Macchine Astratte (anche dette Macchine Virtuali)

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1 Macchine Astratte (anche dette Macchine Virtuali) Corso: Architettura degli Elaboratori Docenti: F. Barbanera, G. Bella UNIVERSITA DI CATANIA Dip. di Matematica e Informatica Esempi di macchine astratte riconoscitore vocale calcolatrice JVM (Java Virtual Machine) microchip ristorante F. Barbanera, G. Bella 2 Macchine Astratte v.2.1

2 Perche le macchine astratte? Una macchina astratta serve a computare. Esempi di computazione: svolgere un operazione aritmetica, eseguire un programma Java, preparare ordinazioni di piatti gastronomici, etc. Definizione astratta: computare vuol dire trasformare un insieme di dati. F. Barbanera, G. Bella 3 Macchine Astratte v.2.1 Perche computare? Per una migliore comprensione dei dati in input! 3+5 computazione1 8 i = j + k computazione2 ILOAD j ILOAD k IADD ISTORE i Attenzione: migliore e un concetto relativo! F. Barbanera, G. Bella 4 Macchine Astratte v.2.1

3 Perche computare? Da certi esempi di macchine concludiamo che computare puo essere una necessita. Pane fresco, prego! Ecco il denaro! computazione3 computazione Esame scritto di Architetture computazione5 Esame scritto di Architetture Questa prova e molto ma molto complicata, pero, visto che ho seguito bene le lezioni per tutto l anno, sento che riusciro ad ultimarla senza troppi problemi. Entro il 1964, l IBM era l azienda leader per la produzione di computer..aveva pero dei pressanti problemi di compatibilita F. Barbanera, G. Bella 5 Macchine Astratte v.2.1 Computazione input output regole meccanizzabili (procedimento effettivo) Computazione e una qualunque trasformazione di un input in un output mediante regole meccanizzabili. F. Barbanera, G. Bella 6 Macchine Astratte v.2.1

4 Modello Computazionale Un modello computazionale e una descrizione di come rappresentare l input, come interpretare l'output, come implementare il procedimento effettivo. Def. astratta: computare vuol dire trasformare un insieme di dati. Fissato un preciso modello computazionale, si puo dare una definizione piu concreta di computazione. F. Barbanera, G. Bella 7 Macchine Astratte v.2.1 nome dell inventore Alcuni modelli computazionali Gödel, basato sulla logica Church, basato sul calcolo di funzioni Post, basato sulla manipolazione di stringhe di caratteri Turing, basato su una macchina con un nastro e una testina F. Barbanera, G. Bella 8 Macchine Astratte v.2.1

5 Il modello computazionale di Alan Turing (1936) Basato sull osservazione di un essere umano che risolve un problema di calcolo seguendo un metodo meccanico. Questi scrive su un foglio usa un numero finito di simboli rilegge varie porzioni del lavoro svolto possiede uno stato mentale che e influenzato dalle azioni precedenti, e che influenza le azioni successive F. Barbanera, G. Bella 9 Macchine Astratte v.2.1 La macchina di Turing Una macchina per computare deve disporre di: un nastro infinito, suddiviso in celle, ciascuna capace di contenere un qualunque simbolo di un alfabeto una testina movibile, capace di leggere e/o scrivere un simbolo in una cella una scatola nera, nota come controllo finito, che memorizza lo stato mentale corrente F. Barbanera, G. Bella 10 Macchine Astratte v.2.1

6 Esempio celle nastro infinito A = {0, 1} testina mobile alfabeto simboli q 1 controllo finito stato F. Barbanera, G. Bella 11 Macchine Astratte v.2.1 Operazioni elementari della macchina Operazione 1: cambiare il simbolo contenuto nella cella sotto la testina. Tale operazione causa un cambiamento di stato. Operazione 2: spostare la testina da una cella a una adiacente. Tale operazione non causa un cambiamento di stato. F. Barbanera, G. Bella 12 Macchine Astratte v.2.1

7 Esempio di operazione A = {0, 1} q 12 F. Barbanera, G. Bella 13 Macchine Astratte v.2.1 Esempi di operazione A = {0, 1} q 2 F. Barbanera, G. Bella 14 Macchine Astratte v.2.1

8 Esempi di operazione A = {0, 1} q 2 F. Barbanera, G. Bella 15 Macchine Astratte v.2.1 Esempi di operazione A = {0, 1} q 2 F. Barbanera, G. Bella 16 Macchine Astratte v.2.1

9 Esempi di operazione A = {0, 1} q 2 F. Barbanera, G. Bella 17 Macchine Astratte v.2.1 Esempio di operazione 1 A = {0, 1} q 23 F. Barbanera, G. Bella 18 Macchine Astratte v.2.1

10 Programma di una macchina Stabilisce quali e quante operazioni di tipo 1 o di tipo 2 la macchina possa fare E un insieme di quintuple della forma: (q 1, a, b, M, q 2 ) essendo a, b A ed M {L, R, X} possibili spostamenti F. Barbanera, G. Bella 19 Macchine Astratte v.2.1 Esempio di programma (q 1, 1, 0, X, q 2 ) (q 2, 0, 0, L, q 2 ) (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) Si osservi che il nuovo stato e funzione del simbolo letto, dello stato corrente e dello spostamento effettuato. F. Barbanera, G. Bella 20 Macchine Astratte v.2.1

11 Configurazione istantanea Configurazione istantanea di una macchina di Turing e la tripla costituita da: lista dei simboli contenuti nelle celle posizione della testina stato corrente Esempio: q 4 F. Barbanera, G. Bella 21 Macchine Astratte v.2.1 Esempio di programma e c.i. (q 1, 1, 0, X, q 2 ) (q 2, 0, 0, L, q 2 ) (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) q q 2 configurazione iniziale F. Barbanera, G. Bella 22 Macchine Astratte v.2.1 q 2

12 Esempio di programma e c.i. (q 1, 1, 0, X, q 2 ) (q 2, 0, 0, L, q 2 ) (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) q q 3 configurazione finale F. Barbanera, G. Bella 23 Macchine Astratte v.2.1 Modello Computazionale (ripasso) Un modello computazionale e una descrizione di come rappresentare l input, come interpretare l'output, come implementare il procedimento effettivo. Def. astratta: computare vuol dire trasformare un insieme di dati. Fissato un preciso modello computazionale, si puo dare una definizione piu concreta di computazione. F. Barbanera, G. Bella 24 Macchine Astratte v.2.1

13 Modello Computazionale di Turing input rappresentato dalla lista dei simboli contenuti nelle celle nella configurazione iniziale output va considerata la lista dei simboli contenuti nelle celle nella configurazione finale procedimento effettivo implementato come programma costituito da quintuple della forma appena vista Il modello computazionale di Turing si identifica con la Macchina di Turing. F. Barbanera, G. Bella 25 Macchine Astratte v.2.1 Computazione nel modello computazionale di Turing E una sequenza di configurazioni istantanee tali che: la configurazione iniziale e la prima nella sequenza ciascuna configurazione e ottenuta dalla precedente eseguendo l unica quintupla applicabile la configurazione finale e l ultima nella sequenza, qualora la sequenza sia finita F. Barbanera, G. Bella 26 Macchine Astratte v.2.1

14 Verso la programmazione imperativa La Macchina di Turing introduce alcuni elementi tipici della moderna programmazione imperativa: locazione celle aggiornabili in maniera distruttiva assegnamento quintuple assegnano un valore alla cella sotto la testina memoria nastro funge da memoria ad accesso sequenziale stato memorizzato nel controllo finito iterazione computazione come iterazione dell esecuzione delle quintuple F. Barbanera, G. Bella 27 Macchine Astratte v.2.1 Tutto era Hardware Inizialmente, Turing considera i programmi come parte integrante del controllo finito. (q 1, 1, 0, X, q 2 ) (q 2, 0, 0, L, q 2 ) (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) (q 1, 1, 0, X, q 2 ) (q 2, 0, 0, L, q 2 ) (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) q 2 Una macchina per una precisa computazione. F. Barbanera, G. Bella 28 Macchine Astratte v.2.1

15 Nasce il Software (q 1, 1, 0, X, q 2 ) Quindi, Turing intuisce che un programma puo essere codificato mediante simboli dell alfabeto di input (q 2, 0, 0, L, q 2 ) q 2 (q 2, 0, 1, X, q 3 ) (q 3, 1, 1, R, q 3 ) La codifica del programma e il software! F. Barbanera, G. Bella 29 Macchine Astratte v.2.1 Nasce il Software Quindi, Turing intuisce che un programma puo essere codificato mediante simboli dell alfabeto di input e un programma capace di simulare il programma qui codificato programma universale q 2 Nasce il concetto di Macchina di Turing Universale, una vera macchina programmabile. F. Barbanera, G. Bella 30 Macchine Astratte v.2.1

16 Dualismo Hardware-Software Hardware cio che e fisicamente realizzato Software cio che e descrizione formale delle operazioni da svolgere Nascono come equivalenti: quanto realizzato in hardware e realizzabile via software e viceversa. F. Barbanera, G. Bella 31 Macchine Astratte v.2.1 Architettura di Van Neumann E basata sulla Macchina di Turing Universale La CPU (Central Processing Unit) interpreta il Programma e legge i Dati dalla RAM (Random Access Memory). F. Barbanera, G. Bella 32 Macchine Astratte v.2.1

17 Architettura di Van Neumann La maggioranza delle architetture concrete sono basate su di essa (per ragioni tecnologiche) Descritta mediante un astrazione delle componenti di una Macchina di Turing Universale, ossia una loro descrizione nel modo piu generale possibile Le macchine astratte basate sull architettura di Van Neumann sono dette imperative perche basate su comandi (istruzioni) F. Barbanera, G. Bella 33 Macchine Astratte v.2.1 Architettura di Van Neumann memoria (nastro nelle M. di T.) contenente dati e programmi; possibile strutturazione non lineare dei dati operazioni sui dati (semplici nelle M. di T.) tecnica di lettura dei dati (testina nelle M. di T.) dalla memoria tecnica per determinare l istruzione seguente (sequenzializzazione delle quintuple nelle M. di T.) tecnica per l esecuzione di programmi (controllo finito nelle M. di T.) F. Barbanera, G. Bella 34 Macchine Astratte v.2.1

18 (E una descrizione piu dettagliata dell architettura di Van Neumann) Macchina Astratta (Imperativa) E un insieme di strutture dati per memorizzare dati, e di algoritmi per eseguire programmi. componenti fondamentali memoria operazioni primitive operazioni e strutture dati per gestire il trasferimento dati, ossia leggere gli operandi e memorizzare i risultati delle istruzioni operazioni e strutture dati per gestire il controllo di sequenza, ossia l ordine di esecuzione delle operazioni del programma interprete per l esecuzione del programma F. Barbanera, G. Bella 35 Macchine Astratte v.2.1 Osservazioni Ovvia corrispondenza fra macchine astratte e linguaggi di programmazione (imperativi, funzionali, ad oggetti, ecc.) Modelli computazionali diversi conducono a nozioni diverse di macchine astratte F. Barbanera, G. Bella 36 Macchine Astratte v.2.1

19 Struttura di una Macchina Astratta F. Barbanera, G. Bella 37 Macchine Astratte v.2.1 L Interprete E preposto all esecuzione dei programmi Coordina il funzionamento delle altre componenti, allo scopo di eseguire un ciclo FETCH/EXECUTE continuamente fino all esecuzione dell istruzione primitiva HALT F. Barbanera, G. Bella 38 Macchine Astratte v.2.1

20 mediante operazioni e strutture dati per gestire il controllo di sequenza mediante operazioni e strutture dati per gestire il trasferimento dati si acquisisce dalla memoria operazioni primitive Schema di un Interprete F. Barbanera, G. Bella 39 Macchine Astratte v.2.1 Esempio 1 di Macchina Astratta - macchina fisica tradizionale - memoria: RAM operazioni primitive: aritmetico-logiche, su stringhe di bit, lettura-scrittura celle memoria trasferimento dati: modalita per indirizzamento operandi e per memorizzazione risultati controllo di sequenza: strutture per punti di ritorno sottoprogrammi, registro contatore istruzioni (PC), algoritmi per gestione salti condizionati e non interprete: vari interpreti dei comandi F. Barbanera, G. Bella 40 Macchine Astratte v.2.1

21 Esempio 2 di Macchina Astratta - macchina fisica a pila - memoria: nel modello tradizionale, memoria solo per memorizzazione statica di programmi e dati operazioni primitive: push e pop trasferimento dati: pila per operandi e operatori, algoritmi per prelevare e memorizzare controllo di sequenza interprete F. Barbanera, G. Bella 41 Macchine Astratte v.2.1 Esempio 3 di Macchina Astratta -ristorantememoria: taccuini dei camerieri (input), dispensa (dati), tavole imbandite (output) operazioni primitive: varie capacita culinarie dell insieme dei cuochi trasferimento dati: regole per trasferimento ingredienti dalla dispensa ai cuochi controllo di sequenza: ordine di arrivo delle ordinazioni ai cuochi, ordine di utilizzo degli ingredienti di una ricetta interprete: camerieri F. Barbanera, G. Bella 42 Macchine Astratte v.2.1

22 E l Input/Output? Fra le componenti di una Macchina Astratta, non abbiamo incluso le strutture dati e gli algoritmi per la gestione dell Input/Output. Difficilmente esse possono essere generalizzate! Ad esempio, l input potrebbe essere memorizzato in una lista oppure in un albero, oppure Se l input fosse una lista di stringhe, si potrebbe concedere la lettura delle stringhe dispari o delle stringhe pari in posizione o in lunghezza. F. Barbanera, G. Bella 43 Macchine Astratte v.2.1 Il Linguaggio Macchina Si consideri una Macchina Astratta M LM, il linguaggio macchina di M, e il linguaggio in cui si esprimono tutti i programmi interpretabili dall interprete di M LMEST, il linguaggio macchina esteso di M, e un linguaggio di stringhe di caratteri direttamente traducibili in LM Esempio: un programma in LM e una sequenza di vari livelli di tensione per i bit di una memoria fisica; l equivalente in LMEST e un insieme di stringhe di 0 e di 1. F. Barbanera, G. Bella 44 Macchine Astratte v.2.1

23 Il Linguaggio Macchina LM e il linguaggio in cui i programmi eseguibili da M vengono rappresentati internamente LMEST e il linguaggio in cui i programmi eseguibili da M vengono rappresentati esternamente Il medesimo oggetto programma astratto puo essere rappresentato in ambedue i linguaggi. Quindi non faremo differenza fra i due linguaggi. Il LOADER carica un programma in LMEST, lo traduce in LM e lo carica nella memoria della macchina. F. Barbanera, G. Bella 45 Macchine Astratte v.2.1 Un binomio inscindibile Data una macchina astratta, resta definito il linguaggio di programmazione che e il suo linguaggio macchina Dato un linguaggio di programmazione, resta definita la macchina astratta che lo abbia come suo cuoco linguaggio macchina spaghetti, insalata, astratta Macchina M Linguaggio LM lavabiancheria delicato, colori,forte F. Barbanera, G. Bella 46 Macchine Astratte v.2.1

24 Complessita In virtu del binomio visto, si puo affermare che la complessita di una macchina dipende dalla complessita del suo linguaggio, e viceversa. Esempio 1. Si supponga che LM preveda il tipo astratto LISTA. Allora, M deve contenere operazioni elementari per realizzare Head, Tail, Length, ed algoritmi per l allocazione dinamica della memoria per le liste. Esempio 2. Si pensi a un moderno HLL (high-level language) F. Barbanera, G. Bella 47 Macchine Astratte v.2.1 Quando passare all hardware? Oggi, e tecnicamente possibile realizzare una macchina astratta associata ad un linguaggio di alto livello. Due degli inconvenienti derivanti sarebbero: - costi della realizzazione - scarsa flessibilita della macchina ottenuta Quindi, in pratica, solo macchine astratte piuttosto semplici vengono realizzate in hardware. F. Barbanera, G. Bella 48 Macchine Astratte v.2.1

25 Alternative? In generale, come implementare una Macchina Astratta M? Esistono 3 realizzazioni: hardware : realizzare M fisicamente interpretativa : emulare M mediante una macchina gia realizzata compilativa : tradurre il linguaggio di M in quello di una macchina gia realizzata gia trattato F. Barbanera, G. Bella 49 Macchine Astratte v.2.1 Realizzazione Interpretativa Sia M la Macchina Astratta da realizzare. Esista una Macchina Astratta M gia realizzata. M e detta macchina ospite. Si realizzano tutti gli algoritmi e le strutture dati che definiscono le componenti di M mediante programmi e strutture dati di LM. Se questi ultimi sono memorizzati in una memoria ad alta velocita, di sola lettura, sullo stesso chip contenente le altre componenti di M, si parla di interpretazione via firmware. F. Barbanera, G. Bella 50 Macchine Astratte v.2.1

26 Realizzazione Compilativa Come nel caso precedente, sia M la Macchina Astratta da realizzare, e sia M la macchina ospite. Si traduce l intero programma scritto in LM in un programma funzionalmente equivalente scritto in LM. Tale traduzione e eseguita dal compilatore. Le componenti di M in realta non vengono realizzate, ma l utente ugualmente godra delle funzionalita di M. F. Barbanera, G. Bella 51 Macchine Astratte v.2.1 Nasce un problema Come calcolare 3+5 mentre si dispone di una macchina fisica che incrementa un numero binario? C e una differenza di potenza espressiva fra le due macchine. In generale, la differenza di potenza espressiva fra la Macchina Astratta da realizzare e la macchina ospite esistente, e detta semantic gap. F. Barbanera, G. Bella 52 Macchine Astratte v.2.1

27 Efficienza della realizzazione Spesso il semantic gap e cosi ampio che sia l interpretazione che la compilazione potrebbero risultare inefficienti (M sarebbe lenta). Con l interpretazione, l interprete di M e realizzato da un programma in LM, eseguito dall interprete di M Con la compilazione, il programma in LM potrebbe avere dimensioni enormi, e quindi essere lento; il compilatore stesso e molto complicato se LM ed LM sono molto diversi Pertanto, si e pensato a delle macchine intermedie F. Barbanera, G. Bella 53 Macchine Astratte v.2.1 Singola macchina intermedia MM macchina intermedia macchina che vogliamo realizzare macchina gia realizzata programma in in LM Mi Mi interpretazione compilazione programma in in LMi LMi Mi va progettata in modo da massimizzare compattezza del codice in LMi prodotto velocita d interpretazione di Mi su M M M programma in in LM F. Barbanera, G. Bella 54 Macchine Astratte v.2.1

28 Esperienze pratiche Mi e tipicamente solo un estensione di M poiche ne usa il medesimo interprete, potenziato con un insieme di routine dedicate dette run-time system Java si basa sullo schema appena visto: Mi e la JVM (Java Virtual Machine); LMi e detto Bytecode; il runtime system e detto Java RunTime Environment Tutte le combinazioni compilazione/interpretazione sono possibili La singola macchina viene generalizzata a piu macchine intermedie all uopo di maggior flessibilita del sistema F. Barbanera, G. Bella 55 Macchine Astratte v.2.1 Una gerarchia di macchine per esempio, un HLL computer reale F. Barbanera, G. Bella 56 Macchine Astratte v.2.1

29 Osservazione Alcune componenti di una macchina possono essere identiche ad altrettante della macchina ospite. Esempio. Si immagini di poter utilizzare in C alcune routine per l aritmetica binaria. Esempio schematico. Ciascun linguaggio ha componenti precipue (interpretate o compilate nei livelli inferiori) ed altre ereditate immutate. F. Barbanera, G. Bella 57 Macchine Astratte v.2.1 Tipica gerarchia di macchine in un moderno calcolatore Il passaggio a ciascun livello intermedio colma una parte del semantic gap. F. Barbanera, G. Bella 58 Macchine Astratte v.2.1

30 Livello 0 logica digitale Componenti fondamentali sono le porte logiche (GATES ). Le porte logiche sono dispositivi analogici, ma fanno da tramite verso quelli binari (e quindi digitali) perche realizzano funzionalita (Not, And, Or, ) formalizzabili mediante una teoria binaria detta Algebra di Boole. Combinando variamente le porte logiche, si otterranno i registri e le memorie. F. Barbanera, G. Bella 59 Macchine Astratte v.2.1 Livello 1 - microprogrammazione Componenti fondamentali sono registri e circuiti digitali che realizzano varie funzionalita aritmetico-logiche. Troviamo anche il datapath, le memorie, l IFU (Instruction-Fetch Unit). Nasce il concetto di flusso di informazione poiche sequenze di bit viaggiano da una componente all altra della Macchina Astratta di questo livello, venendo eventualmente elaborate. F. Barbanera, G. Bella 60 Macchine Astratte v.2.1

31 Livello 2 istruzioni macchina Livello cui ci si riferisce quando si parla di linguaggio macchina. Istruzioni tipiche sono: ADD, MOVE, SUB, etc Tale livello e direttamente implementato in hardware nel caso delle architetture RISC, mentre e realizzato mediante interpretazione firmware nelle architetture CISC. F. Barbanera, G. Bella 61 Macchine Astratte v.2.1 programmare fino a questo livello e per sistemisti Livello 3 sistema operativo Esso non copre del tutto il livello sottostante. Molte istruzioni del 2 sono disponibili insieme a nuove, piu evolute funzionalita : FILE e FILE SYSTEM la prima organizzazione strutturata e gerarchica delle informazioni MEMORIA VIRTUALE la macchina offre un enorme quantita di memoria in piu rispetto a quella fisica PROCESSI e MULTITASKING piu pezzi di programma in esecuzione indipendente e pseudo-parallela F. Barbanera, G. Bella 62 Macchine Astratte v.2.1

32 Livello 4 assembly E il primo a presentare alcune caratteristiche elementari di un linguaggio di programmazione (etichette, variabili globali, procedure, ) E realizzato mediante compilazione. Il compilatore si chiama assembler. L assembler e tipicamente scritto in istruzioni macchina (di livello 2). F. Barbanera, G. Bella 63 Macchine Astratte v.2.1 Livello 5 HLL I moderni linguaggi di programmazione si posizionano a questo livello. Esistono varianti sia interpretative che compilate di certe macchine di questo livello. (Ad esempio, quella il cui linguaggio e il BASIC) Osservazione 1. La JVM si sta consolidando fra i livelli 4 e 5. Osservazione 2. I livelli descritti sono solo una possibile strutturazione gerarchica di un sistema. F. Barbanera, G. Bella 64 Macchine Astratte v.2.1

33 Al di sotto della logica digitale Possiamo individuare almeno 2 livelli: livello -1 elettronica circuitale; si combinano i dispositivi di base (transistor, diodi, etc ) per ottenere le porte logiche livello -2 fisica dello stato solido; si sfrutta la struttura fisica dei solidi e le proprieta dei semiconduttori per realizzare dispositivi di base Servono da tramite fra i fenomeni fisici e le tecniche per l automazione del calcolo. Immaginare delle Macchine Astratte a tali livelli sarebbe pura speculazione. F. Barbanera, G. Bella 65 Macchine Astratte v.2.1 Programmazione e livelli di astrazione Un programma scritto in un HLL aggiunge un livello alla gerarchia. Esso estende la Macchina Astratta associata all HLL con nuove strutture dati e nuove operazioni. Quindi, la potenza di un HLL si puo misurare coi meccanismi di astrazione che esso offre. Nessun linguaggio al momento estende il controllo di sequenza, del trasferimento dei dati, o la gestione della memoria. F. Barbanera, G. Bella 66 Macchine Astratte v.2.1