Grundlagen der Informatik III Wintersemester 2010/ Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes

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1 Grundlagen der Informatik III Wintersemester 2010/ Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes int main() { printf("hello, world!"); return 0; } msg: main:.data.asciiz "Hello, world!".text.globl main la $a0,msg li $v0,4 syscall jr $ra 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 1

2 Inhalt 1. Literatur 2. Kontrollstrukturen in Assembler 3. Hinweise zur praktischen Umsetzung 4. Zusammenfassung und Ausblick 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 2

3 Literatur [BO10] Bryant, Randal E. und David R. O Hallaron: Computer Systems - A Programmer s Perspective. Prentice Hall, November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 3

4 Übersicht In höheren Programmiersprachen sind verschiedene Kontrollstrukturen verfügbar if/else do-while Schleife while Schleife for Schleife case Anweisungen Umsetzung in IA32-Assembler, normalerweise Aufgabe eines Compilers Ausgangspunkt: Pseudosprache (an C angelehnt) 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 4

5 if/else I Programmausschnitt eines if/else Statements i n t x ; 3 i n t y ; 4 i n t erg ; 5 i f ( x<y ) 6 erg = y x ; 7 else 8 erg = x y ; November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 5

6 if/else II Realisierung in Assembler 1. data 2 x :. long 3 3 y :. long 5 4 erg :. long 0 5. g l o b l main 6 movl x,%edx # edx e n t h ä l t x 7 movl y,%eax # eax e n t h ä l t y 8 cmpl %eax,%edx # V ergleich von y, x ( x y ) 9 jge. L2 10 subl %edx,%eax 11 jmp. L3 12. L2 : subl %eax,%edx 13 movl %edx,%eax 14. L3 : movl %eax, erg 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 6

7 Kontrolloperationen Vergleichsbefehle setzen die Statusflags Abbildung: Quelle: [BO10, S. 220] Statusflags werden aber auch von addl, subl usw. gesetzt. 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 7

8 Sprungbefehle Man beachte die Bedingungen (Jump condition) Abbildung: Quelle: [BO10, S. 224] 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 8

9 if/else III Realisierung in Assembler im Detail g l o b l main 3 movl x,%edx # edx e n t h ä l t x = 3 4 movl y,%eax # eax e n t h ä l t y = 5 5 # cmpl S2, S1 > S1 S2 6 cmpl %eax,%edx # V ergleich von y, x (3 5) = 2 7 # jge Bedingung : NOT (SF XOR OF), SF = 1, OF = 0, 8 # Ergebnis i s t 0, es wird also n i c h t gesprungen 9 jge. L2 10 subl %edx,%eax 11 jmp. L3 12. L2 : subl %eax,%edx 13 movl %edx,%eax 14. L3 : movl %eax, erg 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 9

10 do-while Schleife Programmausschnitt einer do-while Schleife i n t r e s u l t = 1; 3 i n t n = 5; 4 do { 5 r e s u l t * = n ; ( r e s u l t = r e s u l t * n ) 6 n = n 1; 7 } while ( n > 1 ) ; November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 10

11 do-while Schleife Realisierung in Assembler: erste Implementierung 1. data 2 r e s u l t :. long 1 3 n :. long 5 4. g l o b l main 5 movl n,%ebx # ebx e n t h ä l t n 6 movl $1,%eax # eax e n t s p r i c h t r e s u l t 7. L2 : 8 i m u l l %ebx 9 subl $1,%ebx 10 cmpl $1,%ebx 11 j g. L2 12 movl %eax, r e s u l t 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 11

12 do-while Schleife Realisierung in Assembler: erste Optimierung 1. data 2 r e s u l t :. long 1 3 n :. long 5 4. g l o b l main 5 movl n,%ebx # ebx e n t h ä l t n 6 movl $1,%eax # eax e n t s p r i c h t r e s u l t 7. L2 : 8 i m u l l %ebx 9 subl $1,%ebx 10 j g. L2 11 movl %eax, r e s u l t 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 12

13 Statusbits I Der Ausführung des Sprungbefehls jg ist abhängig von den Sprungbedingungen. Die Sprungbedingungen bei jg sind: NOT (SF XOR OV) AND NOT (ZF) SF - Signflag OF - Overflowflag ZF - Zeroflag Die Statusbits werden z. B. durch cmpl $1,%ebx gesetzt. Welche Statusbits setzt cmpl? SF - Signflag OF - Overflowflag ZF - Zeroflag CF - Carryflag November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 13

14 Statusbits II Welche Statusbits setzt der subl? (vgl. Folie do-while Schleife, erste Optimierung) SF - Signflag OF - Overflowflag ZF - Zeroflag CF - Carryflag... Offensichtlich verändern sowohl cmpl als auch subl die Statusbits. Der cmpl kann als Optimierung des Codes entfallen. 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 14

15 Berechnung von Statusbits I Ein paar Beispiele: Unterschied zwischen Carry und Overflow Angenommen: 2K-Darstellung. Die Zahlen sind 4 Bit breit. Der Zahlbereich ist also von -8 bis E: Es tritt kein Carry und kein Overflow auf. CF = 0, OF = 0 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 15

16 Berechnung von Statusbits II Ein paar Beispiele: Unterschied zwischen Carry und Overflow Angenommen: 2K-Darstellung. Die Zahlen sind 4 Bit breit. Der Zahlbereich ist also von -8 bis E: In diesem Fall tritt kein Carry, aber ein Überlauf auf. Beide Operanden 5 und 3 sind positiv. Das Vorzeichen aber ist negativ. CF = 0, OF = 1 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 16

17 Berechnung von Statusbits III Ein paar Beispiele: Unterschied zwischen Carry und Overflow Angenommen: 2K-Darstellung. Die Zahlen sind 4 Bit breit. Der Zahlbereich ist also von -8 bis E: In diesem Fall tritt ein Carry, aber kein Überlauf auf. aber ist negativ. CF = 1, OF = 0 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 17

18 Berechnung von Statusbits IV Ein paar Beispiele: Unterschied zwischen Carry und Overflow Angenommen: 2K-Darstellung. Die Zahlen sind 4 Bit breit. Der Zahlbereich ist also von -8 bis +7 Beispiel von if/else (3+(-5)) E: In diesem Fall tritt kein Carry und kein Überlauf auf. Das Vorzeichen ist negativ und das Vorzeichenbit (Signflag) wird eins. CF = 0, OF = 0, SF = 1 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 18

19 do-while Schleife Realisierung in Assembler mit loop 1. data 2 r e s u l t :. long 1 3 n :. long 5 4. g l o b l main 5 movl n,%ecx # ecx e n t h ä l t n 6 movl $1,%eax # eax e n t s p r i c h t r e s u l t 7. L2 : 8 i m u l l %ecx 9 loop. L2 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 19

20 Vergleich der Implementierungen Für eine do-while Schleife sind drei verschiedene Implementierungen möglich, die funktional identisch sind Wo sind jetzt die Vorteile? Takte der Befehle imull %ebx 141 Takte (bei 8086) subl $1,%ebx 4 Takte (bei 8086) cmpl $1,%ebx 4 Takte (bei 8086) jg.l2 16 bzw. 4 Takte (Sprung ausgeführt bzw. nicht ausgeführt) loop.l2 18 bzw. 5 Takte (Sprung ausgeführt bzw. nicht ausgeführt) Vergleich der Implementierungen erste Implementierung: Anzahl der Takte 165 Takte erste Optimierung: Anzahl der Takte 161 Takte Verwendung loop: Anzahl der Takte 159 Takte Aber Achtung: akademische Rechnung Durch Pipelining und Sprungvorhersage kann man das nicht mehr genau sagen 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 20

21 Besonderheiten bei der IA32-Architektur imull und idivl Wie funktioniert imull? Erweiterung des Registers %eax zu dem Registerpaar %edx : %eax Vor idivl: cdq (convert doubleword to quadword) oder cltd erweitert den Inhalt von 1. L2 : 2 i m u l l %ecx 3 loop. L cdq 6 i d i v l %ecx November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 21

22 Besonderheiten bei der IA32-Architektur Arithmetische Operationen 64 Bit Abbildung: Quelle: [BO10, S. 216] 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 22

23 Besonderheiten bei der IA32-Architektur Arithmetische Operationen und Interrupts Was passiert eigentlich bei der Division durch Null? Es wird ein Interrupt ausgelöst und das Programm beendet. Weitere Ereignisse auf die der Prozessor reagieren sollte: Invalid Opcode, falscher Opcode Overflow, Überlauf Aber Achtung: Überlauf kann trotzdem auftreten (vgl. Übung 1). 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 23

24 while Schleife Programmausschnitt einer while Schleife i n t r e s u l t = 1; 3 i n t n = 5; 4 while ( n > 1) { 5 r e s u l t * = n ; ( r e s u l t = r e s u l t * n ) 6 n = n 1; 7 } November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 24

25 while Schleife Realisierung in Assembler 1. data 2 r e s u l t :. long 1 3 n :. long 5 4. g l o b l main 5 movl n,%ebx # ebx e n t h ä l t n 6 movl $1,%eax # eax e n t s p r i c h t r e s u l t 7 cmpl $1,%ebx 8 j l e. L7 9. L10 : 10 i m u l l %ebx 11 subl $1,%ebx 12 cmpl $1,%ebx 13 j g. L L7 : November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 25

26 Vergleich der do-while und while Schleife Offenbar erstmal etwas aufwendiger (zwei Sprungbefehle statt einem), aber... Bestimmt noch Optimierungspotential November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 26

27 for Schleife Programmausschnitt einer for Schleife i n t i ; 3 i n t r e s u l t = 1; 4 i n t n = 5; 5 f o r ( i = 2; i <= n ; i ++) 6 r e s u l t * = i ; ( r e s u l t = r e s u l t * i ) November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 27

28 for Schleife Realisierung in Assembler 1. data 2 r e s u l t :. long 1 3 n :. long 5 4. g l o b l main 5 movl n,%ebx # ebx e n t h ä l t n 6 movl $2,%ecx # S c h l e i f e n v a r i a b l e i 7 movl $1,%eax # r e s u l t 8 cmpl $1,%ebx # V ergleich 9 j l e. L L17 : 11 i m u l l %ecx 12 addl $1,%ecx 13 cmpl %ecx,%ebx 14 jge. L L14 : November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 28

29 Zusammenfassung: Schleifen Im Prinzip kann auch die for Schleife mit einem loop abgedeckt werden. loop.l2 Verringert %ecx um eins und springt zur Speicheradresse (Label.L2), solange das Register nicht null ist. Im Prinzip wird die Steuerung des Kontollflusses (if/else, Schleifen) mit cmpl und jg, jge, je etc. abgedeckt. 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 29

30 Beispiel (auf dem RBG-Pool lauffähig). data intout :. string " Ergebnis %d \ n " r e s u l t :. long 1 n :. long 5. t e x t. g l o b l main main : movl n,%ebx # ebx e n t h ä l t n movl $2,%ecx # S c h l e i f e n v a r i a b l e i movl $1,%eax # r e s u l t cmpl $1,%ebx # V e r g l e i c h j l e. L14. L17 : i m u l l %ecx addl $1,%ecx cmpl %ecx,%ebx j g e. L17. L14 :. ende : pushl %eax # Wert im %eax ausgeben pushl $ i n t o u t call pri ntf # E x i t movl $1, %eax i n t $0x80 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 30

31 Hinweise zur praktischen Umsetzung I Die vorgestellten Programme sind alle auf den Rechnern der RBG getestet worden. Teilweise sind (aus Darstellungsgründen) einige Zeilen weggelassen worden. Eine vollständige Implementierung ist auf der Folie Kontrollstrukturen in Assembler Beispiel (auf dem RBG-Pool lauffähig) zu finden. Was verhindert die Portierbarkeit dieser Programme z. B. auf Windows? Sogenannte Systemcalls (movl $1, %eax, int $0x80): Dieser Systemcall dient der korrekten Beendigung des Programms 32 Bit Systeme, 64 Bit Systeme Aber selbst Linux-Systeme verhalten sich bzgl. der Systemcalls nicht gleich. Das ist der Nachteil: schlechte Portierbarkeit der Programme Für das Grundverständnis (Übung und Pratika) reichen die RBG-Rechner. Aufbau der eigenen Entwicklungsumgebung möglich, aber keinen Support. 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 31

32 Hinweise zur praktischen Umsetzung II Es geht nicht darum, unlesbaren und schwer verständlichen Code zu schreiben. Aus diesem Grunde ist es teilweise gefordert, vorher eine Hochsprachenimplementierung anzufertigen. Aufgrund dieser Hochsprachenimplementierung sollen dann (wie in dieser Vorlesung vorgestellt) die Assemblerprogramme entwickelt werden. Die Assemblerprogramme werden (in beliebiger Hochsprachensyntax wie C, Java, Pascal) kommentiert. Ggf. einen Debugger wie gdb verwenden. Bei sorgfältiger Programmierung sollte das aber nicht notwendig sein. Trial and error Programmierung nicht empfehlenswert 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 32

33 Startup Patrik und Wolfgang Link zu Umfrage 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 33

34 Zusammenfassung und Ausblick Kontrollstrukturen in Assembler Nächste Vorlesung behandelt Datentypen Bäume Arithemtische Ausdrücke 2. November 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 34