Einführung in die Systemprogrammierung

Transkript

1 Einführung in die Systemprogrammierung Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 17. April 2013

2 Veranstaltungsübersicht Kontakt: Prof. Dr. Christoph Reichenbach Homepage: creichen/2013-ss/b-sysp/index.de.html OLAT: Paßwort ist mips Veranstaltung besteht aus: Vorlesung (Di) Übungen (Mo, Fr) Klausur am 23.07, 10:00 12:00, Hörsaal V

3 Kompetenzen Jede Vorlesung und Übung behandelt bestimmte Kompetenzen Klausur: 80% reines Kompetenzwissen 20% Synthese (aus zwei oder mehr Kompetenzen) Bonuspunkte sammeln: ab 2. Übung

4 Literatur Rechnerorganisation und Rechnerentwurf, von David Patterson und John LeRoy Hennessy The C Programming Language, von Brian Kernighan und Dennis Ritchie (auch auf Deutsch in der Bibliothek erhältlich)

5 Warum Systemprogrammierung? Betriebssysteme bauen/erweitern Programmiersprachen bauen/erweitern Hohe Performanz Eingebettete Systeme programmieren Beurteilung des Nutzens von Hardware-Neuerungen Beurteilung der technischen Machbarkeit von Hochleistungsproblemen Systemanalyse

6 Ziele dieser Veranstaltung Fähigkeit, direkt mit Prozessor zu sprechen Grundlagen der Performanzmessung Grundlagenverständnis der Quellen von Ineffizienzen bei der Programmausführung Verständnis der Systemabläufe bei Ausführung eines Programmes Grundlagen der C-Programmierung Grundlagen moderner Laufzeitsysteme Fähigkeit zur Fehlersuche und -Behebung in Systemprogrammen

7 Nicht-Ziele dieser Veranstaltung Wir bauen kein Betriebssystem Wir bauen keine Programmiersprache Wir behandeln keine elektronischen Details integrierter Schaltkreise Wir modellieren Systeme nicht vollständig formal

8 Systemprogrammierung im Kontext Programm Bibliotheken Laufzeitsystem Systemprogramm Systembibliotheken Betriebssystem Rechnerarchitektur Java, Python, Haskell, Scala, SML, PHP, C#, awk, Scheme, ADA, OCaml,... Integrierte Schaltkreise

9 Geplante Struktur Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler-Programmierung Performanz Grundlagen der Programmierung in C Grundlagen der Betriebssysteme Grundlagen moderner Laufzeitsysteme

10 Grundkonzepte der Rechnerarchitektur

11 Nexus 7-Mainboard SDRAM-Speicher (Hynix) Prozessor + GPU (Nvidia) Spannungsregulator (Max) WLan-Adapter (AzureWave) NFC-Chip (NXP) GPS-Empfänger (BroadCom) Gyroskop, Beschleunigungssensor (Invensense) Nexus 7 TM (Google, Asus) Mainboard. Bild von ifixit.com.

12 Funktionale Komponenten des Nexus 7-Mainboards SDRAM-Speicher Prozessor GPU GPU-Recheneinheit GPU-Grafikausgabe WLan-Adapter WLan-Sender WLan-Empfänger NFC-Chip NFC-Sender NFC-Empfänger GPS-Empfänger Gyroskop Beschleunigungssensor

13 Grundkonzepte der Rechnerarchitektur Speicher SDRAM-Speicher Eingabegeräte WLan-Empfänger NFC-Empfänger GPS-Empfänger Gyroskop Beschleunigungssensor Prozessorsystem Prozessor GPU-Recheneinheit Ausgabegeräte GPU-Grafikausgabe WLan-Sender NFC-Sender

14 Grundkonzepte der Rechnerarchitektur Speicher Eingabegeräte Prozessor- System Ausgabegeräte Rest der Welt

15 Beispiel: Programmierbare Blinkanlage Steuerung für Lampe Speicherzustand: 0: aus 1: an Kodierung eines Programmes: an 1 aus 0 an 1 Speicher Prozessor

16 Programmierbare Blinkanlage Speicher Wert: Adresse: Prozessor Programmzähler = 0

17 Programmierbare Blinkanlage Speicher Wert: Adresse: Prozessor Programmzähler = 1

18 Programmierbare Blinkanlage Speicher Wert: Adresse: Prozessor Programmzähler = 2

19 Frei programmierbare Rechner Programmbefehle im Programmspeicher Programmzähler 1 zeigt auf nächsten Befehl Programmzähler schreitet automatisch vorwärts Programmbefehle können aus mehreren Bits bestehen 1 Auch Instruktionszeiger ; gängige Abkürzungen: PC, IP

20 Beispiel: Programmierbarer Taschenrechner Taschenrechner speichert Berechnungen als Programme z.b.: (x + 2)x x einlesen Ausrechnen Ergebnis ausgeben Problem: Wir müssen Rechenergebnisse zwischenspeichern Register: Datenspeicher im Prozessor

21 Prozessor des programmierbaren Taschenrechners Prozessor Programmzähler = 0 $0 = 0 $1 = 0 $2 = 0 $3 = 0 Register $0, $1, $2, $3 speichern Zwischenergebnisse Maschinenbefehle lesen von und schreiben in Register Die Maschinenbefehle drücken die einprogrammierte Berechnung aus

22 Befehle des Taschenrechners Dateneingabe eingabe $z $z Datenausgabe ausgabe $z $z Addieren add $z, $x, $y $z := $x + $y Multiplizieren mul $z, $x, $y $z := $x $y Konstante li $z, v $z := v $x, $y, $z sind Variablen für Register. Beispiel eines echten Befehls: add $1, $1, $2 ($1 := $1 + $2) Diese Befehle müssen in Bitmuster kodiert werden, damit der Prozessor sie lesen kann.

23 Befehle des Taschenrechners: Bitmuster Wir folgen den Bitmustern des MIPS-Befehlssatzes Jeder MIPS-Befehl besteht aus 32 Bits Beispiel: add $z, $x, $y x 1 x 0 000y 1 y 0 000z 1 z Operationscode (Opcode) $x $y $z Funktionscode

24 Vollständige Kodierung des add-befehls add $z, $x, $y : x 1 x 0 000y 1 y 0 000z 1 z add $1, $2, $3 : Binärkodierung von Register $x (analog für $y, $z): Register x 1 x 0 $0 0 0 $1 0 1 $2 1 0 $3 1 1

25 Vollständige Kodierung des li-befehls li $z, v : z 1 z v 15, v 14,..., v 1, v 0 Opcode $z Direktoperand v li $2, 1000 : ? Kodierung von Zahlen im Binärsystem = Auffüllen mit 0 Bei 16 Bits also maximal = 65535

26 Befehle des Taschenrechners: Zusammenfassung Assemblersprache: Menschenlesbar Maschinensprache: Maschinenlesbar Assemblersprache Maschinensprache-Bitmuster eingabe $z z 1 z ausgabe $z z 1 z add $z, $x, $y x 1 x 0 000y 1 y 0 000z 1 z mul $z, $x, $y x 1 x 0 000y 1 y 0 000z 1 z li $z, v z 1 z v 15 v v 1 v 0

27 Ein Programm in der Taschenrechnersprache Wir schreiben (x + 2)x in Assemblersprache: Maschinensprache eingabe $ li $1, add $1, $1, $ mul $1, $1, $ ausgabe $

28 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : (eingabe $0) Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 0 $0 = 0 $1 = 0 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 5

29 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : (eingabe $0) (li $1, 2) Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 4 $0 = 5 $1 = 0 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 5

30 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : (li $1, 2) (add $1, $1, $0) Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 8 $0 = 5 $1 = 2 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 5

31 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : (add $1, $1, $0) (mul $1, $1, $0) Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 12 $0 = 5 $1 = 7 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 5

32 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : (mul $1, $1, $0) (ausgabe $1) Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 16 $0 = 5 $1 = 35 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 5

33 Berechnung im Programmierbaren Taschenrechner Addr Maschinencode 0: : : : : Eingabe 5 Prozessor Programmzähler = 20 $0 = 5 $1 = 35 $2 = 0 $3 = 012 Ausgabe 35

34 Zusammenfassung: Programmierbarer Taschenrechner Register sind (Zwischen)speicher für Berechnungen Prozessorbefehle kontrollieren die Schritte im Prozessor Prozessorbefehle können auf zwei Weisen ausgedrückt werden: Maschinenbefehle (Prozessor-lesbar, Bitfolgen) Assemblerbefehle (Menschen-lesbar) Prozessorbefehle liegen im Programmspeicher Der Programmzähler zeigt immer auf die Adresse des nächsten Befehls

35 Der Speicher Bisher haben wir nur als Programmspeicher genutzt Speicher kann auch als Datenspeicher genutzt werden Harvard-Architektur Programmspeicher Von-Neumann-Architektur Programm- und Datenspeicher Prozessorsystem Prozessorsystem Datenspeicher IBM Archives, obtained via Encyclopaedia Britannica c University of Manchester

36 Vorteile der Speicherarchitekturen Harvard-Architektur Sicherheit vor versehentlichen Programm-Modifikationen und Viren Kann sequentielle Zugriffe auf Programmspeicher beschleunigen Von-Neumann-Architektur Erlaubt selbstmodifizierende Programme Programme können andere Programme laden Speicher nicht Zweckgebunden

37 Daten im Datenspeicher Typische Elemente des Datenspeichers: Ganze Zahlen (Integer) Kommazahlen Objekte (von objektorientierten Sprachen) Algebraische Werte (von funktionalen Sprachen) Zeichenketten Adressen anderer Stellen im Datenspeicher Maschinensprache-Programme (insbesondere bei Von-Neumann-Architektur) Bytecode-Programme... All diese Daten werden in Bits kodiert.

38 Daten-Repräsentation Daten können fast beliebig komplex kodiert werden Einfache Kodierungen meist effizienter Meist als Bytes: 1 B = 1 Byte = 8 Bits Effiziente Darstellung mit Hexadezimalziffern (Basis 16): A B C D E F 10 Eine Hexadezimalziffer entspricht genau 4 Bits ( nibble ) Mögliche verschiedene Werte in Byte: 2 8 = = = 0x100 Wir lassen die Basis weg, wenn aus Kontext ersichtlich

39 Daten-Repräsentation: Natürliche Zahlen Kleine natürliche Zahlen in ein Byte: = 0C = 2A Natürliche Zahlen jenseits 255: = 3E8 Werden in mehreren Bytes in Folge gespeichert Komplikationen in der Praxis: Bytereihenfolge Speicherausrichtung

40 Bytereihenfolge = 3E8 Zwei übliche Bytereihenfolgen: 03 E8 (big endian: SPARC, PowerPC, m68k) E8 03 (little endian: x86, Alpha) Die vom Prozessor bevorzugte Bytereihenfolge kann in einem Befehl gelesen bzw. geschrieben werden Die andere Bytereihenfolge braucht mehrere Befehle

41 Speicherausrichtung Adressenausrichtung (alignment): Adresse a ist k-bit ausrerichtet gdw a mod (k/8) = 0 0xa000 ist 64-Bit (somit 32, 16-Bit) ausgerichtet 0xa001 ist nicht 16-Bit (oder 32, 64-Bit) ausgerichtet 0xa002 ist 16-Bit, aber nicht 32, 64-Bit ausgerichtet Moderne Prozessoren bevorzugen k-bit Zugriff auf k-bit ausgerichtete Daten Nicht-ausgerichteter Zugriff: Langsamer (x86), oder Programmfehler (Alpha, MIPS, SPARC, PowerPC; SIGBUS-Ausnahme in UNIX)

42 Beispiel: MIPS-Speicherzugriffbefehle Assemblerbefehl Ausrichtung Wirkung lbu $z, v($x) 8 liest 1 Byte lhu $z, v($x) 16 liest 2 Bytes (Halbwort) lw $z, v($x) 32 liest 4 Bytes (Wort) sb $z, v($x) 8 schreibt 1 Byte sh $z, v($x) 16 schreibt 2 Bytes (Halbwort) sw $z, v($x) 32 schreibt 4 Bytes (Wort) Die verwendete Speicheradresse ist v + $x: li $1, 0x2000 lbu $2, 0x1f($1) ;; liest von 0x201f

43 Daten-Repräsentation: Zeichen ASCII: American Standard Code for Information Interchange Zahlen : Zeichen; 0 31, 127: Kontrollzeichen! " # $ % & ( ) * +, -. / A 2B 2C 2D 2E 2F : ; < = >? A 3B 3C 3D 3E A B C D E F G H I J K L M N O A 4B 4C 4D 4E 4F P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ˆ A 5B 5C 5D 5E 5F a b c d e f g h i j k l m n o A 6B 6C 6D 6E 6F p q r s t u v w x y z { } A 7B 7C 7D 7E

44 Daten-Repräsentation: Sonderzeichen Umlaute, Sonderzeichen etc. oft in gepackt codepages definieren unterschiedliche Bedeutungen. Zeichenketten (strings): Bytefolgen, pro Byte ein Zeichen Unicode: mehr als 110,000 Zeichen UTF-32: 32 Bit pro Zeichen. UTF-16: 16 Bit für häufige Zeichen, andere 32 Bit. UTF-8: wie ASCII, in diesem Fall nur ein Byte. Sonst mehrere Bytes möglich.

45 Daten-Repräsentation: Zeichenketten Zeichenkette = mehrere Zeichen in Folge + Längenangabe Länge der Zeichenkette z.b.: Längenprefix: Länge als Zahl vor dem ersten Zeichen Terminiert mit Terminator (meist 00) Zeichenkette Längenprefix Terminiert "foo" F 6F 66 6F 6F 00

46 Beispiel: Daten im Datenspeicher $ hexdump -C hallo-welt.o b bf be H ba 0d f 05 b8 3c < bf f c 6c 6f 2c c a 00 e8 03 Hallo, Welt! Zahl (1000) Maschinensprache Zeichenkette ( Hallo, Welt!\n ) Die Bedeutung von Speicherinhalten kann ohne Kontext nicht mit Sicherheit bestimmt werden

47 Speicherarchitektur Speicher Firmware / BIOS Allzweckspeicher Gerätespeicher Eingabegeräte Prozessor- System Ausgabegeräte

48 Rechnerarchitektur: Speicher Firmware / BIOS Allzweckspeicher Grafikspeicher Northbridge Eingabegeräte Prozessor- System Ausgabegeräte

49 Übliche Speicherarten Kürzel Verwendung Beispiel RAM Schreiben/Lesen Arbeitsspeicher ROM Nur Lesen CD-ROM, DVD EEPROM Lesen, selten schreiben Firmware, BIOS Heutige RAM-Technologie (SDRAM) verliert ihren Zustand ohne stetige Stromzufuhr. Heutige ROM/EEPROM-Technologie hält den Zustand. RAM = Random Access Memory ROM = Read Only Memory EEPROM = Electronically Erasable Programmable Read Only Memory

50 Beispiel: IA32-Speicher (Real Mode) BIOS 0x xF0000 Gerätespeicher: RAM, ROM, EPROM, je nach Gerät Arbeitsspeicher: RAM BIOS/Firmware: EEPROM Gerätespeicher Arbeitsspeicher 0xA0000 BIOS 0x7C00 0x400

51 Bootvorgang Beim Einschalten des Rechners ist das RAM leer Programmzähler zeigt auf festverdrahtete Adresse in BIOS/Firmware BIOS/Firmware entscheidet, von wo der Bootlader geladen werden soll: Festplatte USB Netzwerk BIOS/Firmware kopiert Bootlader in Arbeitsspeicher BIOS/Firmware springt in Anfang des Bootladers Bootlader läd Betriebssystem oder weiteren Bootlader (z.b. auf IA32)

52 Nächste Woche: Assembler-Programmierung in MIPS