Esempio di procedura annidata. L insieme delle istruzioni (5) Esempio di procedura annidata (2) set_array: Esempio di procedura annidata (3)

Transcript

1 L insieme delle istruzioni (5) Architetture dei Calcolatori (lettere A-I) Esempio di procedura annidata Codice C Assumiamo che set_array sia la prima procedura chiamata Assumiamo che la variabile i corrisponde a $s0 N.B.: i è una variabile globale int i; void set_array(int num) { int array[10]; for (i=0; i<10; i++) array[i] = compare(num, i); int compare(int a, int b) { if (subtract(a, b) >= 0) return 1; else return 0; int subtract(int a, int b) { return a-b; Valeria Cardellini 1 Esempio di procedura annidata (2) set_array: addi $sp, $sp, -52 sw $fp, 48($sp) sw $ra, 44($sp) sw $a0, 40($sp) addi $fp, $sp, 48 # alloca spazio per 13 parole # salva frame pointer # salva return address # salva parametro (num) # inizializza $fp add $s0, $zero, $zero # i = 0 addi $t0, $zero, 10 # num max di iterazioni loop: sll $t1, $s0, 2 # $t1 = i * 4 add $t2, $sp, $t1 # $t2 = &array[i] add $a0, $a0, $zero # passa num come parametro add $a1, $s0, $zero # passa i come parametro jal compare # compare(num, i) sw $v0, 0($t2) # array[i] = compare(num, i) addi $s0, $s0, 1 bne $s0, $t0, loop # loop se i<10 Valeria Cardellini 2 Esempio di procedura annidata (3) lw $a0, 40($sp) lw $ra, 44($sp) lw $fp, 48($sp) addi $sp, $sp, 52 compare: addi $sp, $sp, -8 sw $fp, 4($sp) sw $ra, 0($sp) addi $fp, $sp, 4 # ripristina parametro (num) # ripristina return address # ripristina frame pointer # dealloca spazio nello stack # return # alloca spazio per 2 parole # salva frame pointer # salva return address # inizializza $fp jal subtract # subtract(a,b) slt $v0, $v0, $zero # se sub(a,b) >=0, return 1 slti $v0, $v0, 1 Valeria Cardellini 3

2 Esempio di procedura annidata (4) lw $ra, 0($sp) # ripristina return address lw $fp, 4($sp) # ripristina frame pointer addi $sp, $sp, 8 # dealloca spazio nello stack # return Esempio di procedura annidata (5) subtract: sub $v0, $a0, $a1 # return a-b # return Valeria Cardellini 4 Valeria Cardellini 5 Gestione dei caratteri Ogni carattere è rappresentato univocamente mediante un codice numerico rappresentabile usando un byte (codice ASCII esteso) L assembler MIPS fornisce le istruzioni lb (load byte) e sb (store byte) per trasferire un byte da memoria a registro del processore e viceversa Il byte trasferito è quello meno significativo (quello più a destra) Esempio lb $t0, 1($sp) lb $t0, 1($sp) $sp $t0 sb $t0, 0($sp) sb $t0, 0($sp) Rappresentazione di stringhe Tre opzioni per la rappresentazione di stringhe La prima posizione della stringa contiene la sua lunghezza La lunghezza è memorizzata in una variabile separata L ultima posizione della stringa è segnalata da un carattere speciale (NULL), la cui codifica ASCII è 0 Rappresentazione usata dal linguaggio C Valeria Cardellini 6 Valeria Cardellini 7

3 Esempio: strcpy Copiare la stringa y nella stringa x Codice C void strcpy (char x[], char y[]) { int i; i = 0; while ((x[i] = y[i])!= 0) i++; Assumiamo che $a0 e $a1 contengono gli indirizzi base di x e y Assumiamo che $s0 contiene i Valeria Cardellini 8 Esempio: strcpy (2) strcpy: addi $sp, $sp, -4 # decrementa lo stack per salvare $s0 sw $s0, 0($sp) # push di $s0 nello stack add $s0, $zero, $zero # i = 0 L1: add $t1, $a1, $s0 # indirizzo di y[i] in $t1 lb $t2, 0($t1) # $t2 = y[i] add $t3, $a0, $s0 # indirizzo di x[i] in $t3 sb $t2, 0($t3) # x[i] = y[i] addi $s0, $s0, 1 # i = i+1 bne $t2, $zero, L1 # se y[i]!= 0 vai a L1 lw $s0, 0($sp) # pop di $s0 dallo stack addi $sp, $sp, 4 # incrementa lo stack # ritorna alla procedura chiamante Valeria Cardellini 9 Esercizio Scrivere una procedura in assembler MIPS che, dato in input un intero n, calcola il numero di Fibonacci ad esso corrispondente F(n) F(n) = F(n-1) + F(n-2), essendo F(0) = 0 e F(1) = 1 Codice C int fib(n) { if (n == 0) return(0); else if (n==1) return(1); else return(fib(n-1)+fib(n-2)); Valeria Cardellini 10 Dalla compilazione all esecuzione Programma sorgente compilatore Programma in linguaggio assembler assemblatore Oggetto: modulo in linguaggio macchina linker Oggetto: libreria di funzioni Eseguibile: programma in linguaggio macchina Estensioni dei file Unix Windows Sorgente C.c.c Assembler.s.asm Oggetto.o.obj Libreria statica.a.lib Libreria dinamica.so.dll caricatore Programma in memoria Valeria Cardellini 11

4 L assemblatore Traduce un programma in assembler in un file oggetto Una combinazione di Istruzioni in linguaggio macchina Dati e informazioni per la corretta collocazione del programma in memoria Esempio Per poter tradurre in linguaggio macchina le istruzioni di salto, l assemblatore deve poter determinare gli indirizzi corrispondenti alle etichette usate nei salti (tabella dei simboli) Tabella dei simboli: contiene le corrispondenze tra nomi delle etichette (simboli) ed indirizzi di memoria Il file oggetto prodotto dall assemblatore assume che il programma parta dalla locazione di memoria 0 (indirizzi relativi) Sarà il linker a produrre informazioni di rilocazione Locazione di memoria dipendente da un indirizzo assoluto Valeria Cardellini 12 Il processo di assemblaggio Il processo di traduzione in linguaggio macchina è semplice, salvo per le istruzioni con riferimenti a etichette locali non ancora dichiarate (riferimenti in avanti: l etichetta è usata prima di essere definita) Assemblatore ad una passata Traduce in codice binario tutte le istruzioni tranne quelle con riferimenti in avanti (tecnica del backpatching) Mette queste istruzioni in una tabella dei simboli irrisolti Alla fine traduce anche queste Maggiore velocità ma intera rappresentazione binaria in memoria Assemblatore a due passate Prima passata: calcola la lunghezza delle istruzioni e genera una tabella dei simboli, contenente l associazione tra i nomi delle etichette ed i corrispondenti indirizzi di memoria Seconda passata: tutti i riferimenti sono noti: usando la tabella dei simboli, può generare il codice macchina Valeria Cardellini 13 Struttura del file oggetto Nei sistemi Unix, il file oggetto è composto da 6 sezioni distinte Object file header (intestazione) Dimensione e posizione delle altre parti del file oggetto Segmento di testo Codice in linguaggio macchina per le procedure nel file sorgente; possono esserci riferimenti irrisolti (istruzioni contenenti riferimenti a simboli esterni) Segmento di dati Rappresentazione binaria dei dati (sia statici che dinamici) Informazioni di rilocazione Identificazione di istruzioni e dati da aggiornare al momento della rilocazione, in quanto dipendenti da indirizzi di memoria assoluti Tabella dei simboli Simboli definiti nel modulo e riferibili dall esterno (etichette globali) e lista dei riferimenti irrisolti (ad es. per uso di funzioni di libreria) Informazioni per il debugger Descrizione concisa del modo in cui il programma è stato compilato Valeria Cardellini 14 Esempio Object file header Name Procedure A Text size 100 hex Data size 20 hex Text segment Address Instruction 0 lw $a0, 0($gp) 4 jal 0 Data segment 0 (X) Relocation information Address Instruction type Dependency 0 lw X 4 jal B Symbol table Label Address X - B Valeria Cardellini - 15

5 Il linker Ciascun modulo ha il suo spazio degli indirizzi Quando i moduli vengono collegati occorre traslare i loro spazi degli indirizzi Occorre risolvere tutti i riferimenti esterni, ossia le chiamate tra moduli Compiti del linker (a partire dalla tabella dei simboli e dalle informazioni di rilocazione) Porre simbolicamente in memoria istruzioni e dati Determinare gli indirizzi dei dati e delle etichette dei salti Unire i riferimenti interni ed esterni alle procedure Il linker produce un file oggetto che può essere eseguito sulla macchina Stesso formato del file oggetto ma con tutti i riferimenti risolti e senza informazioni di rilocazione Il compito del linker in dettaglio Valeria Cardellini 16 Valeria Cardellini 17 Istruzioni MIPS da rilocare Indirizzi relativi al PC (istruzioni beq e bne): da non rilocare L indirizzamento relativo al PC è preservato anche se il codice viene spostato Indirizzi assoluti (istruzioni j e jal): da rilocare sempre Da rilocare anche istruzioni lw e sw che utilizzano il registro $gp per indirizzare dati statici Riferimenti esterni (tipicamente istruzione jal): da rilocare sempre Riferimenti ai dati (spesso istruzioni lui e ori): da rilocare sempre Il loader Una volta che il linker ha creato il file eseguibile, esso viene di solito memorizzato su disco All atto dell esecuzione, il S.O. lo carica dal disco e ne avvia l esecuzione Il loader si occupa di far partire il programma Legge l intestazione per determinare la dimensione dei segmenti testo e dati Crea uno spazio di memoria sufficiente per testo e dati Copia istruzioni e dati in memoria Copia nello stack i parametri (se presenti) passati al main Inizializza i registri e lo stack pointer Salta ad una procedura di inizializzazione che copia i parametri nei registri appositi e poi chiama la procedura di inizio del programma (main() in C) Valeria Cardellini 18 Valeria Cardellini 19

6 Librerie collegate dinamicamente Svantaggi del collegamento statico (prima dell esecuzione del programma) Le routine della libreria fanno parte del codice eseguibile Uso di vecchie versioni della libreria anche se disponibili nuove versioni Caricamento dell intera libreria anche se usata parzialmente Librerie collegate dinamicamente (DLL) Le routine della libreria non sono collegate e caricate finché il programma non viene eseguito Ogni routine viene collegata solo dopo essere invocata (lazy procedure linkage) Librerie collegate dinamicamente (2) Prima volta che viene invocata una routine della libreria Entry dummy Salto indiretto Identificazione della routine Remap della routine Link della routine Invocazioni successive Non sono necessari i passaggi intermedi Valeria Cardellini 20 Valeria Cardellini 21 Il processo di compilazione in Java Ottimizzazioni del compilatore La struttura di un compilatore ottimizzante è composta da diverse fasi Java bytecode: istruzioni appartenenti ad un insieme di istruzioni progettato per interpretare programmi Java Java Virtual Machine (JVM): programma che interpreta Java bytecode Compilatore Just in Time (JIT): per mantenere la portabilità ed incrementare la velocità di esecuzione, il compilatore opera a tempo di esecuzione, traducendo i segmenti di codice interpretato nel linguaggio macchina Valeria Cardellini 22 Valeria Cardellini 23

7 Ottimizzazioni del compilatore (2) Ottimizzazioni ad alto livello, ad es: Procedure inlining (o integrazione della procedura) Chiamata di una procedura sostituita con il codice della procedura Loop unrolling Molteplici copie del corpo di un loop, in modo da schedulare contemporaneamente istruzioni appartenenti a diverse iterazioni Ottimizzazioni locali e globali Ottimizzazione locale: all interno di un singolo blocco base Es.: sostituisce tutte le istanze di una variabile a cui è assegnato un valore costante con la costante (constant propagation) Es: sostituisce tutte le istanze di una variabile A che è stata assegnata (X=A) con A (copy propagation) Ottimizzazione globale: tra molteplici blocchi base Es: rimuove dal loop la parte di codice che calcola lo stesso valore ad ogni iterazione (code motion) Es: semplifica/elimina calcoli per l indirizzamento di array in un loop Allocazione globale dei registri Valeria Cardellini 24 Codice C Assunzioni: v in $a0 k in $a1 Codice MIPS swap: Esempio: swap void swap(int v[], int k) { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; sll $t1, $a1, 2 # $t1 = k*4 add $t1, $a0, $t1 # $t1 = v + (k*4) lw $t0, 0($t1) # $t0 = v[k] lw $t2, 4($t1) # $t2 = v[k+1] sw $t2, 0($t1) # v[k] = $t2 sw $t0, 4($t1) # v[k+1] = $t1 Valeria Cardellini 25 Esempio: sort Ordinamento crescente di un vettore di interi Codice C Assunzioni: sort (int v[], int n) { int i, j; for (i=0; i<n; i++) for (j=i-1; j>=0 && v[j]>v[j+1]; j--) swap(v,j); v in $a0 e n in $a1 i associato a $s0 e j a $s1 Valeria Cardellini 26 Esempio: sort (2) # salvataggio di 5 registri nello stack sort: addi $sp, $sp, -20 sw $ra, 16($sp) sw $s3, 12($sp) sw $s2, 8($sp) sw $s1, 4($sp) sw $s0, 0($sp) # corpo della procedura add $s2, $zero, $a0 # $s2 = $a0 add $s3, $zero, $a1 # $s3 = $a1 # loop esterno add $s0, $zero, $zero # i = 0 for1tst: slt $t0, $s0, $s3 # $t0=0 se $s0>=$s3 (i >= n) beq $t0, $zero, exit1 # go to exit1 se $s0>=$s3 (i >= n) # loop interno addi $s1, $s0, -1 # j = i-1 Valeria Cardellini 27

8 Esempio: sort (3) for2tst:slti $t0, $s1, 0 # $t0=1 se $s1 (j) bne $t0, $zero, exit2 # go to exit2 se $s1 (j) sll $t1, $s1, 2 # $t1 = j*4 add $t2, $s2, $t1 # $t2 = v + (j*4) lw $t3, 0($t2) # t3 = v[j] lw $t4, 4($t2) # t4 = v[j+1] slt $t0, $t4, $t3 # $t0=0 if $t4>=$t3 (v[j+1]>=v[j]) beq $t0, $zero, exit2 # passaggio dei parametri e chiamata di swap add $a0, $zero, $s2 add $a1, $zero, $s1 jal swap # loop interno addi $s1, $s1, -1 # j=j-1 j for2tst Esempio: sort (4) # loop esterno exit2: addi $s0, $s0, 1 # i=i+1 j for1tst # ripristina i registri salvati nello stack exit1: lw $s0, 0($sp) lw $s1, 4($sp) lw $s2, 8($sp) lw $s3, 12($sp) lw $ra, 16($sp) addi $sp, $sp, 20 # ritorno alla procedura chiamante Valeria Cardellini 28 Valeria Cardellini 29 Esercizi Scrivere in assembler MIPS la procedura bfind per trovare la prima occorrenza del carattere b in una stringa (P&H 2.23) Scrivere in assembler MIPS la procedura bcount per contare il numero di occorrenze del carattere b in una stringa, utilizzando la procedura bfind (P&H 2.23) Scrivere in assembler MIPS la procedura itoa per convertire un numero intero in una stringa di decimali ASCII (P&H 2.24) Valeria Cardellini 30 Valori con segno e senza Estensione del segno Si copia ripetutamente il bit del segno fino a riempire il registro Istruzioni di caricamento del byte lb e lbu (load byte unsigned) lb: tratta il byte come un numero con segno lbu: non effettua l estensione del segno (numero senza segno) Per il caricamento dei byte si utilizza lbu Istruzioni di confronto slt e sltu (set on less than unsigned) Esempio $s0 contiene $s1 contiene slt $t0, $s0, $s1 # $t0 = 1 sltu $t1, $s0, $s1 # $t1 = 0 Valeria Cardellini 31

9 Condizioni di overflow per somma e sottrazione Overflow nel MIPS Operazione Nel processore MIPS le istruzioni add, addi, sub causano eccezione nel caso di overflow Eccezione: chiamata non prevista di una procedura appropriata per la gestione dell eccezione Registro EPC (Exception Program Counter) contenente l indirizzo dell istruzione che ha causato l overflow Istruzione mfc0 (move from system control) per copiare EPC in un registro generale Le istruzioni addu, addiu e subu (u per numeri unsigned) non causano eccezione in caso di overflow Utili per manipolare indirizzi di memoria Gli indirizzi di memoria sono solo positivi (sfruttano tutti e 32 i bit) Valeria Cardellini 32 A+B A+B A-B A-B A B Risultato Overflow nel MIPS (2) In MIPS non c è un salto condizionale per testare l overflow Sequenza di istruzioni per individuare un overflow nel caso di addizione tra interi con segno addu $t0, $t1, $t2 # $t0 = somma (senza eccezione) xor $t3, $t1, $t2 # controlla se segno di $t1 e $t2 differisce slt $t3, $t3, $zero # $t3 = 1 se segno differisce bne $t3, $zero, No_overflow # No overflow se segno diverso xor $t3, $t0, $t1 # $t3 negativo se segno della somma diverso slt $t3, $t3, $zero # $t3 = 1 se somma con segno diverso bne $t3, $zero, Overflow # se $t3 = 1 overflow Valeria Cardellini 33 Overflow nel MIPS (3) Sequenza di istruzioni per individuare un overflow nel caso di addizione tra interi senza segno (la somma deve essere minore del massimo intero senza segno rappresentabile: ) addu $t0, $t1, $t2 # $t0 = somma (senza eccezione) nor $t3, $t1, $zero # $t3 = NOT $t1 # CP2($t1) -1: $t1-1 sltu $t3, $t3, $t2 # ( $t1-1 < $t2) ( < $t1 + $t2) bne $t3, $zero, Overflow # se ( < $t1 + $t2) overflow Istruzioni per moltiplicazione e divisione Problema per la moltiplicazione Il risultato della moltiplicazione tra due interi a 32 bit richiede 64 bit Non ci sono registri a 64 bit nel processore MIPS Problema per la divisione Come risultato della divisione interessa conoscere sia il quoziente che il resto Per il risultato occorrono due registri Soluzione nel processore MIPS Due registri a 32 bit dedicati per le operazioni di moltiplicazione e divisione: registri Hi e Lo Vedere overflow.s sul sito Web del corso Valeria Cardellini 34 Valeria Cardellini 35

10 Istruzione di moltiplicazione Per prodotto tra interi con segno mult rs, rt: moltiplica il registro rs (moltiplicando) per il registro rt (moltiplicatore) Mette nel registro Hi i 32 bit più significativi del prodotto e nel registro Lo i 32 bit meno significativi Segue il formato R (registro destinazione e shamt nulli) Esempio: mult $t0, $t1 Se $t0 = e $t1 = 6 10 allora Hi 0 Lo 60 Per prodotto tra interi senza segno (unsigned) multu rs, rt Entrambe le istruzioni MIPS di moltiplicazione ignorano l overflow: è un compito lasciato al software Istruzione di divisione Per divisione tra interi con segno div rs, rt: divide il registro rs (dividendo) per il registro rt (divisore) Mette nel registro Hi i 32 bit del resto e nel registro Lo i 32 bit del quoziente Segue il formato R (registro destinazione e shamt nulli) Esempio: div $t0, $t1 Se $t0 = e $t1 = 6 10 allora Hi 4 Lo 1 Per divisione tra interi senza segno (unsigned) divu rs, rt Entrambe le istruzioni MIPS di divisione ignorano l overflow; ulteriore problema dato dalla divisione per 0 Valeria Cardellini 36 Valeria Cardellini 37 Segno del quoziente e resto Dividendo = quoziente divisore + resto, ovvero x = y (x div y) + (x mod y) Esempio: x=5 e y=3 x div y = 1, x mod y = 2 Esempio: x=-5 e y=3 x div y = -1, x mod y = -5-3(-1) = -2 In alternativa, anche x div y = -2, x mod y = 1 ma sarebbe -(x y) (-x) y! Quindi: segno del resto uguale al segno del dividendo Non c è accordo tra i linguaggi di programmazione ad alto livello (es. x=-5 e y=3) C: divisione e modulo indefiniti Fortran: come esempio MIPS: come esempio Valeria Cardellini 38 Utilizzo dei registro Hi e Lo Istruzioni mflo/mfhi: copiano il contenuto dei registri Lo/Hi in un registro indicato mflo $s1: il contenuto del registro Lo è copiato in $s1 mfhi $s0: il contenuto del registro Hi è copiato in $s0 Esempio: div $s2, $s3 mflo $s1 # quoziente in $s1 mfhi $s0 # resto in $s0 Entrambe le istruzioni mflo e mfhi seguono il formato R primo operando nullo secondo operando nullo shamt nullo Valeria Cardellini 39