Introduzione alla programmazione PROGRAMMAZIONE

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1 Introduzione alla programmazione PROGRAMMAZIONE 1

2 Introduzione alla programmazione Definizione Un algoritmo è una collezione ordinata di operazioni non ambigue e computabili che, una volta eseguite, producono un risultato e terminano in un tempo finito (An algorithm is a well-ordered collection of unambiguous and effectively computable operations that when executed produces a result and halts in a finite amount of time [Schneider and Gersting 1995].) Un algoritmo è una procedura passo passo con una rappresentazione finita destinata a produrre un certo risultato a partire da un dato input (eventualmente vuoto) 2

3 Introduzione alla programmazione Definizione Un programma per computer è la traduzione di un algoritmo nell'insieme delle istruzioni in linguaggio macchina che il computer è in grado di eseguire Osservazione Un calcolatore è in grado di eseguire solo istruzioni comprese nel linguaggio macchina della cpu che lo equipaggia 3

4 Introduzione alla programmazione Programmare significa: Identificare il problema da risolvere Definire un algoritmo A che risolva il problema Tradurre l'algoritmo in un testo scritto in una notazione particolare detta 'linguaggio di programmazione' producendo un programma P Partendo da P si dovrà arrivare ad una versione in linguaggio macchina eseguibile 4

5 Linguaggi di programmazione La modalità di passaggio dalla notazione del linguaggio di programmazione al linguaggio macchina sono di base due: - Compilazione - Interpretazione 5

6 Linguaggi di programmazione In linea generale qualsiasi linguaggio potrebbe essere oggetto di compilazione o interpretazione. Nondimeno ogni linguaggio è legato ad una delle due modalità di traduzione in linguaggio macchina e per questo motivo di parla di: linguaggi compilati linguaggi interpretati 6

7 Linguaggi di programmazione compilati In questo caso esiste un programma detto 'compilatore' in grado di effettuare la traduzione dalla notazione propria del linguaggio di programmazione ad una versione in linguaggio macchina specifico per la cpu disponibile (e al sistema operativo utilizzato). La traduzione in linguaggio macchina sarà oggetto di successiva esecuzione. 7

8 Linguaggi di programmazione compilati La compilazione non è un processo semplice e passa attraverso due passi fondamentali: Compilazione vera e propria nella quale il nostro pezzo di programma (potrebbe essercene più d'uno) viene tradotto in linguaggio macchina passando spesso per una versione assembler Unione (link) dei segmenti di codice macchina prodotti alle librerie standard di collegamento al kernel e al sistema operativo e ad eventuali altre librerie richieste dall'utente 8

9 Linguaggi di programmazione compilati hello.c #include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[]) { printf( Hello World!\n ); } COMPILAZIONE hello.o LINK hello INPUT OUTPUT hello.o 9

10 Linguaggi di programmazione compilati Per i programmi più semplici, scritti in una manciata di file di testo, il compilatore può occuparsi facilmente di compilazione e link in un solo passaggio, in caso di programmi più voluminosi è meglio spezzare in due il processo. La compilazione e` un'attivita` pesante, la compilazione di una parte consistente di un sistema operativo puo` durare ore. 10

11 Linguaggi di programmazione compilati Le limitazioni dei compilatori (macchinosità del processo, pesantezza computazionale) sono compensate da un grande vantaggio, il codice macchina prodotto viene eseguito più velocemente di qualsiasi altro prodotto in modo alternativo. La tecnologia dei compilatori ha anche superato la capacità di un essere umano di produrre programmi efficienti programmando direttamente in assembler. 11

12 Linguaggi di programmazione interpretati L'esecuzione di un programma scritto in un linguaggio interpretato è assicurata da un 'interprete', un programma che deve essere già presente nel sistema operativo. Un interprete, come un compilatore, accetta in input un file di testo che contiene il programma ma passa direttamente all'esecuzione senza produrre un file di output in linguaggio macchina. 12

13 Linguaggi di programmazione interpretati Un interprete esegue un programma isolando, all'interno del file di testo che ne contiene la descrizione, i comandi che descrivono l'algoritmo, isolandone uno, eseguendolo e passando al successivo. Un linguaggio interpretato opera appoggiandosi al linguaggio macchina che costituisce l'interprete stesso, senza produrne di nuovo. 13

14 Linguaggi di programmazione interpretati Il funzionamento di un interprete è molto più lento del corrispondente linguaggio compilato, anche di 100/1000 volte. Il grande vantaggio degli interpreti è la flessibilità. Un programma può essere mandato in esecuzione su qualsiasi architettura hardware/software sulla quale sia presente l'interprete appropriato e questo senza passare attraverso fasi di traduzione. Basta avere una copia del file di testo che contiene il programma 14

15 Linguaggi di programmazione interpretati La classificazione tra linguaggi interpretati e compilati non è così rigida. Esistono diverse tecniche che permettono di velocizzare l'esecuzione di un interprete, normalmente al costo di una piccola perdita di flessibilità. 15

16 Linguaggi di programmazione Tra i principali linguaggi compilati: Assembler: microprogrammazione C: programmazione di sistema Fortran: programmazione scientifica, C++: programmazione di applicazioni per l'utenza finale 16

17 Linguaggi di programmazione Tra i linguaggi interpretati possiamo annoverare: Perl: gestione di sistema e di grandi quantita` di testo scritto, ambienti web Python: scientifico, ambienti grafici, gestione di sistema Cobol: business Java: applicativo, grandi progetti Php: siti web 17

18 Linguaggi di programmazione interpretati Molti linguaggi interpretati attuano una strategia molto semplice per ovviare alla mancanza di velocità: quando un'operazione è costosa in termini di tempo si crea una nuova funzionalità dell'interprete che richiama un frammento precompilato di codice macchina che possa eseguire velocemente l'operazione desiderata. I frammenti sono poi organizzati in 'librerie' di 'funzioni' da utilizzare al bisogno. 18

19 Linguaggi di programmazione interpretati Esempio Si consideri il seguente frammento di programma: N = <un numero intero> F = ComputaFattoriPrimi(N) Visto che il calcolo dei fattori primi di un numero e` un'operazione molto pesante potremmo svilupparne una versione in C, compilarla e renderla disponibile per l'interprete 19

20 Linguaggi di programmazione interpretati L'interprete, che naturalmente è un programma precompilato, viene arricchito con nuove funzioni pre-compilate. La notazione del linguaggio interpretato deve naturalmente fornire la possibilità di richiamare le funzioni pre-compilate in modo semplice. In questo senso il Python è un esempio di chiarezza pulizia concettuale. Altri due linguaggi che seguono questo schema sono Perl e PHP. 20

21 Linguaggi di programmazione interpretati Il costo di questa soluzione è naturalmente rappresentato dalla necessità di associare all'interprete una lunga lista di librerie precompilate che funzionano solo su una particolare architettura hardware/software. 21

22 Linguaggi di programmazione interpretati #!/usr/bin/python print "hello world" INTERPRETE (PYTHON) OUTPUT INPUT 22

23 Linguaggi di programmazione interpretati E` possibile una strategia mista tra compilazione e interpretazione e l'esempio principale e` il linguaggio Java. Un programma Java deve essere compilato per l'esecuzione sulla Java Virtual Machine, che altro non e` che un interprete di bytecode. Il bytecode e` un linguaggio estremamente semplice (paragonabile all'assembler) e questo fa della JVM un interprete veloce. 23

24 Assembler L'assembler è un ausilio mnemonico per evitare di scrivere direttamente in linguaggio macchina, è il linguaggio di livello immediatamente superiore al linguaggio macchina che è il solo che la CPU intende. L'assembler è specifico per ogni CPU mappandosi le sue istruzioni negli elementi operazionali di base che la CPU fornisce.

25 Simulazione di una CPU minima Definiamo un insieme minimale di istruzioni Ogni istruzione sarà memorizzata in una cella di memoria standard da 32bit La CPU è simulata attraverso un serie di macro in linguaggio C e quindi useremo un compilatore C per arrivare all'esecuzione del programma Vedremo la rappresentazione in linguaggio macchina delle istruzioni e la loro versione in assembler.

26 La CPU simulata RAM CPU R0 DATI ALU R1 : R7 B U S C1 Cn IR PC RC La ALU riconosce la prossima istruzione e chiama il Cx dedicato Programma (in linguaggio macchina)

27 Istruzioni macchina Definiamo tre tipi di istruzioni macchina Trasferimento di dati tra la RAM e i registri della CPU: carica dalla RAM nel registro e viceversa Aritmetiche: somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione Controllo: confronto tra valori, salto condizionato in un punto del programma, fine programma.

28 Flusso del programma Le istruzioni vengono eseguite nell'ordine nelle quali sono memorizzate nella RAM. Il terzo gruppo di istruzioni (confronto tra valori e salto) permette di modificare il flusso di esecuzione e scegliere di volta in volta le istruzioni desiderate.

29 Creazione del programma Per creare il nostro programma assembler dovremo scrivere un file di testo. Il testo dovrà rappresentare le istruzioni desiderate (cioè la semantica del nostro programma) usando una specifica sintassi. Queste istruzioni saranno poi tradotte nella sintassi del linguaggio macchina dal programma compilatore del linguaggio.

30 Istruzioni di trasferimento 1/2 LAYOUT 8 bit 4 bit 20 bit CODICE-OPER. N REG. INDIRIZZO DI RAM 32 bit LOAD(REGISTRO, INDIRIZZO RAM); SINTASSI SEMANTICA Carica il valore che recupera all'indirizzo di ram dato nel registro indicato CODICE MACCHINA:

31 Istruzioni di trasferimento 2/2 LAYOUT 8 bit 4 bit 20 bit CODICE-OPER. N REG. INDIRIZZO DI RAM 32 bit STORE(REGISTRO, INDIRIZZO RAM); SINTASSI SEMANTICA Carica il valore presente nel registro dato nell'indirizzo di RAM indicato CODICE MACCHINA:

32 Istruzioni aritmetiche 1/2 Eseguono somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione usando i registri come operandi. Restituiscono il risultato nel primo dei due registri forniti. SEMANTICA LAYOUT 8 bit 4 bit 4 bit 16 bit CODICE-OPER. N REG. N REG. INUTILIZZATI 32 bit INTADD(REGISTRO,REGISTRO); FLOATDIV(REGISTRO,REGISTRO); SINTASSI

33 Istruzioni aritmetiche 2/2 INTADD FLOATADD INTSUB FLOATSUB INTMULT FLOATMULT INTDIV FLOATDIV CODICI CODICE MACCHINA: SOMMA IL CONTENUTO DEL REGISTRO R1 E R2 (CHE DEVONO CONTENERE VALORI INTERI) E RITORNA IL RISULTATO IN R

34 Istruzioni di confronto 1/2 Confrontano il contenuto di due registri R i e R j e: Se R i < R j mette '-1' nel registro RC Se R i = R j mette '0' nel registro RC Se R i > R j mette '1' nel registro RC SEMANTICA LAYOUT 8 bit 4 bit 4 bit 16 bit CODICE-OPER. N REG. N REG. INUTILIZZATI 32 bit

35 Istruzioni di confronto 2/2 INTCOMPARE FLOATCOMPARE CODICI INTCOMPARE(REGISTRO,REGISTRO); FLOATCOMPARE(REGISTRO,REGISTRO); SINTASSI CODICE MACCHINA: CONFRONTA IL CONTENUTO DEL REGISTRO R1 E R2 (CHE DEVONO CONTENERE VALORI INTERI) E RITORNA IL RISULTATO IN RC

36 Istruzioni di controllo del flusso 1/2 Permettono di saltare ad un'istruzione arbitraria e di continuare da quella istruzione l'esecuzione. Il tutto a seconda del contenuto del registro RC e quindi sulla base dell'ultima istruzione di confronto eseguita. BRLT BRNE BRLE BRGE BREQ BRGT CODICI BRANCH CODICE MACCHINA:

37 Istruzioni di controllo del flusso 2/2 LAYOUT 8 bit 4 bit 20 bit CODICE-OPER. n.a. INDIRIZZO DI RAM 32 bit SEMANTICA BRLT A: BRLE A: BREQ A: BRGT A: BRGE A: se RC=-1 pone PC=A altrimenti PC=PC+1 se RC<1 pone PC=A altrimenti PC=PC+1 se RC=0 pone PC=A altrimenti PC=PC+1 se RC=1 pone PC=A altrimenti PC=PC+1 se RC>-1 pone PC=A altrimenti PC=PC+1 BRANCH A: pone PC=A BRLT(etichetta); SINTASSI

38 Istruzione di fine programma 1/1 SEMANTICA L'istruzione termina il programma STOP; SINTASSI LAYOUT 8 bit 24 bit CODICE-OPER. n. a. 32 bit STOP CODICE

39 Esempio di linguaggio macchina Vediamo un programma in linguaggio macchina che: trasferisce il contenuto delle 2 parole della RAM di indirizzi 64 e 68 nei registri R0 ed R1. somma i contenuti dei registri R0 ed R1. trasferisce il risultato nella parola della RAM all indirizzo 60.

40 Rappresentazione in RAM RAM RAM xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 38 8 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx DATI xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Copia 64 in R0 Copia 68 in R1 Somma R0 e R1 Copia R0 in 60 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx PROGRAMMA xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx

41 Limiti del linguaggio macchina I programmi in linguaggio macchina sono difficili da capire, scrivere e modificare Il programmatore si deve occupare dei dettagli particolari del computer che sta usando, ad esempio deve posizionare le singole zone di memoria che contengono i valori in uso. L'assembler è una prima soluzione a questi problemi.

42 Vantaggi dell'assembler Al posto dei codici macchina ci sono LOAD, INTADD, FLOATCOMPARE, etc. Al posto degli indirizzi di RAM per i dati del programma useremo dei nomi. Al posto degli indirizzi di RAM useremo dei nomi per rappresentare anche le posizioni di interesse all'interno del programma. Questo semplifica la rappresentazione dei cambi di flusso del programma. Si distingue tra tipi di dati: interi e virgola mobile.

43 Riassunto delle parole chiave Trasferimento: LOAD, STORE. Aritmetiche: INTADD, INTSUB, INTMULT, INTDIV, FLOATADD, FLOATSUB, FLOATMULT, FLOATDIV. Test: INTCOMPARE, FLOATCOMPARE. Salto: BRLT, BRLE, BREQ, BRGE, BRGT, BRANCH. Terminazione: STOP. Inizio/Fine del testo del programma: BEGIN, END

44 Versione assembler BEGIN; INT Z; INT X = 38; INT Y = -1; LOAD(R0,X); LOAD(R1,Y); INTADD(R0,R1); STORE(R0,Z); END; INIZIO TESTO DEL PROGRAMMA DICHIARAZIONI DEGLI IDENTIFICATORI DEI DATI ISTRUZIONI SUI DATI FINE TESTO DEL PROGRAMMA

45 Osservazioni Il programma è più leggibile. Il programma non è direttamente eseguibile dalla CPU. La CPU è in grado di eseguire solo il linguaggio macchina, quindi serve una traduzione prima dell'esecuzione.

46 Esempio Vediamo un altro esempio che fa uso delle istruzioni di controllo del flusso. Il nostro programma dovrà: caricare due valori dalla RAM, sommarli e mettere il risultato in RAM al posto del maggiore dei due, se sono uguali non importa dove metto il risultato.

47 maggiore.c BEGIN; INT X=38; INT Y=9; LOAD(R0,X); LOAD(R1,Y); LOAD(R2,X); INTADD(R2,R1); INTCOMPARE(R0,R1); BRGE(maggiore); STORE(R2,Y); STOP; maggiore: STORE(R2,X); STOP; END; RISULTATO IN Y DICHIARAZIONE E INIZIALIZZAZIONE VARIABILI IN RAM CARICAMENTO NEI REGISTRI SOMMA R0 R1? STOP RISULTATO IN X

48 Esempio Vediamo un altro esempio che utilizza le funzioni di controllo di flusso per realizzare un ciclo. Il programma calcola la potenza di un numero dato X all'intero dato N e mette il risultato nella variabile 'POW'

49 FLOAT X=1.7; INT N=4; FLOAT POW; INT Uno=1; INT Zero=0; FLOAT Unofl=1.0; LOAD(R0, Zero); LOAD(R1, Uno); LOAD(R2, X); LOAD(R3, N); LOAD(R4, Unofl); potenza.c NO DICHIARAZIONI INIZIALIZZAZIONI & INIZIALIZZAZIONI CARICO I VALORI NEI REGISTRI TEST: R0 = R3? SI Ciclo: INTCOMPARE(R3, R0); BREQ(Esci); FLOATMULT(R4, R2); INTSUB(R3,R1); BRANCH(Ciclo); Esci: STORE(R4,POW); FLOATVIEW(POW); STOP; MOLTIPLICA R4 * R2 E RISULTATO R4 SOTTRAI R3 - R1 E RISULTATO R3 COPIA R4 IN 'POW' STAMPA 'POW' FINE

50 Il linguaggio C Il linguaggio C è il principale strumento per la programmazione dei sistemi operativi e, ormai, il linguaggio compilato per antonomasia. Altri linguaggi per essere compilati vengono prima tradotti in C e poi compilati con il compilatore di questo linguaggio (ad esempio il Fortran). 50

51 Il linguaggio C Questo è un esempio di programma C. #include <stdio.h> int main(int argc, char *argv) { printf( Hello World\n ); } 51

52 Il linguaggio C cosa si nota: 1) #include -> inclusione di una libreria esterna (le definizioni); 2) main() -> il nome convenzionale per indicare il punto di inizio delle istruzioni. 3) la notazione è organizzata per funzioni (non matematiche, sono liste di istruzioni) quella iniziale è la main(). 4) ogni funzione e` un blocco di istruzioni 52

53 Il linguaggio C Quella del C è una notazione particolarmente stringente come accade spesso nei linguaggio compilati. Vediamo adesso un esempio semplice di come un frammento di codice C viene tradotto in assembler. NB: è possibile chiedere al compilatore C di produrre l'assembler al posto del linguaggio macchina. 53

54 Il linguaggio C partiamo da il programma più semplice possibile: int sum(int x, int y) { return x+y; } analizziamone l'assembler prodotto. 54

55 Traduzione in assembler.lfb0:.cfi_startproc pushq %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register 6 movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) movl -8(%rbp), %eax movl -4(%rbp), %edx addl %edx, %eax popq %rbp.cfi_def_cfa 7, 8 ret.cfi_endproc 55

56 Usare il compilatore C Il testo del programma in codice C questo dovrà essere memorizzato in un file con nome che finisce in '.c'. Ad esempio 'mioprogramma.c' Il comando per ottenere un programma di nome 'mioprogramma' è: prompt$ cc -o mioprogramma mioprogramma.c 56

57 Avviare il nostro programma Per avviare il nostro programma in teoria basterebbe digitarne il nome sulla shell: prompt$ mioprogramma in realtà l'esecuzione funziona in questa maniera solo se il programma sta in ben specificate directory e la nostra non è compresa. Il comando diventa allora: prompt$./mioprogramma 57