Traduciendo y ejecutando programas. Universidad de SonoraArquitectura de Computadoras2 El camino de un programa en C

Traduciendo y ejecutando programas

Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras 2

El camino de un programa en C


CompiladorCompilador

Traduce de lenguaje C a lenguaje ensamblador.


Hola Mundo en C# include <stdio.h>

void main (){

printf ("Hola mundo\n");}


Ensamblador (BCC55)ifdef ??versionif ??version GT 500H.mmxendifendifmodel flatifndef ??version?debug macroendmendif?debug S "hola_mundo.c"?debug T "hola_mundo.c"

_TEXT segment dword public use32 'CODE'_TEXT ends_DATA segment dword public use32 'DATA'_DATA ends_BSS segment dword public use32 'BSS'_BSS endsDGROUP group _BSS,_DATA


Ensamblador (BCC55)_TEXT segment dword public use32 'CODE'_main proc near?live1@0: ; ; void main () ;

push ebpmov ebp,esp

; ; { ; printf ("Hola mundo\n"); ;@1:

push offset s@call _printfpop ecx

; ; } ;@2:

pop ebpret

_main endp_TEXT ends


Ensamblador (BCC55)_DATA segment dword public use32 'DATA's@ label byte

; s@+0:db "Hola mundo",10,0align 4

_DATA ends_TEXT segment dword public use32 'CODE'_TEXT ends

public _main extrn _printf:near

?debug D "c:\Borland\BCC55\Include\_nfile.h" 10459 6176?debug D "c:\Borland\BCC55\Include\_null.h" 10459 6176?debug D "c:\Borland\BCC55\Include\_defs.h" 10459 6176?debug D "c:\Borland\BCC55\Include\_stddef.h" 10459 6176?debug D "c:\Borland\BCC55\Include\stdio.h" 10459 6176?debug D "hola_mundo.c" 14910 22993end


Programa EnsambladorAcepta un programa en lenguaje

ensamblador y genera un archivo objeto.El archivo objeto contiene:

Instrucciones en lenguaje de máquina.Datos.Información necesaria para cargar el programa

en memoria.


Típico OBJ de Unix1. Encabezado. Describe el tamaño y posición

de otras secciones del archivo objeto.2. Segmento de texto. Contiene el código en

lenguaje máquina.3. Segmento de datos estáticos. Variables

accesibles durante todo el programa (globales y variables static de C).

4. Información de relocalización. Identifica instrucciones que dependen de direcciones absolutas.


Típico OBJ de Unix5. Tabla de símbolos. Etiquetas que no han

sido definidas como variables externas.6. Información útil para un debugger. Permite

asociar instrucciones de máquina con líneas del código fuente original.


Microsoft COFFCommon Object File Format.Inicialmente definido para Unix V, fue

extendido por Microsoft para Windows 3.1.Se usa en todas las versiones de Windows de

32 y 64 bits.


Microsoft COFFEncabezado

Encabezados de sección

CódigoDatosInformación para relocalizarInformación para depuración


LinkerPega (link) varios archivos objeto compilados

posiblemente por separado.Resuelve referencias externas e internas.En algunos sistemas como Windows, el linker

relocaliza el código.Produce un solo archivo ejecutable.


RelocalizaciónEnsamblador

bne $t0, $t1, brinco ; if t0 != t1 goto brinco

…brinco: etc.

Lenguaje máquina1000 bne $8, $9, 1020

…1020 etc.


RelocalizaciónLa instrucción

1000 bne $8, $9, 1020está asumiendo que va ser cargada en la dirección 1000.

Los sistemas operativos modernos (multiusuario y/o multitarea) cargan en memoria varios programas a la vez y pueden ser colocados en áreas distintas cada vez que corren.


RelocalizaciónLa solución (para este caso) es hacer el

brinco relativo.1000 bne $8, $9, +20

En general, hay que guardar información sobre dependencias en el código.


Ejemplo – archivo objeto AEncabezado Nombre: Procedure A

Tamaño de código: 0x100

Tamaño de datos: 0x20

Segmento de texto Dirección Instrucción Significado

0 lw $a0, 0($gp) $a0 ← Mem[X]

4 jal 0 call B

… … …

Segmento de datos 0 (X)

… …

Información de relocalización

Dirección Tipo de instrucción Dependencia

0 lw X

4 jal B

Tabla de símbolos Etiqueta Dirección

X ---

B ---


Ejemplo – archivo objeto BEncabezado Nombre: Procedure B

Tamaño de código: 0x200


Segmento de texto Dirección Instrucción Significado

0 sw $a1, 0($gp) Mem[Y] ← $a1

4 jal 0 call A

… … …

Segmento de datos 0 (Y)

… …

Información de relocalización

Dirección Tipo de instrucción Dependencia

0 sw Y

4 jal A

Tabla de símbolos Etiqueta Dirección

Y ---

A ---


Ejemplo - relocalizandoEl procedimiento A necesita encontrar la

dirección de la variable X y del procedimiento B.El procedimiento B necesita encontrar la

dirección de la variable Y y del procedimiento A.En MIPS, el segmento de texto comienza en la

dirección 400,00016.

A se carga a partir de 400,00016 y como el código de A mide 10016, B se carga a partir de 400,10016.


Ejemplo - relocalizandoEl segmento de datos comienza en la dirección

10,000,00016.

Los datos de A se cargan en 10,000,00016 y como miden 2016, los datos de B se cargan en 10,000,02016.

El registro $gp se inicializa en 10,008,00016.

Los datos de A se accesan con $gp – 8,00016.

Los datos de B se accesan con $gp – 7,98016.Con esta información, el linker puede relocalizar

el código y generar un archivo ejecutable.


Ejemplo - ejecutableEncabezado Tamaño de código: 0x300


Segmento de texto Dirección Instrucción

0x400,000 lw $a0, 0x8000($gp)

0x400,004 jal 0x400100

… …

0x400,100 sw $a1, 0x8020($gp)

0x400,104 jal 0x400000

… …

Segmento de datos Dirección

0x10,000,000 (X)

… …

0x10,000,020 (Y)

… …


Referencias externasSe generan al compilar archivos por separado.Archivo “hola.c”

void foo (void); // prototipo

void main (){

foo (); // referencia externa}


Referencias externasArchivo “mundo.c”

#include <stdio.h>

void foo (){ printf ("hola mundo\n");}


Referencias externasCompilación usando Borland C 5.5

1. bcc32 –c hola.cCompila sin ligar y genera hola.obj

2. bcc32 –c mundo.cCompila sin ligar y genera mundo.obj

3. bcc32 hola.obj mundo.objInvoca al linker y genera hola.exe


Archivos ejecutablesDefinición del Merriam-Webster:

Archivo que hace que una computadora “realice tareas de acuerdo a instrucciones codificadas.”

Formatos más comunes:a.out (Unix).com (CP/M y MS-DOS).exe (MS-DOS y Windows) formalmente

llamado PE (Portable executable).


Microsoft PE Portable Executable. Formato:

1. Encabezado EXE de MS-DOS (por compatibilidad).

2. Mini-programa MS-DOS: “This program cannot be run in DOS mode”.

3. Encabezado PE.4. Encabezados de las secciones.5. Sección .text: código.6. Sección .data: datos estáticos.


Microsoft PE7. Sección .edata: tabla de símbolos exportados

(usado por DLLs).8. Sección .idata: tabla de símbolos importados.9. Sección .rdata: datos de solo lectura

(constantes y strings).10. Sección .tls: variables globales que pueden

ser accesadas como variables locales por hilos (threads).

11. Sección .rsrc: recursos como menús y diálogos.

12. Sección .reloc: información de relocalización.


Microsoft PE


Cargadores Conocidos en inglés como “loaders”. Carga el programa ejecutable en la memoria

y le cede el control. En algunos sistemas operativos como MS-

DOS el cargador es el que relocaliza el código.


Cargador típico de Unix1. Lee el ejecutable y determina el tamaño de

los segmentos de texto y datos.2. Crea un espacio de direcciones

suficientemente grande para el texto y los datos.

3. Copia las instrucciones y datos a la memoria.

4. Copia los parámetros del programa principal (si es que existen) en la pila.


Cargador típico de Unix5. Inicializa los registros incluyendo el

apuntador a la pila (sp).6. Brinca a una rutina de start-up que copia los

parámetros en los registros y llama a la rutina principal.

7. Cuando la rutina principal regresa, la rutina de start-up termina el programa con una llamada al sistema de exit.


Resumen1. Compilador. Traduce el programa a lenguaje

ensamblador.2. Ensamblador. Genera un archivo objeto por

cada archivo en ensamblador.3. Linker. Resuelve referencias, relocaliza y

genera un ejecutable.4. Cargador. Carga el ejecutable en memoria y lo

corre.

El compilador típico incluye los 3 primeros pasos.

El cargador es parte del sistema operativo.


Camino de un programa en Java


CompiladorEl compilador de Java genera un archivo class por cada clase compilada.

El archivo class contiene:Tabla de métodos válidos con sus bytecodes.Información extra, como la clase padre.

Los bytecodes son las instrucciones de la máquina virtual de Java (JVM) y son independientes del hardware.

“Compila una vez, corre donde sea” (compile once, run anywhere).


JVMLa máquina virtual de Java interpreta y

ejecuta los bytecodes.Algunas JVMs incluyen un compilador JIT

(just-in-time) que compila los bytecodes a código máquina conforme el programa está corriendo.



ExplicaciónAlgunos mnemónicos usan un prefijo:

a – dirección.b – byte (8 bits).i – entero (32 bits).s – short (16 bits).

I8 es una constante de 8 bits.I16 es una constante de 16 bits.


ExplicaciónLa JVM usa una pila para guardar resultados

intermedios.Los operandos se guardan en la pila, se hace

la operación y se sacan.El compilador sabe el tamaño máximo de la

pila de operandos para cada método y le asigna espacio en el frame actual.


ExplicaciónTOS = tope de la pila.NOS = siguiente posición debajo del TOS.NNOS = siguiente posición debajo del NOS.pop. Quita el TOS.pop2. Quita el TOS y el NOS.push. Agrega un elemento a la pila.Const[] se refiere al pool de constantes de la

clase creado por la JVM al momento de correr.Frame[] a las variables en el frame local del

método.


Diferencias entre JVM y MIPS1. Para guardar resultados temporales: MIPS

usa registros, JVM una pila.2. Tamaño de instrucción: MIPS 4 bytes, JVM

de 1 a 5 bytes para ahorrar espacio.3. JVM tiene seguridad integrada. Por ejemplo,

en un arreglo, la JVM checa que la referencia al arreglo sea válida y que el índice esté dentro del límite.


Diferencias entre JVM y MIPS4. Para que el recolector de basura encuentre

los apuntadores “vivos”, JVM tiene instrucciones distintas para operar con direcciones y para operar con enteros.

5. JVM tiene instrucciones complejas como crear espacio para un arreglo o invocar un método.


Comparación entre JVM y MIPSCompilar el siguiente código en C/Java a

MIPS y JVM:

while (save[i] == k)i += 1;


MIPS; s3 = i, s5 = k, s6 = dirección de save

ciclo:

sll $t1, $s3, 2 ; t1 = i * 4 / t1 = tiene el offset

add $t1, $t1, $s6 ; t1 apunta a save[i]

lw $t0, 0($t1) ; t0 = save[i]

bne $t0, $s5, Exit ; if save[i] k goto Exit

add $s3, $s3, 1 ; i++

j ciclo ; goto ciclo

Exit:


JVM; i, k y save son las primeras tres variables locales.

0 aload_3 ; push variable local 3 (save)

1 iload_1 ; push variable local 1 (i)

2 iaload ; pop TOS y NTOS y push save[i]

3 iload_2 ; push variable local 2 (k)

4 if_icompne, Exit ; compara TOS y NTOS, los saca y ; brinca si no son iguales

7 iinc, 1, 1 ; i++

10 go to 0 ; brinca al inicio (byte 0)


Comparación entre JVM y MIPSMIPS: 6 instrucciones, 24 bytes.JVM: 7 instrucciones, 13 bytes.

La diferencia es mayor si tomamos en cuenta que la JVM checa automáticamente que los accesos al arreglo estén dentro del rango.

Ciclo while modificado en MIPS para checar rangos ocupa 11 instrucciones, es decir, 44 bytes.


Ciclo while en MIPS; s3 = i, s5 = k, s6 = dirección de save; s6 apunta a la lista de métodos legales para save; s6 + 4 apunta al tamaño del arreglo; s6 + 8 apunta a save[0] (primer elemento)

lw $t2, 4($s6) ; t2 = tamaño del arreglociclo:

slt $t0, $s3, 0 ; if i < 0bne $t0, $zero, IndexOutOfBounds ; goto Errorslt $t0, $s3, $t2 ; if i tamañobeq $t0, $zero, IndexOutOfBounds ; goto Error


Ciclo while en MIPSsll $t1, $s3, 2 ; t1 = i * 4 / t1 = tiene el offset

add $t1, $t1, $s6 ; t1 apunta a save[i]

lw $t0, 8($t1) ; t0 = save[i]

bne $t0, $s5, Exit ; if save[i] k goto Exit

add $s3, $s3, 1 ; i++

j ciclo ; goto ciclo

Exit:


Invocando métodos en Java El compilador escoge el método apropiado

dependiendo del tipo (clase) del objeto. El compilador genera código para:1. Revisar que objeto no sea nulo, y en su caso

brincar a una rutina de error.2. Cargar la lista de métodos válidos para ese

objeto. La primera palabra guarda un apuntador a esa tabla.

3. Cargar la dirección del método apropiado, dejando la dirección de regreso en la pila.

4. Brincar al inicio del método.


Compilado vs. InterpretadoVentaja de un programa interpretado:

portabilidad.

Ventaja de un programa compilado: rapidez de ejecución.

Los compiladores JIT tratan de reducir esa ventaja.


Compilado vs. Interpretado


Conceptos importantesCompilador.Ensamblador.Linker.Cargador o loader.Relocalización.Referencias internas.Referencias externas.Intérprete.Compilador JIT (just-in-time).

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