGRAM POINTER, che contiene un indirizzo di memoria. Il dato corrispondente a tale indirizzo, viene considerato dal processore come la prossima istruzione in linguaggio macchina da eseguire. p.40/50 Che operazioni? Le tipiche operazioni di un linguaggio macchina riguardano: Il movimento di dati La manipolazione di dati Il flusso di istruzioni p.41/50

23 Il movimento dei dati Da una parte all altra della memoria Esistono (almeno) due memorie Interna al processore: molto veloce, ma piccola e limitata Esterna al processore: più lenta, ma molto grande ed estendibile p.42/50 Memoria interna Data la piccola taglia (e le particolari funzionalità), di solito si usano indirizzi con nomi speciali, detti REGISTRI (a0, a1, t0, t1,...) p.43/50

24 Memoria esterna Vista la grande taglia, si usano numeri per identificarla (0, 1, 2, 3,...) Usare numeri ha anche il vantaggio, fondamentale, che si possono usare tutte le operazioni aritmetiche per manipolare indirizzi di memoria p.44/50 Il movimento dei dati Nel linguaggio mips ci sono (fondamentalmente) due operazioni per passare dati dalla memoria interna (registri) alla memoria esterna, e viceversa: LOAD STORE p.45/50

25 LOAD LOAD (letteralmente carica ), prende il valore da un indirizzo di memoria esterna, e lo carica nella memoria interna LOAD registro indirizzo carica il valore contenuto all indirizzo indirizzo nel registro registro p.46/50 STORE STORE (letteralmente immagazzina ), scrive un certo valore nell indirizzo di memoria specificato STORE registro indirizzo scrive il valore contenuto in registro nella memoria all indirizzo specificato p.47/50

26 La manipolazione dei dati Tipicamente, si può agire con le operazioni aritmetiche (+, -, *, /), ed altre operazioni di natura simile p.48/50 Il flusso di istruzioni Abbiamo detto che è grazie al program pointer che il computer sa quale istruzione eseguire Una volta eseguita l istruzione cosa si fa? tipicamente, si porta il program pointer all indirizzo sucessivo p.49/50

27 Il flusso di istruzione Se non potessimo modificare questo flusso, il programma verrebbe allora sempre eseguito come una linea, in sequenza Purtroppo, come mostreremo in un altra lezione, questo sarebbe troppo limitativo: ogni istruzione verrebbe eseguita SOLO UNA VOLTA! Ci sono opportune istruzioni che permettono di modificare il program pointer in modo da cambiare la sequenza delle istruzioni eseguite Questo ci permette di implementare cicli, esecuzioni condizionali e chiamata di funzioni p.50/50