Assembly. Linguaggio di programmazione corrispondente al linguaggio macchina P.H. Cap. 2.1, 2.2 e App. A. Linguaggio assembly (App.

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1 Assembly Linguaggio di programmazione corrispondente al linguaggio macchina P.H. Cap. 2.1, 2.2 e App. A 1 Linguaggio assembly (App. A) Rappresentazione simbolica del linguaggio macchina Più comprensibile del linguaggio macchina in quanto utilizza simboli invece che sequenze di bit Rispetto ai linguaggi ad alto livello, l assembly fornisce limitate forme di controllo del flusso e di strutture dati Linguaggio usato come linguaggio target nella fase di compilazione di un programma scritto in un linguaggio ad alto livello (es: C, Pascal,ecc.) Vero e proprio linguaggio di programmazione che fornisce la visibilità diretta sull'hardware. 2 1

2 Fase di compilazione da C ad assembly Programma in linguaggio ad alto-livello (in C) void swap(int v[], int k ) { int t = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = t; } Compilatore Programma in linguaggio assembly swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 3 Assembly come linguaggio di programmazione Principali vantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Ottimizzazione delle prestazioni. Massimo sfruttamento delle potenzialità dell hardware sottostante. Principali svantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Mancanza di portabilità dei programmi su macchine diverse Maggiore lunghezza, difficoltà di comprensione, facilità d'errore rispetto ai programmi scritti in un linguaggio ad alto livello 4 2

3 Assembly come linguaggio di programmazione Le strutture di controllo hanno forme limitate Non esistono tipi di dati all'infuori di interi, virgola mobile e caratteri. La gestione delle strutture dati e delle chiamate a procedura deve essere fatta in modo esplicito dal programmatore Alcune applicazioni richiedono un approccio ibrido le parti più critiche del programma sono scritte in assembly (per massimizzare le prestazioni) le altre parti sono scritte in un linguaggio ad alto livello (le prestazioni dipendono dalle capacità di ottimizzazione del compilatore). Esempio: sistemi embedded o dedicati 5 Linguaggio macchina Linguaggio di programmazione direttamente comprensibile dalla macchina Alfabeto binario Parole sono le istruzioni Vocabolario è l'insieme delle istruzioni (instruction set) Ogni architettura di processore ha il suo linguaggio macchina Architettura definita dall'insieme delle istruzioni ISA (Instruction Set Architecture) Due processori con lo stesso linguaggio macchina hanno la stessa architettura anche se le implementazioni hardware possono essere diverse Consente di accedere direttamente all'hardware di un calcolatore 6 3

4 Insieme delle istruzioni software Instructions Set hardware 7 Fasi di compilazione da assembly a linguaggio macchina Programma in linguaggio assembly swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 Assembler Programma in linguaggio macchina

5 Cprogram Compiler Assembly language program Assembler Object: Machine language module Object: Library routine (machine language) Linker Executable: Machine language program Loader Memory Linker 10 5

6 Programmi Java linguaggio interpretato Java Virtual Machine ISA: Java bytecode programma Java compilatore classi in Java bytecode compilatore Just in Time Libreria Java (in ling. macchina) Java Virtual Machine metodi Java compilati (in ling. macchina) 11 Assembly Insieme delle istruzioni Tipi di istruzione I registri Istruzioni aritmetico-logiche add, sub mult, div 12 6

7 Caratteristiche di un ISA Codifica (formato) delle istruzioni Tipo e dimensione Posizione degli operandi In memoria e/o nei registri interni al processore Tipi di dati e dimensione Operazioni consentite 13 Insieme delle istruzioni Le istruzioni comprese nel linguaggio macchina di ogni calcolatore possono essere classificate nelle seguenti quattro categorie: Istruzioni aritmetico-logiche; Istruzioni di trasferimento da/verso la memoria (load/store); Istruzioni di salto condizionato e non condizionato per il controllo del flusso di programma; Istruzioni di trasferimento in ingresso/uscita (I/O). 14 7

8 Operazioni (add) Esempio istruzione MIPS add a, b, c in C a = b + c; operatore (add) solo tre variabili in C a = b + c + d + e; in MIPS add a, b, c # a = b + c; add a, a, d # a = a + d; add a, a, e # a = a + e; 15 Operazioni (sub) in C a = b + c; d = a - e; in MIPS add a, b, c # a = b + c; sub d, a, e # d = a - e; 16 8

9 Es. di compilazione da C ad assembly (MIPS) Esempio di programma C che utilizza 5 variabili (f, g, h, i e j): f = (g + h) (i + j) Il compilatore associa ad un'istruzione C complessa istruzioni assembly a tre operandi introduce due variabili temporanee (t0 e t1) add t0, g, h # var temp t0 = g + h add t1, i, j # var temp t1 = i + j sub f, t0, t1 # f = t0 t1 17 I registri (PH 2.3) I registri sono associati alle variabili di un programma dal compilatore Un processore possiede un numero limitato di registri: MIPS possiede 32 registri composti da 32-bit (word) Nomi simbolici preceduti da $ per denotare i registri, ad es.: $s0, $s1 $t0, $t1 per indicare variabili in C per indicare variabili temporanee I registri possono essere anche direttamente indicati mediante il loro numero (0,, 31) preceduto da $: ad es. $0, $1,, $

10 Registri special purpose Esistono dei registri special purpose per l'esecuzione di alcune operazioni particolari Esistono 32 registri per le operazioni floating point (virgola mobile) indicati come : $f0,, $f31 Per le operazioni in doppia precisione si usano i registri contigui: $f0, $f2, $f4, 19 Es. di compilazione da C ad assembly (MIPS) Esempio di programma C che utilizza 5 variabili (f, g, h, i e j): f = (g + h) (i + j) Il compilatore associa ad un'istruzione C complessa istruzioni assembly a tre operandi introduce due variabili temporanee (t0 e t1) add t0, g, h # var temp t0 = g + h add t1, i, j # var temp t1 = i + j sub f, t0, t1 # f = t0 t1 f in $s0 g in $s1 h in $s2 i in $s3 j in $s4 t0 in $t0 t1 in $t1 add $t0, $s1, $s2 # var. temp. t0 = g + h add $t1, $s3, $s4 # var. temp. t1 = i + j sub $s0, $t0, $t1 # f = t0 t

11 Assembly Insieme delle istruzioni Tipi di istruzione I registri Istruzioni aritmetico-logiche add, sub mult, div 21 Istruzioni aritmetico-logiche In MIPS, un'istruzione aritmetico-logica possiede tre operandi: i due registri contenenti i valori da elaborare (registri sorgente) e il registro contenente il risultato (registro destinazione) L'ordine degli operandi è fisso: prima il registro contenente il risultato dell'operazione e poi i due operandi L'istruzione assembly contiene il codice operativo e tre campi relativi ai tre operandi: OPCODE DEST, SORG1, SORG

12 Esempio: add add serve per sommare il contenuto di due registri sorgente rs e rt: add rd, rs, rt e mettere la somma del contenuto di rs e rt in rd add rd, rs, rt # rd rs + rt 23 Esempio: istruzione add Codice C: R = A + B Codice MIPS: add $s0, $s1, $s2 A in $s1 B in $s2 R in $s0 Nella traduzione da linguaggio ad alto livello a linguaggio assembly, le variabili sono associate ai registri dal compilatore 24 12

13 Esempio: sub sub serve per sottrarre il contenuto di due registri sorgente rs e rt: sub rd, rs, rt e mettere la differenza del contenuto di rs e rt in rd sub rd, rs, rt # rd rs - rt 25 Istruzioni aritmetico-logiche Il fatto che ogni istruzione aritmetica ha tre operandi sempre nella stessa posizione consente di semplificare l hardware, ma complica alcune cose Codice C: Codice MIPS: B in $s1 C in $s2 D in $s3 A in $s0 F in $s5 E in $s4 A = B + C + D E = F - A add $t0, $s1, $s2 add $s0, $t0, $s3 sub $s4, $s5, $s0 $t0 B+C $s0 B+C+D $s4 F-A 26 13

14 Istruzioni aritmetico-logiche Operazioni con un numero di operandi maggiore di tre possono essere effettuate scomponendole in operazioni più semplici Ad esempio, per eseguire la somma delle variabili B, C, D ed E nella variabile A servono tre istruzioni : Codice C: A = B + C + D + E; Codice MIPS: add $t0, $s1, $s2 add $t0, $t0, $s3 add $s0, $t0, $s4 B in $s1 C in $s2 D in $s3 E in $s4 A in $s0 27 Costanti Constanti piccole sono usate spesso (50% degli operandi) e.g., A = A + 5; B = B + 1; C = C - 18; Soluzione Mettere costanti tipiche in memoria Creare registri HW (es. $zero) per costanti speciali Istruzioni MIPS (immediate) addi $s0, $s0, 5 addi $s1, $s1, 1 addi $s2, $s2,

15 Istruzioni aritmetico-logiche addi $s1, $s2, 100 #add immediate Somma una costante: il valore del secondo operando è presente nell'istruzione come costante ed è sommata estesa in segno addu $s0, $s1, $s2 #add unsigned Evita overflow: la somma viene eseguita tra numeri senza segno addiu $s0, $s1, 100 #add immediate unsigned Somma una costante ed evita overflow Nota: C ignora overflow, quindi genera unsigned 29 Moltiplicazione Due istruzioni: mult rs rt multu rs rt # unsigned Il registro destinazione è implicito Il risultato della moltiplicazione viene posto sempre in due registri dedicati (special purpose) denominati hi (High order word) e lo (Low order word) La moltiplicazione di due numeri rappresentabili con 32 bit può dare come risultato un numero non rappresentabile in 32 bit Il risultato della moltiplicazione si preleva dal registro hi e dal registro lo utilizzando le due istruzioni: mfhi rd # move from hi to rd Sposta il contenuto del registro hi nel registro rd mflo rd # move from lo to rd Sposta il contenuto del registro lo nel registro rd 30 15

16 Divisione Due istruzioni: div rs rt #divide rs per rt divu rs rt #unsigned Come nella moltiplicazione, anche nella divisione il registro destinazione è implicito Il quoziente della divisione è posto nel registro lo, mentre il resto è posto nel registro hi 31 Moltiplicazione/divisione Start multiply, divide mult rs, rt multu rs, rt div rs, rt divu rs, rt Registers Move result from multiply, divide mfhi rd mflo rd HI ALU 64 bit LO 32 16

17 Moltiplicazione mult $t1, $t2 # t1 * t2 Il prodotto può esere ~2^64; occorrono 2 registri, 3-passi: $t $t Hi Lo mfhi $t3 mflo $t4 $t3 $t Istruzioni aritmetiche Gli operandi di una istruzione aritmetica devono risiedere nei registri I registri MIPS sono 32 Cosa succede ai programmi i cui dati richiedono più di 32 registri? Alcuni dati risiedono in memoria (Register Spilling) Servono istruzioni apposite per trasferire dati da memoria a registri e viceversa 34 17