TIn 1: From Java to machine code in 10 easy lessons. 1: Relationship between a HLL like Java, Assembler, Machine Code and Hardware

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1 Mitglied der Zürcher Fachhochschule TIn 1: From Java to machine code in 10 easy lessons Lernziele 1: Relationship between a HLL like Java, Assembler, Machine Code and Hardware 2: Relationship between the data processed in a HLL, Assembler, Machine Code and Hardware 3: Storing Data

2 Generic Processing Architecture Path from Java Application to? Java code compiled to.? Byte Code Byte Code..? Interpreted by JVM JVM is? Operating System (?) Java code on a Java processor C/C++ code compiled for particular processor

3 Path from Java Application to? Java code : Write once Run everywhere Or Write once debug everywhere Made possible since JVM provides abstraction layer from underlying hardware API made available to interface with underlying hardware and operating system File system Graphics System calls JVM Hardware specific implementation Particular processor Particular hardware-architecture Ergo the API s are platform specific. Path from Java Application to? In order to write code for a specific processor we need the correct toolset and we need to know the development path. JVM Complex application assume it is written in a HLL, example C/C++ Difference C / C++? C++ is OO, C is procedural, similar syntax. Java syntax is copied from C/C++ Java supposed to solve many problems from C/C++

4 Path from Java Application to? Suppose JVM written in C++ Steps: Write C++ code Need development environment eclipse Compile it Need compiler GCJ Output =.exe? What is a.exe? Path from Java Application to?.exe? = Programm + data + runtime information Format? Operating system specific macro format Programm and data regions = machine code Ergo Compling a C++ programm produces machine code How do we get from C++ to machine code? Today directly yesterday

5 Path from Java Application to? Source code -> (Compiler) -> Assembler file Assembler file -> (Assembler) -> Object code Object code -> (Linker) -> Linked code Linked code -> (Locator) -> Located code Located Code -> (module maker) -> end form. Binary Intel hex / Motorola S-record / OS specific -.exe Path from Java Application to? Assembler is an abstraction of machine code but not as abstract as a higher level language (HLL)! Exercise: From hardware to Java in 1 easy lesson.

6 Path from Java Application to? How does the development path look now? Path from Java Application to? What does a microprocessor do? It provides a programmable hardware platform that performs a standard set of operations. Java / C operation & -> Assembler Operation AND op2, op1

7 Path from Java Application to? Java C/C++ Assembler Machine Code Hardware &,, ^, ~ +, -, *, / &,, ^, ~ +, -, *, / AND, OR, XOR, NOT ADD, SUB, MUL, DIV 20H-25H, 08H-0DH, 30H-35H, 5FH 00H.15H Gates: and, or, xor, not Full/half adder, subtractor >>, >>>, << >>, << SHR, SAR, SHL, SAL Shift registers What have we learned? Lernziel 1: That most operations on HLL level have a direct equivalent in Assembler AND that each Assembler operation can produce several different machine codes.

8 Data in a microprocessor Exercise 2: From Java to Hardware in 1 easy lesson Or is it so easy. Exercise 2: What do we have to know? Size of the operands Requirement for a Zwischenspeicher Data in a microprocessor Size of operands Java = Write once run everywhere Everywhere = PC, supercomputer, wristwatch, set-top-box, PDA, telephone = regardless of plattform. Means: Byte, short, integer must be the same size everywhere. In other languages this is not the case! In C, size is platform dependant» Int = 16 or 32 bits.

9 Data in a microprocessor Ergo: The processor determines the actual data size The HLL may or may not provide an abstraction of this data size. This is what we mean when we speak of 16-bit or 64-bit machines. Zwischenspeicher Data has to be temporarly stored in order for an operation to be properly carried out. a =5; get a, get 5 or a, 5 latch result a = result

10 Zwischenspeicher Where does storage take place? Harddisk? Haupt-Speicher? In the CPU? Hard-Disk is too slow Haupt-Speicher or in the CPU CPU memory usually called a register Hardware memory usually called a latch Zwischenspeicher Since there are different memory spots there must be a way of finding the operands. Data stored in memory at ADDRESSES Data stored in the CPU in REGISTERS A REGISTER is named AN Address has to be defined.

11 Registers There are several types of register in a CPU. We shall look at the data registers first. Memory The CPU must fetch and place data in external memory, that means he must know where to go (= Address) and how much data (size) and whether he wants to fetch or place (controll). In order to achieve this it requires a connection with external memory called a bus.

12 Memory The size of the address bus defines how much data can be stored. The size of the data bus defines what is the largest data size that can be manipulated in one cycle. Back to registers Memory Where is code stored? In memory of course. How?

13 Mitglied der Zürcher Fachhochschule TIn 1: A trip down memory lane Prozessor-Memory Architektur Harvard Architektur Von Neumann Architektur

14 Prozessor-Memory Architektur (2) Folgen? Harvard System wird nicht durch Daten-Zugriff begrenzt Optimierung durch Befehl Pipelining und Caching möglich Von Neumann Keine Sonderbefehle für Daten- bzw. Codezugriffe Code-Bereich kann überschrieben werden. Prozessor-Memory Architektur (3) Harvard Architektur Digital Signal Processors Modified Harvard 8051 Separater Code- und Datenbereich Gleicher externer Bus. von Neumann Motorola 68K

15 Programm Speicher Was kommt in Frage? Paper-Tape Floppy-Disk Hard-Disk u.s.w. Solid-State PROM / EPROM / EEPROM / Flash / Non Volatile-RAM / RAM Praktisch Solid-State wird immer benötigt, um Daten überhaupt von den ersten drei Datenträgern zu holen Programm Memory ROM Read Only Memory (OTP: One Time Programmable ) EPROM Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory Flash. Flash Non-Volatile RAM Random Access Memory üblicherweise für Daten verwendet

16 Programm Speicher Daten von Harddisk holen. Es wird ein Programm benötigt, welches die Harddisk ansprechen kann Harddisk benötigt ein serielles Access Verfahren. d.h. es ist besser, ganze Code Blöcke zu speichern und wiederzugeben, als dass der Prozessor sein Programm direkt davon abruft. Es folgen: Program-Memory in einer Harvard-Architektur ist üblicherweise READ- ONLY (praktische, keine theoretische Limitation) In einer Von Neumann-Architektur kann der Code Bereich sowohl geschrieben als auch gelesen werden Programm Speicher Wie viel Platz hat man überhaupt? Wird durch die Anzahl Adress-Leitungen bestimmt verfügt über 20 Adress-Leitungen: gibt einen Speicherplatz von? 1 Megabyte 8086 Architektur? Sort of von Neumann..

17 Programm Speicher Wie viel Platz benötigt man? 32-bit, Real-Time, Multi-Threading Betriebssystem ecos ~ 80KByte (code) TCP/IP Stack für ecos ~ 300KB (code) Die meisten 8-bit Prozessoren verfügen über einen Adress-Bereich von 64K, demzufolge ist ein 8-bit Prozessor weniger geeignet für eine TCP/IP Anwendung I/O and Memory Memory Access Zeiten durch Prozessor definiert, d.h. der Prozessor kann warten bis ein Baustein bereit ist, seine Daten auf den Bus zu legen. Diese werden Wait-States genannt Speicherbausteine benötigen keine Wait-States aber manche I/O Bausteine schon Es ist möglich I/O Bausteine in den Address-Bereich einzubinden Verfahren nennt sich Memory-Mapping Aus Adressierungstechnischen Gründen ist es manchmal von Vorteil, wenn der I/O Bereich des Prozessors verwendet wird

18 Adressen (3520 6FKDOWHU (3520 /(' V 5$0 5$0 Erster Code Einfaches I/O Schalter einlesen und Zustand auf den LED s anzeigen lassen Schalter ON = LED ON Schalter = Port Adresse 0x50 LED s = Port Adresse 0x52

19 Programm 1 (1) Port I/O benötigt spezielle Befehle IN und OUT. Port I/O kann nur über einen speziellen CPU internen Speicherplatz erfolgen das AX Register IN OUT AL, 0x50 0x52, AL Programm 1. (2) Weshalb AL? AX ist ein 16-bit Register und AL ist der untere Byte, also werden nur die unteren 8-bit auf den Datenbus gelegt bzw. sind gültig, die oberen 8-bit sind undefiniert

20 Ablauf VCC Schalter 0xF0 GND Address Dekoder IN AL, 0x50 DC 0xF0 0x00 0x00 0x50 Datenbus Addressbus AH AX AL OUT 0x52, AL DC 0xF0 Addressbus DC Datenbus 0xF0 0x00 AX 0x00 0x52 LED s 0xF0 GND Address Dekoder