Lezione 2. Architetture HW e SW

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1 Lezione 2 Architetture HW e SW Cristina SILVANO Politecnico di Milano, Dipartimento di Elettronica e Informazione P.za L. Da Vinci 32, I Milano (Italy) Ph.: silvano@elet.polimi.it Web site: Architettura di riferimento dei calcolatori (Architettura di Von Neumann ) CPU Memoria principale Memoria di massa Interfaccia di I/O Periferiche Interfaccia di I/O Bus dati indirizzi controllo Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 2 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 1

2 Architettura di riferimento dei calcolatori (Architettura di Von Neumann ) Elementi principali di un calcolatore: Unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit - CPU) o processore Memoria di lavoro o memoria principale (Main Memory - MM) Interfacce per i dispositivi di Input/Output - I/O: memoria di massa (di solito dischi magnetici) periferiche (tastiera, monitor, mouse, modem, stampanti, ecc.) Bus di sistema (Bus dati, bus indirizzi, bus di controllo) Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 3 Unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit - CPU) La CPU (o processore) provvede ad eseguire le istruzioni che costituiscono i diversi programmi elaborati dal calcolatore. Le istruzioni, insieme ai dati cui fanno riferimento, si trovano nella memoria principale e vengono trasferite alla CPU passando attraverso il bus. La CPU deve quindi prelevare le istruzioni dalla memoria (fase di fetch) per eseguirle. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 4 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 2

3 Unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit - CPU) La CPU non è in grado di elaborare direttamente i dati contenuti nella memoria principale, opera su dati che si trovano all interno di appositi elementi di memorizzazione (registri) contenuti all interno della CPU. Il tempo di accesso ai registri è circa 10 volte più veloce del tempo di accesso alla memoria principale. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 5 Unità centrale di elaborazione (Central Processing Unit - CPU) Per effettuare un operazione su dati contenuti in memoria, è necessario: Trasferire i dati dalla memoria ai registri del processore; Effettuare l operazione utilizzando i registri Trasferire il risultato in memoria. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 6 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 3

4 Esempio Consideriamo un processore dotato di 2 registri R1 e R2. Vogliamo calcolare la somma dei valori contenuti in 2 locazioni di memoria a e b e mettere il risultato in una locazione c: c = a + b Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 7 Esempio Le operazioni da compiere sono: Copia il contenuto della parola di memoria di indirizzo a nel registro R1 Copia il contenuto della parola di memoria di indirizzo b nel registro R2 Somma il contenuto dei registri R1 e R2 e poni il risultato in R1 Copia il contenuto del registro R1 nella parola di memoria di indirizzo c. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 8 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 4

5 Interfaccia processore-memoria Dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che permette sia la scrittura che la lettura. I contenuti della memoria sono referenziati in base alla loro posizione (indirizzo) in memoria, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione contenuto. Le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 9 Interfaccia processore-memoria CPU MAR BUS indirizzi Memoria PC ALU IR MDR dati R 0 R 1 R n-1 CNTR controllo Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 10 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 5

6 Elementi principali della CPU Registro Program Counter (PC) registro contatore di programma per memorizzare l indirizzo di memoria dell istruzione che si sta eseguendo. Durante l esecuzione di un istruzione, il contenuto del PC viene aggiornato con l indirizzo dell istruzione successiva da eseguire (che deve essere prelevata dalla memoria); Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 11 Elementi principali della CPU Banco di registri (Register File) ad accesso rapido, per memorizzare temporaneamente gli operandi adoperati nelle istruzioni. Il banco di registri contiene n registri ad uso generale R 0, R 1,, R n-1 General-Purpose Registers. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 12 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 6

7 Elementi principali della CPU Unità per l esecuzione delle istruzioni aritmeticologiche (Arithmetic Logic Unit - ALU). I dati forniti all ALU provengono dai registri del Register File. I risultati in uscita dall ALU vengono memorizzati nel Register File. Unità aggiuntive per elaborazioni particolari, ad esempio unità aritmetiche per eseguire le istruzioni in virgola mobile (Floating Point Unit FPU), che sono utilizzate per elaborare numeri reali. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 13 Elementi principali della CPU Unità di controllo (Control Unit) per coordinare le operazioni svolte da tutti gli elementi della CPU. Registro di controllo (Control Register) per memorizzare lo stato relativo alle istruzioni svolte. I trasferimenti di ingresso/uscita e i trasferimenti di dati/istruzioni tra processore e memoria sono coordinati dall unità di controllo tramite segnali di controllo e di temporizzazione. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 14 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 7

8 Elementi principali della CPU IR Instruction Register: registro delle istruzioni per memorizzare l istruzione che il processore sta eseguendo (istruzione corrente). MAR Memory Address Register: registro degli indirizzi della memoria per memorizzare l indirizzo della posizione della memoria principale in cui o da cui i dati o istruzioni devono essere trasferiti. MDR Memory Data Register: registro dei dati della memoria per memorizzare i dati che devono essere scritti in memoria o letti dalla memoria e le istruzioni lette dalla memoria nella locazione indicata dall indirizzo specificato. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 15 Ciclo di esecuzione di un istruzione Prelievo istruzione Decodifica Prelievo operandi Esecuzione Memorizzazione risultati Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 16 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 8

9 Esecuzione delle istruzioni Istruzioni e dati risiedono nella memoria principale, dove sono stati caricati attraverso un unità di ingresso. L esecuzione di un programma inizia quando il registro PC punta alla prima istruzione del programma. Il contenuto del PC viene trasferito nel MAR e un segnale di controllo per la lettura (READ) viene inviato alla memoria. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 17 Esecuzione delle istruzioni Trascorso il tempo necessario all accesso in memoria, la parola indirizzata (in questo caso la prima istruzione del programma) viene letta dalla memoria e trasferita nel registro MDR. Il contenuto del registro MDR (istruzione) viene trasferito nel registro IR. L istruzione contenuta nel registro IR viene decodificata. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 18 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 9

10 Esecuzione delle istruzioni Se l istruzione deve essere svolta dall unità aritmeticologica è necessario recuperare gli operandi richiesti, che possono risiedere nei registri di uso generale oppure in memoria. Se un operando (o entrambi) risiede in memoria, deve essere prelevato caricando l indirizzo dell operando nel registro MAR e attivando un ciclo di READ della memoria. L operando letto dalla memoria viene posto nel registro MDR per essere trasferito alla ALU, che esegue l operazione. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 19 Esecuzione delle istruzioni Il risultato dell operazione può essere memorizzato nei registri ad uso generale oppure in memoria. Se il risultato dell operazione deve essere posto in memoria, l indirizzo della posizione di memoria in cui scrivere il risultato viene caricato nel registro MAR e si attiva un ciclo di scrittura (WRITE) della memoria. Il risultato da scrivere in memoria viene caricato nel registro MDR. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 20 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 10

11 Esecuzione delle istruzioni Mentre viene eseguita un istruzione, il contenuto del PC viene incrementato in modo da puntare alla prossima istruzione da eseguire. Non appena è terminata l esecuzione dell istruzione corrente, si preleva l istruzione successiva dalla memoria. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 21 Registri e variabili Il numero dei registri ad uso generale (ad esempio 32 registri da 32 bit ciascuno) non è sufficientemente grande da consentire di memorizzare tutte le variabili di un programma. Ad ogni variabile viene assegnata una locazione di memoria nella quale trasferire il contenuto del registro quando questo deve essere utilizzato per contenere un altra variabile. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 22 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 11

12 Architetture LOAD/STORE Architetture LOAD/STORE: gli operandi dell ALU possono provenire soltanto dai registri ad uso generale contenuti nella CPU e non possono provenire dalla memoria. Sono necessarie apposite istruzioni di: caricamento (LOAD) dei dati da memoria ai registri; memorizzazione (STORE) dei dati dai registri alla memoria. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 23 Interruzioni Oltre a trasferire dati/istruzioni tra memoria e processore, il calcolatore acquisisce dati dai dispositivi di ingresso e invia dati ai dispositivi di uscita attraverso apposite istruzioni che gestiscono i trasferimenti di I/0. Il normale flusso di esecuzione di un programma può essere interrotto da un segnale di interruzione (INTERRUPT) per una richiesta di intervento che un dispositivo di I/O manda al processore. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 24 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 12

13 Memoria Principale Compito principale: contenere istruzioni e dati dei programmi in esecuzione. Caratteristiche fondamentali sono la dimensione complessiva (esempio 256 MByte) e la velocità di accesso. Suddivisa in elementi (parole o word) che possono essere letti o scritti con una singola operazione di lettura/scrittura della memoria. Nei calcolatori più recenti la dimensione della parola va da 32 bit a 128 bit (da 4 a 16 Byte). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 25 Memoria Principale In genere, la dimensione della parola di memoria coincide con la dimensione dei registri contenuti nella CPU, in modo da poter caricare una parola di memoria in un registro della CPU. Se anche il bus dati è largo come la parola di memoria, le operazioni di load/store avvengono con una singola operazione. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 26 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 13

14 Memoria Principale Le memorie in cui ogni locazione può essere raggiunta in un breve e prefissato intervallo di tempo misurato a partire dall istante in cui si specifica l indirizzo desiderato, vengono chiamate memorie ad accesso casuale (Random Access Memory RAM) Nelle RAM il tempo di accesso alla memoria (tempo necessario per accedere ad una parola di memoria) è fisso e indipendente dalla posizione della parola alla quale si vuole accedere. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 27 Indirizzi nella memoria principale La memoria è organizzata in parole o word composte da n-bit che possono essere caricate e memorizzate con una singola operazione di lettura/scrittura della memoria. (n è chiamata lunghezza di parola, tipicamente da 16 a 64 bit). Ogni parola di memoria è associata ad un indirizzo composto da k-bit. I 2 k indirizzi (corrispondenti a 2 k parole ) costituiscono lo spazio di indirizzamento del calcolatore. Ad esempio un indirizzo composto da 32-bit genera uno spazio di indirizzamento di 2 32 o 4G parole. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 28 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 14

15 Indirizzi nella memoria principale Indirizzo 0 1 i 2 k -1 n-bit b n-1.. b 1 b 0 Parola Parola 0 Parola 1 Parola i Parola2 k -1 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 29 Bus di sistema Permette la comunicazione tra le diverse unità del calcolatore ed è generalmente composto da tre parti: Bus dati, comprende le linee per trasferire dati e istruzioni da/verso la memoria. In generale, la dimensione del bus dati è tale da garantire il trasferimento contemporaneo di una o più parole di memoria; Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 30 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 15

16 Bus di sistema Bus indirizzi, su cui la CPU provvede a trasmettere l indirizzo della parola di memoria da cui prelevare il dato nel caso di lettura dalla memoria, oppure in cui depositarlo nel caso di scrittura nella memoria; Bus di controllo, dove transitano le informazioni ausiliarie per la corretta definizione delle operazioni da compiere (per esempio l indicazione che si vuole effettuare una lettura piuttosto che una scrittura) e per la sincronizzazione tra CPU e memoria. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 31 Bus di sistema Esempio: Operazione di lettura dalla memoria. La CPU fornisce l indirizzo della parola desiderata sul bus indirizzi, quindi viene richiesta l operazione di lettura attivando il bus di controllo. Quando la memoria ha completato la lettura della parola richiesta, il dato viene trasferito sul bus dati e la CPU può prelevarlo ed utilizzarlo nelle sue elaborazioni. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 32 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 16

17 Architettura dell insieme delle istruzioni (ISA) Software ISA Hardware Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 33 Architettura dell insieme delle istruzioni (ISA) Rappresenta un astrazione molto importante. Costituisce l interfaccia tra hardware e software di basso livello Fornisce uno standard per le istruzioni Esempi di moderne architetture di insiemi di istruzioni: 80x86/Pentium, MIPS Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 34 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 17

18 Architettura dell insieme delle istruzioni (ISA) Ogni architettura di processore ha il suo insieme delle istruzioni. L architettura di un sistema è definita dal suo ISA (Instruction Set Architecture) Due processori con lo stesso ISA hanno la stessa architettura anche se le implementazioni hardware possono essere diverse. ISA consente di accedere direttamente alle risorse hardware di un calcolatore Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 35 Insieme delle istruzioni (Instruction Set) Le istruzioni comprese nell Instruction Set di ogni calcolatore possono essere classificate nelle seguenti quattro categorie: Istruzioni di trasferimento da/verso la memoria (load/store); Istruzioni aritmetico-logiche; Istruzioni di salto per il controllo del flusso di programma; Istruzioni di trasferimento in ingresso/uscita (I/O). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 36 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 18

19 Istruzioni di load/store Per eseguire un istruzione, essa deve essere trasferita dalla memoria alla CPU. Operandi e risultati delle istruzioni devono essere trasferiti tra memoria e CPU. Necessarie due modalità di trasferimento di dati/istruzioni tra memoria e registri della CPU : load (caricamento) store (memorizzazione) Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 37 Istruzione di load L istruzione di load trasferisce una copia dei dati contenuti in una specifica locazione di memoria ai registri della CPU, lasciando inalterata la parola di memoria: load R1, a # R1 [a] La CPU invia l indirizzo della locazione desiderata alla memoria e richiede un operazione di lettura del suo contenuto. La memoria effettua la lettura dei dati memorizzati all indirizzo specificato e li invia alla CPU che li carica nel registro specificato nell istruzione. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 38 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 19

20 Istruzione di store L istruzione di store trasferisce una parola di informazione dai registri della CPU ad una specifica locazione di memoria, sovrascrivendo il contenuto precedente di quella locazione: store R1, c # [c] R1 La CPU invia l indirizzo della locazione desiderata alla memoria, assieme con i dati che vi devono essere scritti e richiede un operazione di scrittura La memoria effettua la scrittura dei dati all indirizzo specificato Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 39 Istruzioni aritmetico-logiche In genere, un istruzione aritmetico-logica possiede tre operandi: i due contenitori dei valori da elaborare (operandi sorgente); il contenitore del risultato (operando destinazione). L istruzione contiene tre campi relativi ai tre operandi: add R1, R1, R2 # R1 R1 + R2 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 40 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 20

21 Esempio precedente: c = a + b load R1, a load R2, b add R1, R1, R2 store R1, c # R1 [a] # R2 [b] # R1 R1 + R2 # [c] R1 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 41 Istruzioni di salto Le istruzioni di salto permettono di modificare l ordine sequenziale delle istruzioni. E possibile associare ad un istruzione un etichetta (label) da utilizzare nelle istruzioni di salto, ad esempio: L1: load R1, a # R1 [a] Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 42 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 21

22 Istruzioni di salto Esistono due diversi tipi di istruzioni di salto: Salto incondizionato (JUMP): il salto viene sempre eseguito. Salto condizionato (BRANCH): il salto viene eseguito o no a seconda del valore di una condizione specificata. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 43 Istruzioni di salto incondizionato Ad esempio, l istruzione jump L1 fa proseguire l esecuzione dall istruzione corrispondente all etichetta L1. Esempio: jump L1 # go to L1 istruzioni saltate L1: load R1, a # R1 [a] load R2, b # R2 [b] add R1, R1, R2 # R1 R1 + R2 store R1, c # [c] R1 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 44 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 22

23 Istruzioni di salto condizionato Ad esempio, l istruzione branch on equal: beq R1,zero,L1 permette di decidere quale sia la prossima istruzione da eseguire, in base al valore contenuto nel registro R1: se R1 contiene il valore zero, l esecuzione prosegue dall istruzione corrispondente all etichetta L1; se R1 contiene un valore diverso da zero, l esecuzione prosegue con l istruzione successiva. beq R1, zero, L1 # salta a L1 se R1 == zero Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 45 Esempio load R1, a # R1 [a] load R2, b # R2 [b] sub R1, R1, R2 # R1 R1 R2 beq R1, zero, alfa # se R1 == zero salta a alfa load R1, a # R1 [a] add R1, R1, R2 # R1 R1 + R2 alfa: store R1, c # [c] R1 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 46 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 23

24 Risultato: Esempio pongo nella locazione di memoria di indirizzo c la somma dei valori contenuti agli indirizzi di memoria a e b, nel caso essi siano diversi; pongo nella locazione di memoria di indirizzo c il valore zero, nel caso essi siano uguali. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 47 Linguaggio assembly Il linguaggio assembly è costituito dalle istruzioni elementari viste finora composte da codici mnemonici (es. load, store, add), registri e locazioni di memoria. I codici mnemonici sono associati alle istruzioni macchina (istruzioni che la macchina è in grado di comprendere). Il linguaggio assembly è una rappresentazione simbolica del linguaggio macchina. Linguaggio assembly è più comprensibile del linguaggio macchina in quanto utilizza simboli invece che sequenze di bit Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 48 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 24

25 Linguaggio assembly Rispetto ai linguaggi ad alto livello (es: C, Pascal, Java, ecc.), 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. Vero e proprio linguaggio di programmazione che fornisce la visibilità diretta sull hardware. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 49 Fase di compilazione da linguaggio ad alto livello ad assembly Programma in linguaggio ad alto livello (C) c = a + b Compilatore Programma in linguaggio assembly load R1, a load R2, b add R1, R1, R2 store R1, c Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 50 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 25

26 Assembly come linguaggio di programmazione Principali vantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Ottimizzazione delle prestazioni. Massimo sfruttamento delle potenzialità dell'hardware sottostante. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 51 Assembly come linguaggio di programmazione Principali svantaggi della programmazione in linguaggio assembly: Le strutture di controllo hanno forme limitate Necessario conoscere i dettagli dell architettura del processore utilizzato Mancanza di portabilità dei programmi su macchine diverse, poiché ogni processore ha un proprio linguaggio assembly. Maggiore lunghezza, difficoltà di comprensione, facilità d errore rispetto ai programmi scritti in un linguaggio ad alto livello Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 52 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 26

27 Linguaggio macchina Linguaggio di programmazione direttamente comprensibile dalla macchina Per indicare le istruzioni, i registri e le locazioni di memoria utilizza l alfabeto binario (ad esempio una sequenza composta da 16 bit). Il codice operativo identifica il tipo di istruzione (load, add, ecc.) mentre gli operandi indicano gli indirizzi dei registri o delle locazioni di memoria dove recuperare i dati su cui operare (operandi sorgente) o dove copiare i risultati (operandi destinazione). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 53 Esempio Struttura istruzione Linguaggio assembly Linguaggio macchina Codice operativo add Operando destinazione R1 001 Operando sorgente 1 R1 001 Operando sorgente 2 R2 010 Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 54 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 27

28 Fase di compilazione da assembly a linguaggio macchina Programma in linguaggio assembly load R1, a load R2, b add R1, R1, R2 store R1, c Assembler Programma in linguaggio macchina Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 55 Linguaggi ad alto livello Per superare gli svantaggi della programmazione in linguaggio assembly e in linguaggio macchina, sono stati introdotti i linguaggi ad alto livello, in modo da facilitare la programmazione e renderla indipendente dalle caratteristiche peculiari della macchina utilizzata. Sono pensati non per essere compresi direttamente da macchine reali, ma da macchine astratte, in grado di effettuare operazioni più ad alto livello, rispetto alle operazioni elementari dei processori reali. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 56 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 28

29 Linguaggi ad alto livello L attività di programmazione viene svincolata dalla conoscenza dei dettagli architetturali della macchina utilizzata (ad esempio il numero di registri interni alla CPU). Per poter eseguire su una macchina reale un programma scritto in un linguaggio ad alto livello è necessario tradurlo nel linguaggio della macchina utilizzata. Questa operazione di traduzione viene eseguita in modo automatico in due fasi successive. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 57 Compilazione Nella prima fase, il programma scritto in un linguaggio ad alto livello viene tradotto nel linguaggio assembly utilizzando appositi programmi detti compilatori. Dopo la fase di compilazione, il programma scritto in linguaggio assembly viene tradotto in linguaggio macchina utilizzando appositi programmi detti assemblatori (assembler). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 58 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 29

30 Programma in linguaggio ad alto livello (C) c = a + b Compilatore Programma in linguaggio assembly load R1, a load R2, b add R1, R1, R2 store R1, c Assembler Programma in linguaggio macchina Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 59 Compilazione Nel seguito, con il termine compilazione si indica l intero processo di traduzione da linguaggio ad alto livello a linguaggio macchina (essendo l assemblatore spesso integrato con il compilatore). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 60 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 30

31 Compilazione Un compilatore C per una macchina X, è un programma che riceve in ingresso un programma P scritto in linguaggio C, e genera in uscita un programma P scritto nel linguaggio della macchina X (equivalente a P) cioè tale che le esecuzioni di P e di P sugli stessi dati in ingresso producano gli stessi risultati. Un programmatore che conosca il linguaggio C e che disponga di un compilatore C per la macchina X può scrivere programmi da eseguire su X, senza conoscerne il linguaggio macchina. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 61 Compilazione Disponendo inoltre di un compilatore C per un altra macchina Y, lo stesso programma P scritto in C può essere fatto eseguire da Y, senza doverlo riscrivere da zero, come succedeva invece programmando in linguaggio macchina. In pratica il programmatore scrive il proprio programma in un linguaggio ad alto livello facendo riferimento ad una macchina astratta (la macchina C). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 62 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 31

32 Compilazione Grazie alla compilazione, un programma per la macchina C può essere tradotto automaticamente in un programma per una macchina reale. La conoscenza del linguaggio macchina è necessaria solo per costruire il compilatore. Una variante dei compilatori sono gli interpreti. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 63 Interpreti Un interprete è un programma che simula direttamente una macchina astratta. Invece di effettuare la traduzione di P, un interprete C legge ogni istruzione contenuta nel programma P, ed effettua immediatamente, utilizzando la macchina X, le operazioni corrispondenti all istruzione letta. In pratica, la traduzione dell intero programma prima dell esecuzione, viene sostituita dalla traduzione simultanea, con esecuzione immediata di ciascuna istruzione. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 64 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 32

33 Strumenti di supporto Nella fase di stesura di un programma, si utilizza un editor (un programma che permette di scrivere testi) per scrivere in un file il testo (detto programma sorgente) del programma nel linguaggio ad alto livello e memorizzarlo su disco. Il programma sorgente viene fornito in ingresso al compilatore che lo traduce nel codice oggetto, scritto in linguaggio macchina, memorizzato su disco. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 65 Strumenti di supporto Il linker (collegatore) ha il compito di collegare tra loro i vari moduli che costituiscono lo stesso programma: è infatti possibile suddividere il programma sorgente su più file, che vengono compilati separatamente creando diversi file oggetto, ed è anche possibile utilizzare funzioni di libreria. Il linker collega tra loro i file contenenti il codice oggetto dei vari moduli che costituiscono un programma, unendovi anche il codice delle funzioni di libreria utilizzate, producendo un file contenente il codice eseguibile, memorizzato su disco. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 66 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 33

34 Strumenti di supporto Il codice eseguibile può essere a questo punto caricato in memoria principale dal loader per l esecuzione. La CPU esegue il programma, una istruzione per volta. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 67 Errori Durante la compilazione di un programma si possono riscontrare errori di sintassi. In questo caso, prima di passare alle fasi successive, è necessario correggere il testo del programma sorgente utilizzando l editor. Dopo che il programma sorgente viene compilato senza errori, si può richiamare il linker. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 68 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 34

35 Errori Durante la fase di linking si possono verificare diversi tipi di errori, ad esempio la mancanza di uno o più moduli del programma o l utilizzo scorretto di funzioni di libreria. Durante la fase di esecuzione del codice possono verificarsi diversi tipi di errore, ad esempio un operazione di divisione darà errore se il divisore vale zero. (Si noti che gli errori di esecuzione possono dipendere dai dati in ingresso). Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 69 Errori L assenza di errori in esecuzione non implica che il programma sia corretto: il programma potrebbe produrre risultati diversi da quelli aspettati, cioè svolgere una funzione diversa da quella per cui è stato creato. E necessaria un approfondita fase di verifica (debugging) che ha come obiettivo quello di verificare che il programma sia corretto rispetto alle specifiche di progetto. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 70 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 35

36 Errori Il debugger è uno strumento utile in questa fase per permettere di osservare passo passo l andamento dell esecuzione di un programma. Sono in genere disponibili ambienti integrati per lo sviluppo di programmi (IDE: Integrated Development Environment) in cui i diversi strumenti di supporto (editor, compilatore, linker, ecc.) sono tra loro integrati. Corso Informatica A - Allievi Gestionali - prof. C. Silvano 71 Corso Informatica A Allievi Gestionali prof. C. Silvano 36