Systemprogrammierung (37-023)

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1 Systemprogrammierung (37-023) Assemblerprogrammierung Betriebssystemgrundlagen Maschinenmodelle Dozent: Prof. Thomas Stricker Unterrichtssprache: Deutsch Textbuch: R. Paul: Sparc Architecture, Assembly Language Programming &C Referenzbuch: Sun SPARC V8 Manual Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Systemprogrammierung Stricker

2 Struktur eines Betriebssystems (Benutzersicht / Systemsicht) Benutzerapplikation (z.b. Framemaker, Photoshop, Oracle- SQL, Netscape) Betriebssystem-Kommandos (z.b. ls, grep, vi, who, awk) Aufstarten von einer Shell aus... Kommando Zeile %,$ prompt oder C:> in DOS... Sektion 1 im UNIX Manual Trend: in den Browser integrieren. Betriebssystem-Bibliotheken Benutzen aus einem Programm heraus. Nur für Programmierer interessant. Sektion 3 im UNIX Manual Trend: DLL, dynamisch laden Systemprogrammierung Stricker

3 Betriebssystem Kern Isoliert Programme und Benutzer gegenseitig, kontrolliert alle Zugriffe. Verwaltet die Ressourcen Aufruf durch Traps / ein Spezieller Mechanismus für Programmierer. Sektion 2 im UNIX Manual Dämonen Prozesse die bestimmte periodische Aufgaben erledigen. Sektion 1M im UNIX Manual Hardware nahe routinen (Driver) Bestandteil des Kerns Sektion 7 im UNIX Manual Systemprogrammierung Stricker

4 Die UNIX shells: (/bin/csh bzw. /bin/tcsh) Systemprogrammierung Stricker

5 Systemsicht Trennung von: Kernel Drivers Filesystem Memory Verwaltungssystem Server/Dämonen Modularisierung in modernen Betriebsssystemen: CMU/Next Mach MacOS X/Mach BeOS/Mach Vorteile Besser Wartung Doch Vorsicht... Leistung Zu viele cross module calls Systemprogrammierung Stricker

6 Programmiersprachen Interpreter und Compiler Die meisten Programme werden heute in höheren Programmiersprachen geschrieben! Wie gelangt nun ein solches Programm zur Ausführung? Bau eines Computer speziell für eine Programmiersprache. gab es: BASIC chips (Intel), P-code PASCAL chipsets (WesternDigital) keine gute Idee Interpretieren der Programmschritte lange Zeit sehr verbreitet Uebersetzung des Programmes in Assembler Sprache heute die bevorzugte Lösung Systemprogrammierung Stricker

7 BSP: Vom Programm zum Code Systemprogrammierung Stricker

8 Schritte der Uebersetzung Lexikalische Analyse Namen und Formen der Zeichen spielen für die Maschine keine Rolle. Eindeutigkeit ist alles was zählt. Semantische Analyse Positionen der Zeichen geben erst den Sinne. Wichtige Unterscheidung was links und was rechts des Gleichheitszeichens steht. Erzeugung eines Zwischencodes Oft wird eine maschinenunabhängiger Zwischencode erzeugt. Erzeugung von Maschinencode Ein Entwurf des Maschinencodes wird erzeugt. Maschinenspezifisch Systemprogrammierung Stricker

9 Optimierung des Maschinencodes Unnötiges Herumspeicher eliminieren. Instruktionen richtig anordnen für schnelle Abarbeitung. Registerzuweisung - Registerfärbungsproblem. Viele weitere Methoden und Tricks. Assemblieren des Maschinencodes Uebersetzung in direkt ausführbare bits. Gibt den Instruktionen Speicherzellen, d.h. quasi Nummern der Programmschritte Systemprogrammierung Stricker

10 Ein reales Beispiel - Schritt 1: Quellprogramm (eine Funktion) 1 int max(i,j) 2 int i,j; 3 { 4 if (i<j) 5 return j; 6 else 7 return i; 8 } gcc -S q.c Assembler (Sun SPARC) 1.file "q.c" 2.global max 3.type max,#function 4 max: 5 mov %o0,%g2 6 mov %o1,%o0 7 cmp %g2,%o0 8 bge,a.ll2 9 mov %g2,%o0 10.LL2: 11 retl 12 nop 13.ident "GCC: (GNU) 2.7.2" Systemprogrammierung Stricker

11 Ein reales Beispiel - Schritt 2: 1.file "q.c" 2.global max 3.type max,#function 4 max: 5 mov %o0,%g2 6 mov %o1,%o0 7 cmp %g2,%o0 8 bge,a.ll2 9 mov %g2,%o0 10.LL2: 11 retl 12 nop 13.ident "GCC: (GNU) 2.7.2" % gcc -o q q.s main.c % gdb q Maschinensprache 0x106b8 <max>: 0x mov %o0, %g2 0x106bc <max+4>: 0x mov %o1, %o0 0x106c0 <max+8>: 0x80a08008 cmp %g2, %o0 0x106c4 <max+12>: 0x bge,a 0x106cc 0x106c8 <max+16>: 0x mov %g2, %o0 0x106cc <max+20>: 0x81c3e008 retl 0x106d0 <max+24>: 0x nop Systemprogrammierung Stricker

12 Hilfen zum Verständnis Instruktionen mov bge,a retl nop move d.h. kopieren branch on greater and equal w. absolute dest. return and link no operation / nichts tun! Register zur Aufbewahrung der Zahl %o0 Parameter i und Resultat %o1 Parameter j %g2 Zwischenablage 1 int max(i,j) 2 int i,j; 3 { 4 if (i<j) 5 return j; 6 else 7 return i; 8 } Systemprogrammierung Stricker

13 Genaueres Bild im untern Teil Systemprogrammierung Stricker

14 Alternativen zum Compiler Der Interpreter Programm wird gelesen und direkt abgearbeitet. Abarbeitung wesentlich langsamer doch Zeit für die Uebersetzung ist gespart. ungeeignet für Basis Programmiersprachen wo effizienz eine Rolle spielt. LISP: Anwendung in der KI wo die Steuerung der Programme of oft sehr dynamisch ist. DBQL: Viele 4th Generation Sprachen arbeiten so (z.b. Datenbank- Abfrage Sprachen). Java Virtual Maschines sind z.t. Interpreter Systemprogrammierung Stricker

15 Interpreter vs. Compiler konkret 1 for (i=0; i<32; i=i+1) { 2 j=j+i*i; 3 } Betrachten den Schritt 2 genauer Interpreter: (Instant Kaffee) braucht nur wenige Bytes um Programm zu laden. übersetzt diesen 32 mal. Compiler: (Filter Kaffee) braucht rund ein Dutzend Maschinen Instruktionen zu 32bit=4byte. übersetzt diesen 1 mal. setzt Zeit zum optimieren ein. Kompromiss Der Just-in-Time Compiler (Java-Jeffs neue Espressomaschine) Compilieren nur wenn nötig/vorteil Systemprogrammierung Stricker