Betriebssystembau (BSB)

Transkript

1 Betriebssystembau (BSB) 4. Übung Olaf Spinczyk AG Eingebettete System Informatik 12, TU Dortmund

2 Agenda Aufgabe 3 Tipps und Tricks Aufgabe 4 Überblick IA-32 Assemblerprogrammierung Schnittstelle C zu Assembler 2

4 Prolog/Epilog-Modell Ablaufbeispiel t1 t5 enter E0 E½ t2 t3 t4 consume t6 leave E11-Unterbrechungen werden nie gesperrt. produce buf[...] epilogue relay E1 prologue Aktivierungslatenz der Unterbrechungsbehandlung ist minimal. handler 1 Anwendungskontrollfluss betritt Epilogebene E½ (enter). 2 Unterbrechung auf Ebene E1 wird signalisiert, Prolog wird ausgeführt. 3 Prolog fordert Epilog für die nachgeordnete Bearbeitung an (relay). 4 Prolog terminiert, unterbrochener E½-Kontrollfluss (Anwendung) läuft weiter. 5 Anwendungskontrollfluss verlässt die Epilogebene E½ (leave), zwischenzeitlich aufgelaufene Epiloge werden abgearbeitet. 6 Epilog terminiert, Anwendungskontrollfluss fährt auf E0 fort. 4

5 Aufgabe 3: Tipps und Tricks Epilog-Queue Guard::leave() Wann darf die Funktion verlassen werden? Gate::queued() Zugriffe müssen synchronisiert werden! Wie? Was soll diese Funktion? Interaktion zwischen Prolog und Epilog Muss hier auch synchronisiert werden? 5

7 Aufgabe 4: Überblick Eine erste Kontrollflussabstraktion. Ein kooperativer Scheduler (FCFS) 7

8 Scheduler Beschreibung Der Scheduler verwaltet die Ready-Liste (ein privates Queue Objekt der Klasse), also die Liste der lauffähigen Prozesse (Entrant Objekte). Die Liste wird von vorne nach hinten abgearbeitet. Dabei werden Prozesse, die neu im System sind oder den Prozessor abgeben, stets an das Ende der Liste angefügt. Öffentliche Methoden void ready (Entrant& that) Mit dieser Methode wird der Prozess that beim Scheduler angemeldet. Er wird an das Ende der Ready-Liste angefügt. void schedule () Diese Methode setzt das Scheduling in Gang, indem der erste Prozess von der Ready-Liste entfernt und aktiviert wird. void exit () Hiermit kann sich ein Prozess selbst beenden. Er wird nun nicht wieder an das Ende der Ready-Liste angefügt. Statt dessen wird nur der erste Prozess von der Ready-Liste heruntergenommen und aktiviert. void kill (Entrant& that) Mit dieser Methode kann ein Prozess einen anderen (that) beenden. Der Prozess that wird einfach von der Ready-Liste entfernt und erhält somit nie wieder den Prozessor. void resume () Hiermit kann ein Prozesswechsel ausgelöst werden, ohne dass der aufrufende Entrant wissen muss, welche anderen Entrant Objekte im System existieren und welcher davon sinnvollerweise aktiviert werden sollte. 8

9 Aufgabe 4: Überblick Hier spielt die Musik! 9

11 Was ist ein Assembler? Ein (einfacher) Compiler, der den Code eines Assemblerprogramms in Maschinensprache umsetzt Komfortabler zu programmieren: Assemblerprogramm = menschenlesbare Instruktionen Maschinenprogramm = binäre Darstellung der Instruktionen Statt der Bitfolge kann der Programmierer schreiben: add ax, 1000 Es existiert also eine (nahezu) eindeutige Abbildung von Assemblerbefehlen zu binären Maschineninstruktionen: Symbolische Bezeichnung Maschinencode add ax (dez.) jede CPU-Architektur hat also ihren speziellen Assembler 11

12 Was ist ein Assembler? Achtung zusätzlich vertauscht der Assembler noch die Reihenfolge der Bytes des Parameters: add ax low byte (1. Byte) (2. Byte) high byte (3. Byte) little endian byte order (niederwertiges Byte an kleinerer Adresse) bei x86! Unter Assembler versteht man also sowohl... die symbolische Darstellung der Maschinensprachebefehle wie auch... das Übersetzerprogramm, das die symbolische Darstellung in die vom Prozessor verstandene Binärdarstellung umsetzt 12

13 Was kann ein Assembler? Im Gegensatz zu echten (Hochsprachen-)Compilern kann ein Assembler nur sehr wenige komplexe Ausdrücke umsetzen. Die Sprache, die der Assembler versteht, entspricht den im Instruktionssatz der jeweiligen CPU verfügbaren Instruktionen Manche Assembler können allerdings zur Assemblier-Zeit auch einfache Berechnungen durchführen und besitzen einen simplen Präprozessor Konstrukte höherer Programmiersprachen werden vom Compiler in einfachere Instruktionen umgesetzt: keine komplexen Anweisungen keine komfortablen Schleifen meist nur goto -Äquivalente keine strukturierten Datentypen keine Unterprogramme mit Parameterübergabe 13

14 Übersetzungsvorgang Der Assembler steht also als Komponente zwischen Compiler und Linker Er liest vom Compiler erzeugten AssemblerQuelltext und erzeugt daraus Objektcode-Dateien, die die zugehörigen binären Maschineninstruktionen und Daten enthalten Diese Objektdateien werden (meist) vom Linker zu einem fertigen ausführbaren Programm verbunden 14

15 Beispiel Die C-Anweisung summe = a + b + c + d; ist für einen Assembler zu kompliziert und muss daher in mehrere Anweisungen aufgeteilt werde Der 80x86 Assembler kann immer nur zwei Zahlen addieren und das Ergebnis in einer der beiden verwendeten "Variablen" (Akkumulatorregister) speichern. Dieses C-Programm entspricht von der Struktur her also eher einem Assemblerprogramm: summe summe summe summe = = = = a; summe + b; summe + c; summe + d; 15

16 Beispiel Dieses Programm summe summe summe summe = = = = a; summe + b; summe + c; summe + d; mov add add add eax, eax, eax, eax, würde in 80x86-Assembler z.b. so aussehen: [a] [b] [c] [d] Assembler unterstützten also nur primitive Operationen Die meisten Assembler arbeiten zeilenorientiert eine Zeile entspricht einer Maschinenanweisung kein Semikolon o.ä. am Ende der Zeile notwendig 16

17 Kontrollanweisungen: if Einfache if-then-else-konstrukte sind für Assembler auch schon zu komplex: if ( a == 4711 ) {... } else {... } In 80x86-Assembler sieht das wie folgt aus: cmp eax, 4711 jne ungleich gleich:... jmp weiter ungleich:... weiter: vergleiche eax mit 4711 ungleich -> springe sonst hier weiter else-zweig auslassen else-zweig danach geht's weiter 17

18 Schleifen: einfache for -Schleife Simple Zählschleifen werden vom 80x86 schon besser unterstützt: for (i=0; i <100; i++) { summe = summe + a; }...in Assembler: mov schleife: add loop ecx, 100 eax, [a] schleife Der Loop-Befehl dekrementiert implizit das ecx-register und führt den Sprung nur dann aus, wenn der Inhalt von ecx anschließend nicht 0 ist 18

19 Was ist ein Register? In Assembler existieren keine beliebigen Variablen. Werte als Parameter/Ergebnisse aktueller Berechnungen müssen in CPU-Registern gehalten werden Ein Register ist ein extrem schneller, sehr kleiner Zwischenspeicher innerhalb der CPU, der (beim 80x86) bis zu 32 Bits speichern kann Die eigentlichen Variablen der Hochsprache werden vom Compiler zu Speicherplätzen im Datensegment der Objektcode-Datei zugeordnet Um eine Berechnung mit Variablen durchführen zu können, muss erst der Wert aus der jeweiligen Speicherzelle in ein Register geladen werden Nicht alle Variablen passen gleichzeitig in die wenigen Register! Es existiert also eine zeitlich sich verändernde Zuordnung Register <=> Variable 19

20 8086: Registersatz Befehls- und Stapelzeiger Flag Register IP 0 FLAG SP Vielzweckregister 15 Segmentregister AH AL CS BH BL SS Code Stack CH CL DS Data DH DL ES Extra SI DI BP 20

21 Jedes Vielzweckregister erfüllt seinen speziellen Zweck 8086: Registersatz Befehls- und Stapelzeiger 15 0 IP Vielzweckregister 15 AL BH BL CH CL DH DL BP 0 AH DI AX: Accumulator Register arithmetisch-logische Operationen I/OFlag Register kürzester Maschinencode 0 15 FLAG BX: Base Address Register SP SI CX: Count Register für LOOP Befehl Segmentregister für String Operationen mit REP 15 0 für Bit Shift und Rotate CS Code Stack SS Register DX: Data DX:AX DS sind 32 Bit für MUL/DIVData Portnummer für IN und OUT Extra ES SI, DI: Index Register für Array-Zugriffe (Displacement) BP: Base Pointer 21

22 80386: Registersatz (Erweiterungen) erweiterte Register heißen aus Kompatibilitätsgründen E... Befehls- und Stapelzeiger EIP ESP Flag Register 0 IP 31 0 FLAG EFLAG SP Vielzweckregister EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP AH AL BH BL CH CL DH DL SI DI Segmentregister 15 Code Stack Data Extra Extra Extra 0 CS SS DS ES FS GS BP Erweiterung zum

23 Speicher Meistens reichen Register alleine zur Lösung eines Problems nicht aus Zugriff auf den Hauptspeicher ist erforderlich Der Hauptspeicher ist wie ein riesiges Array aus Registern, die wahlweise 8, 16 oder 32 Bit breit sind Ein Byte ist die kleinste adressierbare Einheit Speicherzellen werden durchnummeriert => Index Die Zugriffsgeschwindigkeit auf den Hauptspeicher ist zwei Zehnerpotenzen langsamer als die Zugriffsgeschwindigkeit auf Register Um auf einen Wert im Hauptspeicher zugreifen zu können, muss der Programmierer den Index des Wertes im Speicher kennen. Dieser ist die Adresse des Wertes Der Hauptspeicher wird in Bytes von 0 an aufsteigend indiziert 23

24 Speicher Beispiel: [SECTION.data] gruss: db 'hello, world' unglueck: dw 13 million: dd [SECTION.text] mov ax, [million] Achtung Fehler: Es muss mov eax,[million] lauten. 24

25 Der Stack Variablen, die festen Speicherzellen zugeordnet sind, sind von allen Teilen des Assemblerprogramms aus zugreifbar (über die Adresse oder einen zugeordneten symbolischen Namen, ein sog. Label) => globale Variablen! Für bestimmte Zwecke werden aber nicht-globale Variable benötigt Speicherschutz zwischen Funktionen / Objekten Rekursiv aufrufbare Funktionen Für diesen Fall wird ein Notizzettel benötigt, der die aktuellen Werte so lange behält, wie sie benötigt werden dies ist ein dynamisch allozierter Speicherbereich auf dem sogenannten Stack (Stapel) Der Stack ist ein Stück Hauptspeicher, auf dem nicht mit festen, sondern nur mit relativen Adressen gearbeitet wird 25

26 Der Stack Werte werden mit der push-operation oben auf den Stack gelegt, die pop-operation entfernt den obersten Wert wieder vom Stack dabei ist die aktuelle Adresse, an der push/pop operieren, in einem speziellen Register, dem sog. Stack Pointer (Register: esp) gespeichert der Programmierer muss sich aber nicht um den konkreten Wert des Stack Pointers kümmern man muss sich also nur die Reihenfolge merken, in der man Werte auf den Stack gelegt hat 26

27 Adressierungsarten Die meisten Befehle des 80x86 können Operanden wahlweise aus Registern, aus dem Speicher oder direkt einer Konstante entnehmen Beim mov-befehl sind (u.a.) folgende Formen möglich, wobei der erste Operand stets das Ziel und der zweite stets die Quelle der Operation angeben: Registeradressierung der Wert eines Registers wird in ein anderes übertragen: mov ebx, edi Unmittelbare Adressierung eine Konstante wird in ein Register übertragen: mov ebx, 1000 Direkte Adressierung der Wert, der an der angegebenen Speicherstelle steht, wird ins Register übertragen: mov ebx, [1000] Register-indirekte Adressierung der Wert, der an der Speicherstelle steht, die durch das zweite Register bezeichnet wird, wird in das erste Register übertragen: mov ebx, [eax] Basis-Register Adressierung Der Wert, der an der Speicherstelle steht, die sich durch die Summe des Inhalts des zweiten Registers und der Konstanten ergibt, wird in das erste Register übertragen: mov eax,[10+esi] 27

28 IA-32: Adressierungsarten Effektive Adressen (EA) werden nach einem einfachen Schema gebildet alle Vielzweckregister können dabei gleichwertig verwendet werden EA EA = = Basis-Reg. Basis-Reg. + + (Index-Reg. (Index-Reg. ** Scale) Scale) + + Displacement Displacement EAX EBX ECX EDX ESP EBP ESI EDI EAX EBX ECX EDX --EBP ESI EDI Bit Wert 32 Bit Wert EA Beispiel: MOV EAX, Feld[ESI * 4] Lesen aus Feld mit 4 Byte großen Elementen und ESI als Index 28

29 Funktionen Aus den höheren Programmiersprachen ist das Konzept der Funktion oder Prozedur bekannt Der Vorteil dieses Konzeptes gegenüber einem goto besteht darin, daß die Prozedur von jeder beliebigen Stelle im Programm aufgerufen werden kann und das Programm anschließend an genau der Stelle fortgesetzt wird, die nach dem Prozeduraufruf folgt Die Prozedur selbst muss nicht wissen, von wo sie aufgerufen wurde und wo es hinterher weiter geht. Das geschieht irgendwie automatisch Nicht nur die Daten des Programms, sondern auch das Programm selbst liegt im Hauptspeicher und somit gehört zu jeder Maschinencodeanweisung eine eigene Adresse Damit der Prozessor ein Programm ausführt, muss sein Befehlszeiger auf den Anfang des Programms zeigen, also die Adresse der ersten Maschinencodeanweisung in das spezielle Register Befehlszeiger (instruction pointer, eip) geladen werden. 29

30 Funktionen Der Prozessor wird dann den auf diese Weise bezeichneten Befehl ausführen und im Normalfall anschließend den Inhalt des Befehlszeigers um die Länge des Befehls im Speicher erhöhen, so dass er auf die nächste Maschinenanweisung zeigt Bei einem Sprungbefehl wird der Befehlszeiger nicht um die Länge des Befehls, sondern entweder auf die angegebene Zieladresse umgesetzt (absoluter Sprung) oder um die angegebene relative Zieladresse erhöht oder erniedrigt Um nun eine Funktion aufzurufen, wird zunächst einmal wie beim Sprungbefehl verfahren, nur dass der alte Wert des Befehlszeigers (+ Länge des Befehls) zuvor auf den Stack geschrieben wird. Am Ende der Funktion genügt dann ein Sprung an die auf dem Stack gespeicherte Adresse, um zu dem aufrufenden Programm zurückzukehren. 30

31 Funktionen Beim 80x86 erfolgt das Speichern der Rücksprungadresse auf dem Stack implizit mit Hilfe des call Befehls. Genauso führt der ret Befehl auch implizit einen Sprung an die auf dem Stack liegende Adresse durch: ; Hauptprogramm ---; main:... call f1 xy:... ; Funktion f1 f1:... ret 31

32 Funktionen 32

33 Funktionen Wenn die Funktion Parameter erhalten soll, werden diese üblicherweise ebenfalls auf den Stack geschrieben, natürlich vor dem call Befehl. Hinterher müssen sie natürlich wieder entfernt werden, entweder mit pop, oder durch direktes Umsetzen des Stack Pointers: push push call add eax ebx f1 esp, 8 ; zweiter Parameter für f1 ; erster Parameter für f1 ; Parameter vom Stack entfernen 33

34 Funktionen Um innerhalb der Funktion auf die Parameter zugreifen zu können, wird üblicherweise der Basepointer ebp zu Hilfe genommen. Wenn er gleich zu Anfang der Funktion gesichert und dann mit dem Wert des Stackpointers belegt wird, kann der erste Parameter immer über [ebp+8] und der zweite Parameter über [ebp+12] erreicht werden, unabhängig davon, wieviele push und pop Operationen seit Beginn der Funktion verwendet wurden. f1: push ebp mov ebp,esp... mov ebx,[ebp+8] mov eax,[ebp+12]... pop ebp ret ; 1. Parameter in ebx laden ; 2. Parameter in eax laden 34

35 Funktionen 35

36 Geschachtelte Prozeduraufrufe 36

38 Aufruf von Assemblerfunktionen Ein Label im Assembler-Code kann dem Linker bekannt gemacht werden auch die Adresse einer Funktion: ; EXPORTIERTE FUNKTIONEN [GLOBAL toc_switch] [GLOBAL toc_go] toc_go:... Nun kann ein C++-Programm die Funktion aufrufen Allerdings braucht der Compiler eine passende Deklaration extern C void toc_go (struct toc* regs); Der Parameter kann vom Assembler-Code über den Stack entgegengenommen werden. Nicht-flüchtige Register müssen ggf. gesichert werden! 38