EINFÜHRUNG. Maschinenmodell. konkrete Maschine. Interpreter. universelle programmierbare Rechenmaschine:

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1 EINFÜHRUNG (ontag, den 28 April 2003) Implementierung von Programmiersprachen aschinenmodell 7 konkrete aschine 8 Interpreter 9 Übersetzer 10 Implementierungssprache 11 Implementierung von Übersetzern Bootstrapping (re-hosting) 12 re-hosting und re-targetting 13 Der UNCO-Ansatz 14 abstrakte aschine für eine Quellsprache 15 Werkzeuge im Übersetzerbau 16 Umgebung eines Übersetzers 17 Phasen der Übersetzung 18 Pässe 19 Zwischensprachen 20 Tabellen 21 Phasen der Übersetzung 18 Nur zur Information: Das P0-System Grobstruktur des P0-System 22 Die Programmier -Sprache P0 23 Die Syntax von P0 24 Phasenstruktur des P0-Systems 26 aschinenmodell universelle programmierbare Rechenmaschine: Eingabe -Program -aschine Charakteristika Kann beliebige Programme einer Sprache ausführen dh kann Ausgaben für beliebige Eingaben berechnen Uns interessiert primär die Sprache, die die aschine ausführen kann Ausgabe Ausführung eines Programms wird so symbolisiert: E A Berthold Hoffmann 5 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 6 Übersetzer (Sommer 2003) konkrete aschine Interpreter Wie kann man eine -aschine bauen für eine höhere Programiersprache Idee Baue in Hardware (konkrete aschine) Bemerkungen höhere aschinensprachen sind im allgemeinen zu teuer und zu kompliziert Außerdem: solche aschinen sind nicht mehr flexibel Ausnahme Silicon compilers bessere Idee realisiere die -aschine als Programm für eine konkrete aschine Simuliere mir einem -Programm Ein Interpreter definiert eine abstrakte -aschine: Vorteil: flexible konkrete aschine spezielle abstrakte aschine Nachteil Programme und Eingabe werden gleichzeitig bearbeitet (overhead) abstrakte -aschine = E A -Interpreter + -aschine Trotzdem Für einfache Sprachen interessant einfach zu implementieren Berthold Hoffmann 7 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 8 Übersetzer (Sommer 2003)

2 Übersetzer Implementierungssprache Übersetze -Programme in -Programme Q Z I Auch Übersetzer definieren abstrakte aschinen: Quellprogramm Zielprogramm Übersetzung In welcher Sprache soll man Übersetzer schreiben Anforderungen: Rekursion komplexe Datenstrukturn (Bäume, Graphen, Tabellen) odularität Folgerung: in höheren Programmiersprachen! Aber Dann braucht man für den Übersetzer einen Übersetzer! Eingaben Ausgaben I I Ausführung Vorteil Quell-Programm wird nur einmal bearbeitet kein overhead bei der Ausführung des Ziel-Programms Nachteil etwas aufwendiger (man muß ein korrektes Programm konstruieren!) Übertragung von Übersetzern re-hosting re-targetting re-sourcing (Übersetzer-erzeugende Systeme) Berthold Hoffmann 9 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 10 Übersetzer (Sommer 2003) Bootstrapping (re-hosting) re-hosting und re-targetting Gegeben: Problem n Sprachen 1 2 n Quellübersetzer Einweg -Übersetzer k Rechner 1 2 k Erstübersetzung: an braucht n*k Übersetzer n n 2 Selbstübersetzung: k 2 k n k Einweg -Übersetzer: implementiert nur die benutzte Teilsprache kann sehr ineffizient sein Beispiel: der SYSTEA Ada-Übersetzer (Ada Pascal aschinensprache) k k Wie kann man diesen Aufwand reduzieren k Berthold Hoffmann 11 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 12 Übersetzer (Sommer 2003)

3 Der UNCO-Ansatz (UNiversal Communication Oriented anguage, ~1960) Definition einer abstrakten aschine für die Quellsprache Definiere eine universelle Zwischensprache: n Sprachen 1 2 n k Rechner UNCO 1 2 k Das Beispiel Pascal: Pascal P-Code 1 2 k Vorteil an braucht nur n Übersetzer nach UNCO und k UNCO-Übersetzer für alle aschinen! eider gibt es keine effiziente Sprache UNCO Sprachen sind zu verschieden Rechner sind zu verschieden Damit kann man gut leben: man braucht nur einen Übersetzer von Pascal nach P-Code und P-Code-Übersetzer oder Interpreter für alle aschinen Ziele beim Definieren der Zwischensprache: maschinen-unabhängig möglichst effizient auf allen Zielmaschinen realisierbar Das ist schwierig Berthold Hoffmann 13 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 14 Übersetzer (Sommer 2003) Werkzeuge im Übersetzerbau Umgebung eines Übersetzers re-sourcing Wiederverwendung für andere Quellsprachen Übersetzer-erzeugende Systeme (compiler generators, compiler compilers) Für Phasen der Übersetzung werden Werkzeuge entwickelt, die bestimmte oduln des Übersetzers aus speziellen Spezikationen erzeugen Das wird hier nicht weiter behandelt Programme rund um einen Übersetzer erweitertes Quellprogramm Struktur-Editor Präprozessor Quellprogramm Übersetzer Assemblerprogramm Assembler Binder und ader verschieblicher aschinencode Debugger absoluter aschinencode Berthold Hoffmann 15 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 16 Übersetzer (Sommer 2003)

4 Phasen der Übersetzung Pässe Analyse des Quellsprache Q Synthese der Zielsprache Z Quellprogramm (Text) exikalische Analyse exemstrom Syntaxbaum ANAYSE Syntaktische Analyse kontextuelle Analyse Ta- bellenverwaltung attributierter Syntaxbaum Zielübersetzung Zwischencode globale Optimierung Zwischencode Instruktionsauswahl Assembler Assemblierung SYNTHESE lokale Optimierung Assembler Zielprogramm (aschinencode) Fehler- behandlung Pässe sind nacheinander ablaufende Teilprogramme des Übersetzers Phasen sind nur konzeptionelle logische Pässe Phasen werden nach Effizienz-Gesichtspunkten zu Pässen zugeordnet Beispiel exikalische und syntaktische Analyse werden oft zu einem Pass zusammengefaßt Sie kommunizieren über einen Puffer; Der Scanner liefert ein weiteres Symbol, wenn der Parser es verlangt Aber Es gibt kein feedback zwischen den Phasen! z B sollte der Kontext-Prüfer das Verhalten des Scannners nicht beeinflussen Sonst gibt es backtracking (und eine unübersichtliche Struktur) Berthold Hoffmann 17 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 18 Übersetzer (Sommer 2003) Zwischensprachen Tabellen Programm -Darstellung in der für die Phase günstigsten Form exemstrom, Syntaxbaum, Zwischencode Zwischensprache müssen nicht unbedingt Texte sein zb exemfolge, Syntaxbaum, Flußgraph, Code-Feld Zwischensprachen müssen nicht vollständig sequenziell konstruiert werden (siehe Beispiel exikalische und syntaktische Analyse) Einige Informationen werden oft und in mehreren Phasen benutzt In vielen Sprachen sind dies Bezeichner (identier) Sie werden in Tabellen abgespeichert Beispiele Repräsentationstabelle Deklarationstabelle Adreßtabelle Die Tabellen sollen helfen, diese Information schnell wiederzufinden Für jede Phase der Übersetzung sind andere Eigenschaften der Bezeichner relevant: lexikalische Analyse: Repräsentation (String Table) kontextuelle Analyse: Art und Typ der Vereinbarung, ggf weitere globale (überdeckte) Vereinbarungen (Declaration Table) Adressberechnung: evel und relative Adresse, ggf Register/Speicherobjekt (Adreßtabelle) Beispiel P0-Übersetzer Deklarations- und Adreßtabelle sind zu einer ObjectTable verschmolzen Berthold Hoffmann 19 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 20 Übersetzer (Sommer 2003)

5 Grobstruktur des P0-System Die Programmier -Sprache P0 Das P0-System wurde von Niklaus Wirth für sein Buch Compilerbau (4 Aufl, Teubner 1986) erfunden Seine Struktur ähnelt dem Züricher Pascal-Übersetzer aschinenstruktur: P P0 P0-Übersetzer P0-2 Eine Schlee liest Programmdateien, übersetzt sie und führt sie mit Eingabewerten aus P0 wird in eine abstrakten aschinensprache A übersetzt die A-Programme werden interpretiert DerA-Code wird in einem Feld gespeichert Die Sprache A reicht aus, A um auch P5-Programme zu übersetzen Der A-Interpreter muß also nicht erweitert werden P A A-Interpreter E P A A -2 A Die Sprache ist klein, aber geeignet, wichtige Prinzipien der Übersetzung zu demonstrieren P0-Programme sind Blöcke Blöcke bestehen aus Vereinbarungen (declarations) und einer Anweisung (statement) Als Datenobjekte können ganzzahlige Variable und Konstanten vereinbart werden Zudem gibt es Prozeduren ohne Parameter (deren Rumpf Blöcke sind und lokale Vereinbarungen enthalten) Anweisungen sind Wertzuweisung v := e ese-anweisung v Schreib-Anweisung! e Verbund-Anweisung s; end bedingte Anweisung c then s; Wiederholungsanweisung while c do s; Prozeduraufruf call p Bedingungen (condition) können mit Vergleichsoperationen aufgebaut werden Ausdrücke (expression) bestehen aus Bezeichnern (identiers) und ganzen Zahlen mit den üblichen arithmetischen Operationen Berthold Hoffmann 21 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 22 Übersetzer (Sommer 2003) Die Syntax von P0 program ::= block block ::= { declaration } statement { ; statement } end declaration ::= const ident = number {, ident = number } ; var ident {, ident} : integer; procedure ident ; block ; statement::= [ ident := expression call ident ident! expression statement {; statement} end condition then statement while condition do statement ] Ein P0-Programm (Größter gemeinsamer Teiler) (* größter gemeinsamer Teiler *) var x, y: INTEGER ; x; y; x > 0 then y > o then! x ;! y ; while x # y do x < y then y := y-x ; x > y then x := x-y ; end end ;! x end condition ::= odd expression expression (= # < > <= >=) expression expression ::= [+ -] term { (+ -) term} term factor ::= factor { (* /) factor} ::= ident number ( expression ) Berthold Hoffmann 23 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 24 Übersetzer (Sommer 2003)

6 Phasenstruktur des P0-Systems odulstruktur: P0 Analyse von P0 f < g then g := g-f ; exikalische Analyse exemstrom Quelltext SyntaxAnalysis Synthesis Interpreter id 1 lt id 2 then id 2 becomes id 2 minus id 1 ; Scanner InternalTree ObjectTable Generator Syntaktische Analyse Syntaxbaum CharacterInput StringTable Oberon-System id 1 lt id 2 id 2 id 2 minus id 1 kontextuelle Analyse attributierter Syntaxbaum bool id 1 lt id 2 id 2 int f: var int g: var int id 2 minus id 1 Berthold Hoffmann 25 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 26 Übersetzer (Sommer 2003) Synthese von A bool id 1 lt id 2 id 2 int f: var int g: var int id 2 minus id 1 attributierter Syntaxbaum Adreßberechnung bool id 1 lt id 2 id 2 int f: (1,4) g: (1,8) id 2 minus id 1 13 lda (1,4) 14 ld 15 lda (1,8) 16 ld 17 lt 18 jmpc lda (1,8) 20 ld 21 lda (1,4) 22 ld 23 sub 24 lda (1,8) 25 st 26 Codeerzeugung atdressierter Syntaxbaum Berthold Hoffmann 27 Übersetzer (Sommer 2003) Berthold Hoffmann 28 Übersetzer (Sommer 2003)