fetch-decode-execute - PUC-Rio

Software Básico (INF1612)
2008.2
http://www.inf.puc-rio.br/~inf1612
Turma 3WA – Roberto Ierusalimschy
([email protected])
Turma 3WB – Markus Endler
([email protected])
Material básico de referência
• Computer Systems, A
Programmer's Perspective.
Randal Bryant and David
O'Hallaron. Prentice Hall.
2003. (CS:APP)
• Resumos, slides e
exercícios no site do curso
http://www.inf.puc-rio.br/~inf1612
Critério de avaliação
• Cada Grau é calculado como a média
geométrica de uma prova (peso 2) e um
trabalho (em dupla)
– G1 = (P1^2 x T1)^{1/3}
– G2 = (P2^2 x T2)^{1/3}
• M = (G1 + G2)/2
– Se G1 e G2 ≥ 3.0 e M ≥ 6.0, M é a nota final
(NF)
– Caso contrário:
• NF = (G1+G2+2xPF)/4
Objetivo do curso
• Entender em profundidade como funciona um
computador típico, como visto pelo nível de
Linguagem de Montagem e pela Linguagem de
Máquina.
• Próximo do que seria um curso de “Arquitetura
de Computadores”, mas focando no
programador, e não no projetista de
computadores
– Conhecendo mais sobre o que está “por baixo” do
programa, você pode escrever programas mais
eficientes e confiáveis.
Semanalmente: aula teórica (2ª) e aula de
laboratório (4ª feira).
Hierarquia de abstrações em um
sistema de computação
Programa “final”
do usuário
Aplicações:
jogos, editores de
texto, sistemas
bancários, etc.
Escritos
geralmente em
linguagem de alto
nível (C, C++,
Java, etc).
hardware
Programa
Assembly
Sistema
Operacional
Linguagem de
máquina: binária
(0’s e 1’s) – não
muito legível por
humanos.
Linguagem Assembly
• A linguagem de montagem (assembly language)
é um mapeamento bastante direto da linguagem
de máquina, mas que introduz várias facilidades
para o programador.
– Uso de mnemônicos* para representar as instruções
• "apelidos" das instruções, mais fáceis de guardar na
memória do que seu valor hexadecimal exigido pelo
processador
• cada linha do código fonte possui apenas uma instrução
para o processador (CPU)
– Ex.: MOV EAX, EDX
mnemônico
* Que facilmente se grava na memória
(Diciionário Michaelis).
Assembly e Assembler
• Um programa assembly também fica acima da
camada do sistema operacional, podendo fazer
chamadas a ele para requisitar serviços, por
exemplo de entrada e saída.
• Um programa montador ou assembler faz a
tradução da linguagem assembly para a
linguagem de máquina (uma espécie de
compilador, porém bastante restrito).
• Esse curso lida com os aspectos de software da
programação em assembly e da linguagem de
máquina. O hardware só nos interessa na
medida em que influencia essa programação.
Processo geral de um executável
• Hello world
Processo geral de um executável
(usaremos o compilador gcc do
Linux no curso)
• Modifica o programa em C de acordo com
diretivas começadas com #
– Ex.: #include <stdio.h> diz ao pré-processador para
ler o arquivo stdio.h e inseri-lo no programa fonte (o
resultado é um programa expandido em C,
normalmente com extensão .i, em Unix)
Processo geral de um executável
• Compilador traduz o programa .i em programa
assembly. É o formato de saída comum para os
compiladores nas várias linguagens de
programação de alto nível
– I.e., programas em C, Java, Fortran, etc vão ser
traduzidos para a mesma linguagem Assembly.
Processo geral de um executável
• Transforma o programa assembly em um
programa binário em linguagem de
máquina (chamado programa objeto –
extensão .o).
Processo geral de um executável
• O ligador (linker) gera o programa executável a
partir do .o gerado pelo assembler. Porém,
pode haver funções padrão da linguagem (por
ex., printf) que não estão definidas no
programa, mas em outro arquivo .o précompilado (no caso, printf.o).
– O ligador faz a junção dos programas objetos
necessários para gerar o executável.
Por que o curso?
•
Programando em linguagem de alto nível (C, C++,
etc.) o programador não se preocupa com o
gerenciamento de memória, e compilador ajuda a
detectar vários erros relacionados a sintaxe e tipos de
dados. Porém, é importante conhecer linguagem
assembly e o que está por baixo do programa para:
1. Otimizar desempenho de programas
–
–
Um switch é sempre mais eficiente que uma cadeia de ifelse?
Por que loops funcionalmente equivalentes podem ter
desempenhos significativamente diferentes na execução?
2. Entender erros de ligação
–
Costumam ser os erros mais “chatos” em programação:
referências não resolvidas, etc.
3. Se tornar mais preparado para evitar bugs, por
exemplo, devido às limitações das
representações dos tipos e na manipulação da
memória
–
Representações finitas de tipos: int’s não são inteiros e float’s
não são reais e máquina arredonda ou trunca números.
•
•
–
x2 > 0  int: 50000 * 50000 = ???
(x + y) + z = x + (y + z)  float: 1e20 + (-1e20 + 3.14) = ??
Memória não é confinada (bounded) em C. Exemplo de
possível erro:
main ()
{
long int a[2];
double d = 3.14;
a[2] = 1073741824; /* Referência “out of bounds” */
printf("d = %.15g\n", d);
exit(0);
}
4. Ser capaz de fazer engenharia reversa
– entender como um compilador gera código,
ou como (uma parte) de um executável
funciona
5. Obter uma primeira noção de como
programar sistemas embarcados
– processadores específicos – controle de
máquinas- para os quais não existe ainda
linguagem de alto nível
Arquitetura típica de uma máquina
CPU – Central Processing Unit
• Unidade de Controle
• Unidade Aritméticae Lógica
• Conjunto de registradores
– Funcionam como uma memória de acesso extremamente rápido
dado que não dependem da memória principal (cujo acesso
requer uso do barramento) pois estão contidos na própria CPU
• instruções de transferência de dados transferem dados entre
memória e registradores
– Em muitas máquinas os operandos de diversas instruções
devem obrigatoriamente estar em registradores
– Exemplos de registradores
• PC (program counter): contém o endereço da próxima instrução a
ser executada
• IR (Instruction register): onde é copiada cada instrução a ser
executada
• Registradores de propósito geral
CPU – Central Processing Unit
•
CPU seguidamente executa instruções
requisitadas à memória. Ciclo fetchdecode-execute:
1. busca nova instrução na memória (e copia
para IR)
2. atualiza PC
Tipos de instruções:
• aritméticas e lógicas
3. decodifica instrução
• transf. Reg  Mem
•
busca operandos da memória
4. executa instrução
•
•
escreve resultado na memória
seta flags de status
• desvio de fluxo
Barramentos e Dispositivos de E/S
• Barramentos:
– “conduítes” elétricos que carregam a informação
entre os vários componentes da máquina
– Projetados para transportar “pedaços” de tamanho
fixo de bytes (chamados palavras). Ex.: Intel Pentium
tem palavras de 4 bytes (32 bits), e mais
recentemente, passou a ter 64.
– Adotaremos a Intel Architecture 32 bits (IA32)
• Dispositivos de E/S:
– Conexão da máquina com o mundo externo
– Conectados ao barramento de E/S por controladores
(chipsets no próprio dispositivo ou na placa mãe) ou
adaptadores (quando placa separada).
Memória
• Logicamente, a memória principal corresponde
a um enorme array de bytes (conjuntos de 8
bits), cada um com seu endereço (o índice do
array). Os endereços começam de 0.
• Os registradores da CPU muitas vezes são
usados para armazenar endereços de memória.
Assim, o número de bits em cada registrador
limita o número de posições de memória
endereçáveis.
• Na IA32, cada registrador tem a capacidade de
32 bits (4 bytes) – e esta será a unidade de
acesso à memória
Programa do curso
Próximos assuntos:
1. Armazenamento e Representação de tipos básicos e
tipos compostos
2. Linguagem de Montagem
3. Conjunto típico de instruções
4. Modelo de Execução de Uma Linguagem de Alto
Nível (C) Implementação de instruções
5. Chamada de procedimentos, Pilha de execução e
passagem de parâmetros
6. Representação de números em ponto flutuante e
Processamento em Ponto Flutuante
7. Link-edição
8. Interação com o Sistema Operacional (interrupções)