Macchine Astratte. Nicola Fanizzi Dipartimento di Informatica Università degli Studi di Bari. Linguaggi di Programmazione feb, 2016

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1 Macchine Astratte Nicola Fanizzi Dipartimento di Informatica Università degli Studi di Bari Linguaggi di Programmazione feb, 2016

2 Sommario 1 Introduzione Macchina astratta Interprete Implementazione del linguaggio 2 Implementazione di macchine astratte Realizzazione Realizzazione HW Realizzazione SW Realizzazione FW Implementazione Interpretativa pura Implementazione Compilativa Pura Implementazione Ibrida macchina intermedia 3 Gerarchia Macchine Astratte 29 feb, / 28

3 Agenda 1 Introduzione Macchina astratta Interprete Implementazione del linguaggio 2 Implementazione di macchine astratte 3 Gerarchia Macchine Astratte 29 feb, / 28

4 Macchine e Linguaggi Macchina fisica (calcolatore): dispositivo elettronico capace di eseguire istruzioni ossia algoritmi opportunamente formalizzati in un linguaggio comprensibile per questo esecutore: Linguaggio di macchina L linguaggio compreso dalla macchina Macchina astratta per L, indicata con M L : insieme di algoritmi e strutture dati che permettono di memorizzare ed eseguire programmi scritti in L Programma: insieme di istruzioni scritte in L Macchine Astratte 29 feb, / 28

5 Struttura di una macchina astratta interprete dati controllo sequenza memoria controllo dati operazioni programma gestione memoria Macchine Astratte 29 feb, / 28

6 Interprete Interprete: componente della macchina che esegue le operazioni contenute nei programmi (con le relative str. dati): 1 Elaborazione dati primitivi es. operazioni aritmetiche su numeri interi 2 Controllo della sequenza d esecuzione es. gestione salti (sotto condizioni) es. PC registro con la prossima istruzione 3 Controllo trasferimento dati es. indirizzamento ed ordine trasferimento dati es. stack e operatori dedicati 4 Gestione della memoria allocazione della memoria per dati/programmi tramite opportune str. dati (es. pile) op. per la gestione dinamica Macchine Astratte 29 feb, / 28

7 Interprete [... cont.] inizio acquisizione pross. istruzione decodifica acquisizione operandi selezione op 1 op 2... op n Halt memorizzazione risultato fine Ciclo d esecuzione 1 Acquisizione da memoria prossima istruzione 2 Decodifica: operazione e operandi 3 Acquisizione operandi 4 Esecuzione operazione 5 Memorizzazione risultato 6 Se l istr. non era HALT: passa all istruzione successiva (vai a 1.) Macchine Astratte 29 feb, / 28

8 Implementazione del linguaggio Una macchina astratta M corrisponde ad un preciso linguaggio L (il suo linguaggio macchina) Dato un linguaggio L, ci sono diverse (infinite) macchine che possono adottarlo, variando: implementazione dell interprete strutture dati utilizzate Implementare un linguaggio L significa realizzare una macchina astratta che abbia L come linguaggio macchina Macchine Astratte 29 feb, / 28

9 Esempio interprete hardware PC UC R 1 R 2... R n IR ALU MAR MDR memoria principale Macchine Astratte 29 feb, / 28

10 Agenda 1 Introduzione 2 Implementazione di macchine astratte Realizzazione Implementazione Interpretativa pura Implementazione Compilativa Pura Implementazione Ibrida macchina intermedia 3 Gerarchia Macchine Astratte 29 feb, / 28

11 Realizzazione Realizzazione in hardware Realizzazione tramite dispositivi fisici: memorie, unità aritmetico-logiche, bus, reti,... Vantaggio esecuzione molto veloce linguaggi a basso livello linguaggi dedicati Svantaggi non adatta a linguaggi di alto livello complessità della progettazione non modificabilità della realizzazione influenzata dalla struttura dei linguaggi ad alto livello Macchine Astratte 29 feb, / 28

12 Realizzazione [... cont.] Simulazione mediante software Realizzazione mediante programmi in un (altro) linguaggio (già implementato) Data M L per L, si realizza M L per L, simulando con un programma in L, i costrutti di L ossia le funzionalità di M L Vantaggio massima flessibilità Svantaggio prestazioni inferiori l esecuzione passa per l interpretazione su M L, a prescindere dalla realizzazione di quest ultima (HW,SW,FW) Macchine Astratte 29 feb, / 28

13 Realizzazione [... cont.] Simulazione (emulazione) mediante firmware Realizzazione intermedia ottenuta attraverso microprogrammi che simulano algoritmi e str. dati di M L Simile al caso SW ma con una macchina intermedia realizzata come macchina fisica con linguaggi di basso livello: micro-linguaggi risiedono su (EP)ROM Vantaggio elevata velocità Svantaggi minore flessibilità maggiore complessità della programmazione opportuni dispositivi di scrittura su ROM Macchine Astratte 29 feb, / 28

14 Implementazione pura Caso ideale: realizzazione di M L per L si usa una macchina ospite M olo per L o traduzione da L ad L o Implicita implementazione interpretativa pura attraverso programmi in L o per simulare M L esecuzione della traduzione istruzione per istruzione Esplicita implementazione compilativa pura traduzione dei programmi in L in programmi in L o Macchine Astratte 29 feb, / 28

15 Richiamo: Funzioni Parziali Definizione (funzioni parziali) Una funzione parziale f è una relazione tra A e B (f A B) tale che, per ogni a A, se esiste un elemento corrispondente b B, esso è unico: b = f (a) I programmi definiscono funzioni parziali Esempio 1 read(x); 2 if (x >= 1) then return(x-1); 3 else while (true) do skip calcola la funzione: f (x) = { x 1 se x 1 valore indefinito altrimenti Macchine Astratte 29 feb, / 28

16 Notazione D dominio dei dati in input e output programma in L: P L : D D tale che P L (Input) = Output quando termina altrimenti la funzione è indefinita Prog L insieme dei programmi in L Macchine Astratte 29 feb, / 28

17 Interpretativa pura Interprete per M L realizzato tramite M olo programma scritto in L o denotato con I(L, L o ) sa tradurre ed eseguire tutte le istruzioni di L per eseguire P L per certi dati in input D D, si esegue I(L, L o ) su M olo con input P L e D formalmente: interprete I calcola la funzione parziale I : (Prog L D) D tale che I(P L, Input) = P L (Input) = Output NB M olo può essere di qualunque natura Macchine Astratte 29 feb, / 28

18 Interpretativa pura [... cont.] programma in L input interprete di L scritto in L o output esecuzione macchina ospite M o Macchine Astratte 29 feb, / 28

19 Compilativa Pura Il programma in L viene tradotto esplicitamente in L o eseguendo il programma compilatore, denotato con C L,Lo L linguaggio sorgente; L o linguaggio oggetto per eseguire P L con input D D si esegue C L,Lo con input P L producendo P clo in L o quindi si esegue P clo su M olo con input D Formalmente C L,Lo calcola la funzione: C L,Lo : Prog L Prog Lo tale che P clo = C L,Lo (P L ) e Input D : P L (Input) = P clo (Input) Macchine Astratte 29 feb, / 28

20 Compilativa Pura [... cont.] programma in L input programma in L compilatore da L a L o programma compilato in L o output esecuzione esecuzione macchina ospite M a macchina ospite M o Macchine Astratte 29 feb, / 28

21 Struttura di una macchina astratta Implementazione interpretativa Svantaggi scarsa efficienza: overhead per la decodifica replica della traduzione Vantaggi: maggiore flessibilità facilità di sviluppo e debugging memoria ridotta (solo sorgente) Implementazione compilativa Vantaggi: esecuzione più efficiente una sola traduzione Svantaggi: minore flessibilità perdita di informazioni sul sorgente minore facilità di debugging degli errori a run-time Macchine Astratte 29 feb, / 28

22 Ibrida macchina intermedia programma in L input programma in L compilatore da L a L i programma compilato in L i interprete L i output esecuzione esecuzione macchina ospite M o macchina intermedia M i Macchine Astratte 29 feb, / 28

23 Livelli di implementazione M L = M ili implementazione puramente interpretativa M L M ili M olo se l interprete della M ili è molto diverso da quello della M olo allora l implementazione è di tipo interpretativo non tutti i costrutti di L vanno simulati: per alcuni (pochi) il corrispettivo è diretto in L o se l interprete della M ili è molto simile a quello della M olo allora l implementazione è di tipo compilativo molti costrutti hanno un corrispettivo pochi (es. I/O) vanno simulati in L o M ili = M olo implementazione puramente compilativa Macchine Astratte 29 feb, / 28

24 Supporto a Run-Time Insieme dei programmi che estendono le funzionalità di M olo e che simulano le funzionalità di L i (e quindi di L) Per alcuni linguaggi la macchina intermedia non è esplicita Per altri la macchina intermedia è definita formalmente per questioni di portabilità L implementazione compilativa per un dato HW è più complessa di quella interpretativa Applicata per la prima volta per il PASCAL (P code) Analogamente in JAVA il byte code è interpretato dalla JVM JRE: Java Runtime Env. Macchine Astratte 29 feb, / 28

25 Agenda 1 Introduzione 2 Implementazione di macchine astratte 3 Gerarchia Macchine Astratte 29 feb, / 28

26 Gerarchia Per ogni livello i, una macchina M i L i è implementata su / utilizza funzionalità di M i 1 L i offre le sue a quelle di livello superiore M i+1 L i permette di dominare la complessità consente l indipendenza dei vari livelli Macchine Astratte 29 feb, / 28

27 Gerarchia [... cont.] Macchina E-business Macchina Web service Macchina Web Macchina Linguaggio Macchina Intermedia Macchina Sistema Operativo Macchina Firmware Macchina Hardware Macchine Astratte 29 feb, / 28

28 Riferimenti Gabbrielli & Martini: Linguaggi di Programmazione, 2a ed. McGraw-Hill. Cap. 1 Macchine Astratte 29 feb, / 28

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