Astrazione e Macchine Virtuali. parte 1: in generale

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1 Università degli Studi dell Insubria Dipartimento di Scienze Teoriche e Applicate Astrazione e Macchine Virtuali parte 1: in generale Architettura di Von Neumann - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 1

2 Il concetto di astrazione Astrazione = ignorare (nascondere) dettagli (anche rilevanti) per semplificare il problema Utile (necessario) per affrontare sistemi complessi Loro analisi e loro sintesi Approccio riduzionista tipico della scienza e ingegneria (contrario: «olistico») Esempi: Motore visto come elemento che eroga potenza astraggo da dettagli costruttivi Database: sistema in grado di memorizzare dati persistenti, gestendo accessi concorrenti, sicurezza, ecc. Sistema biologico: organismo organo tessuto cellula organelli molecole atomi L astrazione e il calcolatore Il calcolatore può essere compreso (analisi) e costruito (sintesi) come una gerarchia di macchine astratte (virtuali) Ogni livello maschera (nasconde) i dettagli dei livelli sottostanti Utile per la descrizione: mi interessa capire il funzionamento del livello in esame, non dei sottostanti (ed essere in grado di progettarlo). - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 2

3 L astrazione e il calcolatore L astrazione è utile anche in fase di costruzione (sintesi). Ad es. costruire una macchina powerpoint direttamente con transistor sarebbe di complessità proibitiva Soluzione: 1. Costruiamo una prima macchina (l elaboratore) in grado di eseguire istruzioni elementari. 2. Utilizziamo queste istruzioni elementari per scrivere un programma (il Sistema Operativo) in grado di eseguire comandi più complessi Il programmatore del S.O. non conosce i dettagli relativi alla tecnologia realizzativa del microprocessore 3. Scriviamo programmi che si basano sulle funzioni messe a disposizione dal S.O. il programmatore di powerpoint non conosce i dettagli costruttivi del S.O. In questo corso non arriveremo mai al livello del transistor, né tantomeno dei livelli sottostanti. Istruzioni e operazioni Un esecutore è definito in base a tre elementi: l insieme delle operazioni che è capace di compiere; l insieme delle istruzioni che capisce (sintassi); quali operazioni associa ad ogni istruzione che riconosce (semantica). Ad es. un elaboratore è in grado di eseguire un insieme di istruzioni Per ogni istruzione esegue diverse operazioni: 1. Preleva da memoria l istruzione da eseguire Operazioni fisse (le stesse 2. Esamina l istruzione e capisce cosa deve fare per ogni istruzione) 3. Esegue l istruzione (cioè esegue le operazioni elementari corrispondenti al significato dell istruzione). Operazioni diverse per ogni istruzione - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 3

4 Differenza tra istruzione e operazioni Istruzione (comando): Vammi a prendere un caffé Operazioni: Mi alzo Mi dirigo verso la porta Apro la porta Raggiungo la macchina del caffé Ci deve essere un elemento che interpreta il comando convertendolo nella serie opportuna di operazioni. Linguaggio: definizione Il linguaggio è l insieme delle istruzioni (comandi) che un esecutore è in grado di comprendere ed eseguire. NB: nel descrivere un linguaggio non è rilevante sapere come viene eseguita l istruzione (cioè ad es. a quale sequenza di operazioni l esecutore ricorre) - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 4

5 Il linguaggio macchina Il linguaggio macchina è il linguaggio compreso dal processore Ovviamente esistono tanti linguaggi macchina quanti sono i processori: Zilog Z80, DEC Alpha, Intel 8080, 80386, Pentium IV, ecc. Un interessante eccezione: la compatibilità Caratteristiche del linguaggio macchina: Binario: le istruzioni sono delle sequenze di 0 e 1 Di basso livello: ogni istruzione ha un effetto molto elementare. Ad es.: Copia il contenuto di un registro in un altro registro Trasferisci il contenuto di una data cella di memoria in un registro Somma i contenuti di due registri e metti il risultato in un terzo registro Scrivere programmi complessi con istruzioni di questo genere è lungo, tedioso e passibile di errori anche banali. Il dilemma La macchina semplice costruita con i transistor mi fornisce un linguaggio inadeguato alla programmazione di programmi complessi e sofisticati. Costruire direttamente con i transistor una macchina in grado di supportare la programmazione di alto livello è un impresa di costo e complessità enormi. Che fare? Teniamo la nostra macchina di basso livello, ma ci costruiamo sopra una macchina di più alto livello (cioè più potente e facile da programmare) - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 5

6 Esecutori e linguaggi Il calcolatore capisce le istruzioni che fanno parte del linguaggio macchina (che indichiamo con L0). L obiettivo è definire una macchina che capisca un linguaggio L1 più potente e facile da utilizzare rispetto al linguaggio macchina L0: definire l insieme delle istruzioni che fanno parte di L1; utilizzare le istruzioni di L0 come operazioni di L1; definire quali operazioni vengono associate a quali istruzioni. Definizione di una machina di più alto livello La macchina M 0 capisce il linguaggio L 0, che comprende le istruzioni I 0, I 1, I 2 L 0 = {I 0, I 1, I 2 } M 0 è data e non ci interessa come funziona internamente. Definiamo una macchina M 1 che capisce un linguaggio L 1, che comprende le istruzioni J 0, J 1, J 2, J 3 L 1 = {J 0, J 1, J 2, J 3 } M 1 è tipicamente una macchina di più alto livello rispetto a M 0, cioè le sue istruzioni sono più potenti e facili da usare. Tutte le istruzioni di L 1 saranno definite in termini di istruzioni di L 0. Cioè ogni istruzione J k corrisponde a una sequenza di istruzioni della macchina M 0 ad es. J 0 = I 0 ; I 1 ; I 1 ; I 2. J 1 = I 1 ; I 2. J 2 = I 2 ; I 0 ; I 1. J 3 = I 2 ; I 2 ; I 0 Sulla carta la definizione è immediata, ma come si realizza in pratica? - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 6

7 Come realizzare M 1? Una soluzione consiste nell incorporare M 0 in M 1. Ogni volta che si deve eseguire una istruzione di L 1, si richiede a M 0 di eseguire le corrispondenti istruzioni L 0. Esempio: per eseguire J 2 si richiederà a di eseguire la sequenza di istruzioni corrispondente, cioè I 2 ; I 0 ; I 1 M 1 I2 J 2 I 0 M 0 I 1 Problema: chi decide che J 2 si trasforma nella sequenza I 2 I 0 I 1? Deve essere tutto automatico! Come passare da L1 a L0 Traduzione (o compilazione) Un apposito programma (compilatore) traduce il programma P L1, scritto in linguaggio L1, in un programma P L0, scritto in linguaggio L0; il nuovo programma P L0 viene quindi eseguito. M 0 M I 2 I 0 I Traduttore J Programma equivalente scritto in L 0 Programma scritto in L 1 - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 7

8 Come passare da L1 a L0 Interpretazione Un apposito programma (interprete) esamina il programma P L1, scritto in linguaggio L1, e, istruzione per istruzione, lo traduce nel linguaggio L0 e lo esegue. M 1 I 2 I 0 Interprete J 2 M 0 I 1 Interpretazione Il controllo è sempre nelle mani dell interprete Dati dell interprete Programma P L1 scritto nel linguaggio L1 Dati del programma P L1 Versatile e comodo in fase di debugging Se si identifica un errore si può cambiare il codice e proseguire senza dover ripartire da zero Prestazioni ridotte Ogni istruzione viene tradotta ogni volta che viene eseguita Di solito è scritto in L0 e fa parte integrante della macchina M1. - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 8

9 Compilazione Il compilatore mantiene il controllo solo nella prima fase (traduzione da P L1 a P L0 ). Una volta fatta la traduzione non serve più (finché non si cambia il programma). Dati del compilatore: programma P L1 scritto nel linguaggio L1 (input); programma P L0 scritto nel linguaggio L0 (output). Buone prestazioni: si esegue P L0 scritto in linguaggio L0; durante la traduzione si può ottimizzare il codice. In caso di modifica del codice (e.g. debugging) è necessario ricompilare il programma modificato. Costruzione di un compilatore Problema: come scrivere il primo complilatore da L1 a L0? Scriverlo direttamente in L0? di solito, difficile Si può scriverlo in L1, e poi tradurlo a mano in L0. Alternativa: in un linguaggio Lx, disponendo già di un comp da Lx a L0 Al giorno d oggi: Design e implementazione di compilatori (da un linguaggio dato): disciplina matura Esistono molti strumenti software per semplificare il task. è facile definire nuovi linguaggi ad-hoc, ad alto livello, pensati per gestire contesti specifici, e dotarsi di compilatori per tali linguaggi (o interpreti in questo caso si parla spesso di «linguaggi di scripting») Nota: i buoni compilatori ottimizzano il codice che producono La scrittura di compilatori esula dagli obiettivi di questo corso - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 9

10 Macchina virtuale M1 Il calcolatore reale (macchina M0) riconosce programmi scritti nel linguaggio L0 realizzare una macchina reale capace di comprendere il linguaggio L1 sarebbe troppo costoso e/o poco efficiente La compilazione o l interpretazione permettono di realizzare una macchina virtuale M1 capace di comprendere il linguaggio L1. Problema: per rendere comoda ed efficiente la traduzione, la distanza tra L1 e L0 (e quindi tra M1 e M0) non può essere elevata; non è detto che M1 sia la soluzione desiderata (potrebbe essere ancora troppo distante dal livello umano ). Macchina virtuale M2 È possibile ripetere lo stesso procedimento ipotizzando che M1 sia il punto di partenza (invece di M0) per definire una macchina virtuale M2 capace di eseguire programmi scritti in un linguaggio L2. Per la traduzione dei programmi scritti nel linguaggio L2 esistono due possibilità: tradurli in L1 per eseguirli con la macchina virtuale M1; tradurli direttamente in L0 in modo che possano essere eseguiti dalla macchina reale M0. Iterando si possono definire ulteriori macchine virtuali M3, M4,... MN fino a raggiungere il livello di usabilità desiderato. - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 10

11 Macchina a più livelli Livello n Livello 2 Livello 1 Livello 0 Mn (Ln)... M2 (L2) M1 (L1) M0 (L0) Programmi tradotti in uno dei linguaggio di livello inferiore in modo che possano essere eseguiti da una delle macchine di livello inferiore Programmi tradotti in L1 o in L0 in modo che possano essere eseguiti da M1 o da M0 Programmi tradotti in L0 in modo che possano essere eseguiti da M0 Programmi eseguiti direttamente dal calcolatore (macchina reale) Astrazione per realizzare l indipendenza dalla macchina Avendo costruito una macchina Mn che capisce il linguaggio Ln, dobbiamo disporre della capacità di tradurre Ln in Ln-1. Possono esistere più macchine virtuali che mettono a disposizione dei linguaggi in grado di fungere da Ln-1. Esempio: stesso S.O. su HW diversi, stessa applicazione su S.O. diversi, ecc. La figura precedente ammette ramificazioni! - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 11

12 Relazione tra una macchina e il relativo linguaggio macchina La macchina definisce il linguaggio. Una macchina (reale o virtuale) permette di definire il linguaggio macchina ad essa associato come l insieme di tutte le istruzioni che la macchina stessa è in grado di eseguire. Il linguaggio definisce la macchina. Un linguaggio permette di definire la macchina (reale o virtuale) ad esso associata come l esecutore capace di comprendere tutti i programmi scritti in quel linguaggio. Calcolatore a n livelli Per scrivere i programmi per il livello n non è necessario conoscere come viene effettuata la traduzione e quindi l esecuzione. I programmi possono essere eseguiti direttamente dalla macchina reale; tradotti direttamente nel linguaggio L0; interpretati da un interprete che viene a sua volta interpretato da un altro interprete...;... La conoscenza dei livelli intermedi è importante per chi voglia capire come funziona un calcolatore (analisi); come si progetta una macchina virtuale (sintesi). - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 12

13 Riassunto dei concetti visti (so far) Analisi VS Sintesi (Riduzionismo VS Olismo) Livelli di Astrazione (gerarchia di) Architettura di Von Neumann (dati + programmi in memoria) Linguaggio Sintassi VS Semantica Istruzioni (o comandi) VS Operazioni Macchina (astratta) Linguaggio (di quella Macchina Astratta) Macchina (fisica) Linguaggio Macchina Linguaggio Insieme delle Istruzioni («Instruction Set») Gerarchia di linguaggi Alto livello VS Basso livello Compilazione VS Interpretazione - Astrazione e Macchine Virtuali (Pt 1) 13