Einführung in die Systemprogrammierung

Transkript

1 Einführung in die Systemprogrammierung Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 15. April 2014

2 Veranstaltungsübersicht Kontakt: Prof. Dr. Christoph Reichenbach Homepage: b-sysp/index.de.html Veranstaltung besteht aus: Vorlesung (Di) Übungen (Mi) Klausur am 24.07, 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: 4 Testate

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 Verständnis der Systemabläufe bei Ausführung eines Programmes Grundlagen der C-Programmierung Grundlagen moderner Laufzeitsysteme Grundlagenverständnis der Quellen von Ineffizienzen bei der Programmausführung Grundlagenverständnis der Quellen von Sicherheitsproblemen in Systemprogrammen Beispiel: Heartbleed

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 Integrierte Schaltkreise

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

12 Geplante Struktur Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler-Programmierung Performanz Grundlagen der Programmierung in C Grundlagen der Laufzeitsysteme moderner Programmiersprachen

13 Administrativa Einfu hrung Blinkanlage Taschenrechner Grundkonzepte der Rechnerarchitektur Speicher

14 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.

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

16 Grundkonzepte der Rechnerarchitektur Speicher SDRAM-Speicher Eingabegeräte WLan-Empfänger NFC-Empfänger GPS-Empfänger Gyroskop Beschleunigungssensor Prozessorsystem Zentralprozessor Grafikprozessor Ausgabegeräte GPU-Grafikausgabe WLan-Sender NFC-Sender

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

18 Beispiel: Programmierbare Blinkanlage Steuerung für Lampe Speicherzustand: 0: aus 1: an Speicher Prozessor

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

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

21 Programmierbare Blinkanlage Speicher Wert: Adresse:

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

27 Frei programmierbare Rechner Programmbefehle im Programmspeicher Programmzähler 1 zeigt auf nächsten Befehl Programmzähler schreitet automatisch vorwärts 1 Auch Instruktionszeiger ; gängige Abkürzungen: PC, IP

28 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

29 Beispiel: Programmierbarer Taschenrechner Taschenrechner speichert Berechnungen als Programme z.b.: (x + 2)x

30 Beispiel: Programmierbarer Taschenrechner Taschenrechner speichert Berechnungen als Programme z.b.: (x + 2)x x einlesen

31 Beispiel: Programmierbarer Taschenrechner Taschenrechner speichert Berechnungen als Programme z.b.: (x + 2)x x einlesen Ausrechnen

32 Beispiel: Programmierbarer Taschenrechner Taschenrechner speichert Berechnungen als Programme z.b.: (x + 2)x x einlesen Ausrechnen Ergebnis ausgeben

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

34 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

35 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

36 Befehle des Taschenrechners Dateneingabe Datenausgabe Addieren Multiplizieren Konstante

37 Befehle des Taschenrechners Dateneingabe eingabe $z $z Datenausgabe Addieren Multiplizieren Konstante $x, $y, $z sind Variablen für Register. Beispiel eines echten Befehls: add $1, $1, $2 ($1 := $1 + $2)

38 Befehle des Taschenrechners Dateneingabe eingabe $z $z Datenausgabe ausgabe $z $z Addieren Multiplizieren Konstante $x, $y, $z sind Variablen für Register. Beispiel eines echten Befehls: add $1, $1, $2 ($1 := $1 + $2)

39 Befehle des Taschenrechners Dateneingabe eingabe $z $z Datenausgabe ausgabe $z $z Addieren add $z, $x, $y $z := $x + $y Multiplizieren Konstante $x, $y, $z sind Variablen für Register. Beispiel eines echten Befehls: add $1, $1, $2 ($1 := $1 + $2)

40 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 $x, $y, $z sind Variablen für Register. Beispiel eines echten Befehls: add $1, $1, $2 ($1 := $1 + $2)

41 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)

42 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.

43 Befehle des Taschenrechners: Bitmuster Wir folgen den Bitmustern des MIPS-Befehlssatzes Jeder MIPS-Befehl besteht aus 32 Bits

44 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

45 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

46 Vollständige Kodierung des add-befehls add $z, $x, $y : x 1 x 0 000y 1 y 0 000z 1 z 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

47 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

48 Vollständige Kodierung des li-befehls li $z, v : z 1 z v 15, v 14,..., v 1, v 0

49 Vollständige Kodierung des li-befehls li $z, v : z 1 z v 15, v 14,..., v 1, v 0 Opcode $z Direktoperand v

50 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 : ?

51 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

52 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

53 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

54 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

55 Ein Programm in der Taschenrechnersprache Wir schreiben (x + 2)x in Assemblersprache: Maschinensprache eingabe $

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

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

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

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

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

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

62 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

63 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

64 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

65 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

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

67 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

68 Der Speicher Bisher nur als Programmspeicher genutzt Kann auch als Datenspeicher genutzt werden

69 Der Speicher Bisher nur als Programmspeicher genutzt Kann auch als Datenspeicher genutzt werden Harvard-Architektur Programmspeicher Von-Neumann-Architektur Programm- und Datenspeicher Prozessorsystem Prozessorsystem Datenspeicher

70 Der Speicher Bisher nur als Programmspeicher genutzt 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

71 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

72 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.

73 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

74 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 )

75 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

76 Daten-Repräsentation: Natürliche Zahlen Kleine natürliche Zahlen in ein Byte: = 0C = 2A

77 Daten-Repräsentation: Natürliche Zahlen Kleine natürliche Zahlen in ein Byte: = 0C = 2A Natürliche Zahlen jenseits 255: = 3E8

78 Daten-Repräsentation: Natürliche Zahlen Kleine natürliche Zahlen in ein Byte: = 0C = 2A Natürliche Zahlen jenseits 255: = 3E8 Werden in mehreren Bytes in Folge gespeichert

79 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

80 Bytereihenfolge = 3E8 Zwei übliche Bytereihenfolgen: 03 E8 (big endian großendig : SPARC, m68k) E8 03 (little endian kleinendig : x86, Alpha)

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

82 Speicherzugriffe Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor

83 Speicherzugriffe Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor 300 Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig

84 Speicherzugriffe Speicherausrichtung Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig

85 Speicherzugriffe Speicherausrichtung Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor 00 E8 Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig Zur Vereinfachung der Architektur: Multi-Byte-Operationen nur ausgerichtet möglich

86 Speicherzugriffe Speicherausrichtung Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor 00 E Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig Zur Vereinfachung der Architektur: Multi-Byte-Operationen nur ausgerichtet möglich

87 Speicherzugriffe Speicherausrichtung Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor 1000 Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig Zur Vereinfachung der Architektur: Multi-Byte-Operationen nur ausgerichtet möglich

88 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

89 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)

90 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

91 Daten-Repräsentation: Ganze Zahlen Wie repräsentieren wir ganze Zahlen (inklusive negativer Zahlen) im Speicher?

92 Daten-Repräsentation: Ganze Zahlen Wie repräsentieren wir ganze Zahlen (inklusive negativer Zahlen) im Speicher? Wie immer: Bitmuster!

93 Daten-Repräsentation: Ganze Zahlen Positive Zahlen: wie bisher Negative Zahlen: verschiedene Verfahren: Vorzeichen-Betrag Exzesscode Einerkomplement Zweierkomplement Negative Repräsentierungen verwenden logische Negation (neg bzw. ): b neg(b)

94 Daten-Repräsentation: Ganze Zahlen Positive Zahlen: wie bisher Negative Zahlen: verschiedene Verfahren: Vorzeichen-Betrag Exzesscode Einerkomplement Zweierkomplement Negative Repräsentierungen verwenden logische Negation (neg bzw. ): b neg(b) Im Folgenden betrachten wir 8-Bit Zahlen. Die Konzepte funktionieren analog mit größeren n-bit Zahlen.

95 Vorzeichen-Betrag-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = Betrag Vorzeichen

96 Vorzeichen-Betrag-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = Betrag Vorzeichen Negation x: Oberstes Bit negieren

97 Vorzeichen-Betrag-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = Betrag Vorzeichen Negation x: Oberstes Bit negieren Arithmetik: Benötigt Fallunterscheidung

98 Vorzeichen-Betrag-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = Betrag Vorzeichen Negation x: Oberstes Bit negieren Arithmetik: Benötigt Fallunterscheidung Zwei Nullen: , Zahlenraum: 2 n n 1 1 (symmetrisch)

99 Exzess-N-code-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = = 123 = Hier: Exzess-128-Code (N = 128 = )

100 Exzess-N-code-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = = 123 = Hier: Exzess-128-Code (N = 128 = ) Negation x: 2N x

101 Exzess-N-code-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = = 123 = Hier: Exzess-128-Code (N = 128 = ) Negation x: 2N x Arithmetik: Benötigt Fallunterscheidung

102 Exzess-N-code-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = = 123 = Hier: Exzess-128-Code (N = 128 = ) Negation x: 2N x Arithmetik: Benötigt Fallunterscheidung Eine Null: Zahlenraum: 2 n n 1 (asymmetrisch)

103 Einerkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5) = neg( ) =

104 Einerkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5) = neg( ) = Negation x: Alle Bits negieren

105 Einerkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5) = neg( ) = Negation x: Alle Bits negieren Arithmetik: Ähnlich bei negativ/positiv

106 Einerkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5) = neg( ) = Negation x: Alle Bits negieren Arithmetik: Ähnlich bei negativ/positiv Zwei Nullen: , Zahlenraum: 2 n n 1 (symmetrisch)

107 Zweierkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5 1) = neg( ) =

108 Zweierkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5 1) = neg( ) = Negation x: Benötigt Fallunterscheidung

109 Zweierkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5 1) = neg( ) = Negation x: Benötigt Fallunterscheidung Arithmetik: Positive/negative Zahlen sehr ähnlich, nur Vorzeichenerweiterung nötig

110 Zweierkomplement-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = neg(5 1) = neg( ) = Negation x: Benötigt Fallunterscheidung Arithmetik: Positive/negative Zahlen sehr ähnlich, nur Vorzeichenerweiterung nötig Eine Null: Zahlenraum: 2 n n 1 (asymmetrisch) Einfache Arithmetik kleiner Prozessor

111 Zusammenfassung: Zahlen mit Vorzeichen Vorzeichen-Betrag: Vorzeichen-Bit repr( 1) = Exzess-N-code: +N (hier N = 128) repr( 1) = Einerkomplement: Negation repr( 1) = Zweierkomplement: Negation, +1 repr( 1) =

112 Daten-Repräsentation: Zeichen ASCII: American Standard Code for Information Interchange Nummern : Zeichen; 0 31, 127: Kontrollzeichen

113 Daten-Repräsentation: Zeichen ASCII: American Standard Code for Information Interchange Nummern : 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

114 Daten-Repräsentation: Sonderzeichen Umlaute, Sonderzeichen etc. oft in gepackt codepages definieren unterschiedliche Bedeutungen.

115 Daten-Repräsentation: Sonderzeichen Umlaute, Sonderzeichen etc. oft in gepackt codepages definieren unterschiedliche Bedeutungen. Unicode: mehr als 110,000 Zeichen Als 32-Bit-Nummer (Manchmal 16-Bit-Nummer, bestimmte Zeichen werden dabei ausgeschlossen)

116 Daten-Repräsentation: Sonderzeichen Umlaute, Sonderzeichen etc. oft in gepackt codepages definieren unterschiedliche Bedeutungen. Unicode: mehr als 110,000 Zeichen Als 32-Bit-Nummer (Manchmal 16-Bit-Nummer, bestimmte Zeichen werden dabei ausgeschlossen) Zeichen: ä 電 I Kodierung: E4 96FB 13001

117 Daten-Repräsentation: Sonderzeichen Umlaute, Sonderzeichen etc. oft in gepackt codepages definieren unterschiedliche Bedeutungen. Unicode: mehr als 110,000 Zeichen Als 32-Bit-Nummer (Manchmal 16-Bit-Nummer, bestimmte Zeichen werden dabei ausgeschlossen) Zeichen: ä 電 I Kodierung: E4 96FB Zeichenketten (strings): Bytefolgen, pro Byte ein Zeichen

118 Daten-Repräsentation: Zeichenketten Zeichenkette = mehrere Zeichen in Folge + Längenangabe

119 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

120 Unicode-Zeichenketten Unicode-Zeichenketten werden primär in drei Formaten abgelegt: UTF-32: Wie normale Zeichenkette, aber 32 Bit statt 8 Bit pro Zeichen

121 Unicode-Zeichenketten Unicode-Zeichenketten werden primär in drei Formaten abgelegt: UTF-32: Wie normale Zeichenkette, aber 32 Bit statt 8 Bit pro Zeichen UTF-16: Ein Unicode-Zeichen belegt 2 oder 4 Bytes: Nummer Bitmuster UTF-16 < xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx >= uuuuuxxxxxxxxxxxxxxxx wwwwxxxxxx xxxxxxxxxx (wwww = uuuuu - 1) D800 DFFF: keine gültigen Unicode-Zeichen 16/32-Bit-Fassungen unterschiedlich je nach Endigkeit

122 Unicode-Zeichenketten Unicode-Zeichenketten werden primär in drei Formaten abgelegt: UTF-32: Wie normale Zeichenkette, aber 32 Bit statt 8 Bit pro Zeichen UTF-16: Ein Unicode-Zeichen belegt 2 oder 4 Bytes: Nummer Bitmuster UTF-16 < xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx >= uuuuuxxxxxxxxxxxxxxxx wwwwxxxxxx xxxxxxxxxx (wwww = uuuuu - 1) D800 DFFF: keine gültigen Unicode-Zeichen 16/32-Bit-Fassungen unterschiedlich je nach Endigkeit UTF-8: Ähnlich UTF-16: 1 4 Bytes pro Zeichen

123 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!

124 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)

125 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

126 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 )

127 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

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

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

130 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

131 Nächste Woche: Assembler-Programmierung in MIPS