Compiler: Vom Code zum Maschinen-Code. C Programmierung - Vorlesung 2 Hochschule Regensburg Universitätsstraße 31, Regensburg

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1 Compiler: Vom Code zum Maschinen-Code C Programmierung - Vorlesung 2 Hochschule Regensburg Universitätsstraße 31, Regensburg Prof. Dr. Jan Dünnweber Zusammenhänge: C und Assembler Hochsprachen sind abstrakt und dadurch einfach zu gebrauchen Code wird vom Compiler in Maschinensprache übersetzt (oder von einem anderen Programm interpretiert hier nicht weiter betrachtet) Für HW-nahe Programmierung (in C) ist ein grobes Verständnis des Zusammenhangs mit dem Maschinencode wichtig Wie werden die folgenden Konzepte im Maschinencode realisiert? Variablen typen Funktionen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 2 von 17 Programmierung 1 typen und Variablen im Maschinencode Übersetzung eines C-Programms in Assembler Code Assembler-Ausgabe, generiert von gcc -S add.c Editor / C Quelltext: add.c int add(int i,int j) { int p = i + j; return p; } add: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl 4, %esp movl 8(%ebp),%edx addl 12(%ebp), %edx movl %edx, 4(%ebp) movl 4(%ebp), %eax leave program.c Compiler program.h Variablen Inhalt von Variablen liegt im Speicher Während der Übersetzung verwaltet der Compiler intern eine Tabelle mit den Speicheradressen der Variablen Im Maschinen-Code gibt es keine Variablen program.o Linker program otherprog.o Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 3 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 4 von 17 Programmierung 1

2 Bits, Bytes n Binary, eine kurze Auffrischung Binäre Verknüpfungen Digitalrechner arbeiten mit Binärzahlen Beispiel: (123)10 = ( )10 = ( )10 = ( )2 Umwandlung durch Division mit Rest Kompaktere Darstellung durch Oktal- und Hexadezimalzahlen Oktal: drei Binärziffern ergeben eine Oktalziffer ( )2 = (145376)8 Hexadezimal: vier Binärziffern ergeben eine Hexadezimalziffer ( )2 = (CAFE)16 Zwei Hexadezimalziffern ergeben ein Byte In Programmiersprachen häufig durch 0 für oktal bzw. 0x für hexadezimal gekennzeichnet, also bzw. 0xCAFE Logische Operationen: (UND) (ODER) (NEG) Werden bei modernen Rechnern i.d.r. nur als Operationen auf Maschinenworten (8, 16, 32 oder 64Bit) angeboten, z.b.: Manipulation einzelner Bits: Setzen von Bit i in Wort x: x := x 2 i Löschen von Bit i in Wort x: x := x 2 i Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 5 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 6 von 17 Programmierung 1 Gebrauch der bitweisen Operationen in C Hardware-Grundlagen Durch bitweise arbeitende Operationen lassen sich sehr trickreiche Manipulationen vornehmen, die jedoch nicht immer sofort einsichtig sind: Beispiel: x = x & 0177; y = y & 077; Der erste Ausdruck löscht in x alle Bits bis auf die letzten sieben, der zweite Ausdruck setzt die letzten 6 Bits von y auf 0. Achtung: 077 und 0177 sind Oktalzahlen! = = = = Übung: Experimentieren Sie mit strtol und dem Konverter: Beginners Lab Assignments/code36.html Grobstruktur eines Computers: Prozessor: Prozessor Rechenwerk (Arithmetic- IR Logic-Unit, ALU) AKKU Befehlsregister (Instruction Register, IR) ALU Befehlszähler (Instruction Pointer, IP) I/O Gerät Stapelzeiger (Stack Pointer, SP) Hauptspeicher: Fortlaufend adressiert, enthält Befehle und I/O-Geräte: über I/O-Register gesteuert, werden über spezielle Speicheradressen angesprochen SP Bus IC I/O Reg n I/O Reg n+1 Hauptspeicher 0 1 Befehle 2 Befehle Befehle Befehle n 2 n 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 7 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 8 von 17 Programmierung 1

3 Programmausführung 1 Laden des nächsten Befehls von der im Befehlszähler angegebenen Speicherstelle in das Befehlsregister 2 Erhöhen des Befehlszählers um eins (bzw. die Größe des geladenen Befehls) 3 Dekodieren des Befehls 4 Ggf. Laden weiterer Operanden aus dem Speicher 5 Berechnung des Ergebnisses 6 Speicherung des Ergebnisses (in Register oder Akku) Sprungbefehle: Manipulation des Befehlszählers (Laden der Zieladresse) Wichtig: Befehle und liegen in einem fortlaufend und zusammenhängend adressierten Speicher Erste Schritte in C typen in C C Primitive typen belegen unterschiedlich viel Speicher: char c; / 8 Bit short s; / 16 Bit int i; / 16 Bit long l; / 32 Bit float f; / i.d.r. 4 Byte double d; / i.d.r. 4 8 Byte long double ld; / " Zu jedem ganzzahligen Typ existiert eine unsigned Variante i.d.r. unnötig und sollte vermieden werden! Größe der typen ist systemabhängig, wobei gilt: int ist die natürliche Größe der Plattform short int long Tatsächliche Größe kann für alle typen mit dem Operator sizeof(typ Variable) abgefragt werden Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 9 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 10 von 17 Programmierung 1 Deklarationen und Zuweisungen Variablen-Vereinbarungen in C (Wer s kennt) Sieht syntaktisch genau so aus wie Java: int i; char j = j ; Aber: Alle Variablen müssen am Anfang eines Blocks ( {} z.b. Funktion, Schleife etc.) deklariert werden Bei Zuweisungen werden implizite Typkonvertierungen vorgenommen Vorsicht: Information geht ohne Warnung verloren! double f = 5.23; int i; i=f; f=i; /* f==5.0 */ Übung: Lassen Sie sich die Größe unterschiedlicher Variablen mittels sizeof ausgeben und experimentieren Sie mit Type-Casting Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 11 von 17 Programmierung 1 Operatoren: Inkrement und Dekrement Den Zuweisungsoperator = kennen wir schon, zwei weitere häufig verwendete Operatoren sind Inkrement und Dekrement int a=0, b=0; a++; / a mit Inkrement Operator hochzaehlen b = b + 1; / b ohne Inkrement Operator hochzaehlen a ; / a dekrementieren, a ist wieder 0 b = b 1; / b ohne Inkrement Operator dekrementieren a = b++; / Erst Zuweisung, dann Inkrement, a ist 0, b ist 1 a = ++b; / Erst Inkrement, dann Zuweisung, a ist 1, b ist 1 Übung: Was tut folgende Funktion? void process(char s1, char s2) { char p = s1; while ( p++) p; while (p > s1) s2++ = p; s2 = \0 ; } Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 12 von 17 Programmierung 1

4 Bildschirmausgaben Ausgabe in C mit Hilfe verschiedener Bibliotheksfunktionen. Die wichtigste: printf Ausgabe erfolgt durch Angabe eines Format-Strings und der auszugebenden : printf("die Antwort lautet %i!\n", 42); Ausgabe: Die Antwort lautet 42! %i: int %x: int, Ausgabe als Hexadezimalzahl %f: double, Ausgabe als ddd.ddd %e: double, Ausgabe als d.dde±dd %c: char %s: char, Ausgabe als String bis 0 Für Konsoleneingaben gibt es die analoge Funktion scanf, sowie getc und getchar Textausgabe per printf Die Funktion printf ist kein Bestandteil der Sprache C sondern gehört zur Standard-I/O Bibliothek printf dient zur formatierte Ausgabe printf(<format>,<arg1>,...,<argn>); Die Formatzeichenkette ist zwingend, weitere Argumente 1,..., N sind optional Die Formatanweisung bestimmt wie die Argumente ausgegeben werden sollen und gestattet vielerlei Formatierungen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 13 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 14 von 17 Programmierung 1 Textformatierung Weitere Beispiele für die Verwendung von printf Zu jedem C typen gehört eine entsprechende Formatanweisung, die mit dem %-Zeichen markiert wird %... Typ Bedeutung c char Einzelnes Zeichen d,i int, long Ganzzahl (Integer) f float, double Reele Zahl (m.dddddd) s char * Zeichenkette e, E float, double Reele Zahl (m.dddde±xx) g, G float, double E oder F Darstellung Bei %o und %x erfolgt die Ausgabe oktal bzw. hexadezimal Ausgabe mit printf double pi = ; float eps = 1.E 12; printf("%c \n", a ); printf("%f \t %d \n", pi, 4711); printf("%s","zeichenkette"); printf("%e \n", eps); Die Formatanweisung enthält normalen Text sowie mit % eingeleitete Platzhalter für die auszugebenden Argumente e Anzahl an Stellen kann explizit gemacht werden Zusätzlich können Escape-Sequenzen angegeben werden: \n neue Zeile, \t horz. Tabulator, \v vert. Tabulator, \a Signalton Bei Gleitkommazahlen lassen sich die Stellen vor und nach dem Komma sowie die Mantisse angeben. Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 15 von 17 Programmierung 1 Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 16 von 17 Programmierung 1

5 Was haben wir gelernt? Zusammenfassung C und Assembler sind nahe miteinander verwandt Für die Übersetzung von C nach Assembler verwendet man einen Compiler Übesetzter Binärcodes werden mit einem Linker zu ausführbaren Programmen zusammengefügt Die grundlegenden Werkzeuge für die Programmierung sind somit: Editor, Compiler und Linker Die darstellung kann in C sehr low-level (binär) oder mittels mehr benutzerfreundlicher Konstrukte realisiert werden Für die Umwandlung und Darstellung von Zahlen und Zeichen gibt es zahlreiche Operatoren und Funktionen Prof. Dr. Jan Dünnweber, Folie 17 von 17 Programmierung 1

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