Laboratorio di Architettura lezione 5. Massimo Marchiori W3C/MIT/UNIVE

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1 Laboratorio di Architettura lezione 5 Massimo Marchiori W3C/MIT/UNIVE

2 Da Alto a Basso livello: compilazione Come si passa da un linguaggio di alto livello a uno di basso livello? Cioe a dire, come lavora un compilatore, che effettivamente traduce un linguaggio in linguaggio macchina?

3 Alto Livello Come esempio di passaggio da alto a basso livello, useremo il linguaggio di programmazione C Per chi non fosse familiare col C, ricordo i puntatori presenti su

4 Metodologia di Programmazione Mosteremo una possibile compilazione da C a linguaggio macchina utile concettualmente evidenzia man mano le differenze tra alto e basso livello, cosa avviene veramente nella macchina programmi piu efficienti e veloci

5 Programmi C Sono fatti da istruzioni che manipolano variabili Esempio: a = b+c ; if (a<d) e=32;

6 Istruzioni Intuitivamente, e ovvio che avremo un modo per simulare le istruzioni in linguaggio macchina Ad esempio, per simulare a=b+c; useremo la add in assembly

7 Variabili Ma l altro punto cruciale da considerare e come si rappresentano le variabili in linguaggio macchina Cioe, come rappresento a, b, c per poi eseguire a=b+c?

8 C e Linguaggio Macchina Mentre il C ha istruzioni e variabili Il linguaggio macchina ha istruzioni e memoria (interna ed esterna) quindi, dovremo trovare una adeguata rappresentazione delle variabili in memoria

9 Variabili e Memoria La memoria si distingue in interna (registri) ed esterna (semplicemente memoria ) I registri sono in numero fisso, mentre la memoria e potenzialmente illimitata Siccome anche il numero di variabili in un programma, in generale, non e fisso la scelta naturale e di mettere i valori delle variabili in memoria

10 Variabili Memoria Quindi, per ogni variabile del programma, ad esempio a, b, c Avremo una corrispondente posto in memoria: a 200 b 360 c 380 Ma

11 Differenze: Tipi di Dato In linguaggi tipo il C, ci sono diversi tipi di dato: interi (singola, doppia, quadrupla precisione), stringhe, reali (floating point) eccetera Ognuno di questi tipi ha una certa taglia se espresso in bits (ad esempio, intero singolo: 8; reali: 32 o 64; stringhe: 8*(lunghezza della stringa)+1

12 Tipi di Dato in Linguaggio Macchina Mentre la taglia di un dato e abbastanza trasparente all utente in linguaggi di alto livello (tipo il C) in linguaggio macchina ogni cosa deve essere esplicitata, e quindi bisogna avere la taglia di ogni tipo di dato, e avere abbastanza celle di memoria per ogni variabile di quel tipo

13 Esempi In C, variabili a, b, c di tipo intero double (32 bits) Si deve assegnare a ogni variabile lo spazio corrispondente in memoria Esempio: a 200,,203 (4 bytes, 32 bits) b 360,,363 (4 bytes, 32 bits) c 380,,383 (4 bytes, 32 bits)

14 Taglie piccole e grandi Nell esempio precedente, eravamo fortunati perche la taglia era giusto 32 bits (4 bytes) nessun problema col principio di allineamento Ma, in generale, le taglie possono essere varie una scelta possibile e di arrotondare sempre in eccesso a multipli di 4, per non avere problemi

15 Esempio In C: if (valore==true) Dove valore e una variabile booleana in principio, basta un bit, o un byte per non avere problemi, possiamo prenderci 4 byte in memoria: valore 500,, 503 (anche se useremo solo un bit di 500)

16 POSSIBILITA Ovviamente, ci sono infinite possibilita quando si esegue la compilazione A noi, interessa solo la correttezza della compilazione Ma in generale, contano anche compattezza e velocita (spazio e tempo) Quindi magari usare 4 bytes per un bit puo essere troppo dispendioso

17 Semplice Compilazione In C: a = b+c; Mappatura delle variabili (double): a 100,, 103 b 104,, 107 c 108,, 112 Vorremmo poter fare in assembly: add mem100, mem104, mem108

18 Ma. add funziona con registri, non con memoria esterna occorrera prima passare i valori delle variabili da memoria a registri (LOAD), fare le operazioni che vogliamo, e poi rimetterle in memoria (STORE)

19 Semplice Compilazione (2) Volevamo poter fare in assembly: add mem100, mem104, mem108 lw $t0, 104 # carica b in t0 lw $t1, 108 # carica c in t1 add $t2,$t0,$t1 # mette la #somma in t2 sw $t2, 100 # mette t2 in a

20 ATTENZIONE Ricordarsi che in assembly il nome del registro va preceduto con $ Quindi, add $t2,$t0,$t1 E NON add t2,t0,t1 Vedremo in seguito perche NOTA: Non e cosi in generale per tutti gli assembly.

21 Ricapitolando In C: a = b+c; Si puo tradurre (data la mappatura a 100,, 103 b 104,, 107 c 108,, 111 ) Con: lw $t0, 104 # carica b in t0 lw $t1, 108 # carica c in t1 add $t2,$t0,$t1 # mette la somma in t2 sw $t2, 100 # mette t2 in a

22 Numeri In C: a = 24 Usiamo un registro speciale, zero, che ha sempre il valore zero In assembly: addi $t0,$zero,24 # metti 0+24 in t0 sw $t0, 100 # metti t0 in a Naturalmente, ci sono molti altri modi per inserire un numero provate.

23 Arrays in C In C: int A[19]; e un modo compatto per avere 20 variabili int in un colpo solo: A[0], A[1],, A[19] Il vantaggio e che possiamo usare un espressione come indice (variabile parametrica): A[x]

24 Arrays in Linguaggio Macchina A[19]: int puo essere mappato come 20 variabili int consecutive: A[0] 200,, 203 A[1] 204,, 207. L indirizzo in memoria di A[x] e allora 200 (indirizzo di A[0], la base) + 4*x

25 Esempio In C: b = A[c] Diventa in assembly (ad esempio): addi $t0,$zero,200 # indir. di A[0] in t0 lw $t0,108 # carica c in t0 addi $t1,$zero,4 # metti 4 in t1 mult $t0,$t1 # calcola 4*c mflo $t2 # mettilo in t2 add $t3,$t0,$t2 # indir. di A[c] in t3 lw $t4,$t3 # A[c] in t4 sw $t4,104 # A[c] in b

26 Attenzione! In C: b = A[c] La traduzione comincia con addi $t0,$zero,200 # indir. di A[0] in t0 L ERRORACCIO e invece usare: lw $t0, 200

27 MODULARITA Questo modo di compilare e modulare, nel senso che eseguite la traduzione di una istruzione, poi di un altra e cosi via Vantaggi: semplicita Svantaggi: efficienza nella pratica, il compilatore esegue le cosiddette ottimizzazioni del codice

28 Inefficienza Esempio, in C: a = b+c; d = a; Mappatura: a 100,, 103 b 104,, 107 c 108,, 111 d 112,, 115

29 Tradurre a=b+c; d=a; Traduzione in assembly: # traduz. di a=b+c lw $t0,104 # carica b in t0 lw $t1,108 # carica c in t1 add $t2,$t0,$t1 # mette la somma in t2 sw $t2,100 # mette t2 in a lw $t0,100 sw $t0,108 # traduz. di d=a # carica a in t0 # mette t0 in d

30 Ma sw $t2,100 # mette t2 in a # traduz. di d=a lw $t0,100 # carica a in t0 sw $t0,108 # mette t0 in d abbiamo gia a ottimizzare!: sw $t2,100 # mette t2 in a # traduz. di d=a sw $t2,108 # mette t2 in d

31 Efficienza I registri sono molto piu veloci qualche variabile che viene usata spesso, se c e spazio, si puo tenere in un registro La mappatura delle variabili e in memoria, l unico motivo per non mappare nei registri e solo che ce ne sono pochi In C, c e addirittura la dichiarazione register proprio per questo (!)

32 Esempio di allocazione register In C:. a = b+d+a*3+(3/a a/2 + a*a*3.14) b = a/2 c = a+a*a + 1/(a-2) Quindi, se c e spazio, conviene mappare a in un registro: a s0 b 200,, 203 c 204,, 207

33 NOTA: register in pratica I compilatori C sono ora cosi bravi nell eseguire traduzioni efficienti, che di solito riescono non solo a decidere loro se mettere le variabili in qualche registro, ma addirittura se ne fregano delle vostre dichiarazioni register.. (!) male non fa, ma non vi preoccupate di questo quando scrivete in C

34 OTTIMIZZAZIONI I casi reali sono molto piu complessi Il problema generale che il compilatore ha e massimizzare il numero di valori che tiene nei registri (veloci), e minimizzare gli accessi alla memoria esterna (lenta)

35 Esempio Scenario: un solo registro per le ottimizzazioni In C:. a = b+d+a*3+(3/a a/2 + a*a*3.14) b = a/2 c = a+a*a + 1/(a-2) d = d-d*[(2-d)*(3+d)+2]/(d-3) e = d*d+(1/d) f = d/(3+d+d*d) Cosa ottimizzo, a oppure d????

36 PARALLELLISMO Esempio 1: f Esempio 2: sf

37 OVVIA SOLUZIONE (linguaggio macchina) La mappa delle variabili non deve necessariamente essere fissa puo variare a seconda del contesto a = b+d+a*3+(3/a a/2 + a*a*3.14) b = a/2 c = a+a*a + 1/(a-2) d = d-d*[(2-d)*(3+d)+2]/(d-3) e = d*d+(1/d) f = d/(3+d+d*d) Nel primo caso, ottimizzo a, nel secondo d

38 TEORIA DELLE OTTIMIZZAZIONI Vedremo in seguito (cenni) di teoria delle ottimizzazioni ad alto livello interessante perche questi concetti astratti non sono limitati solo al linguaggio macchina, ma a moltissimi altri campi!