Einführung in die Systemprogrammierung
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- Kurt Braun
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1 Einführung in die Systemprogrammierung Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 15. Juli 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 Systembibliotheken Betriebssystem Rechnerarchitektur Java, Python, Haskell, Scala, SML, PHP, C#, awk, Scheme, ADA, OCaml,... Systemprogramm Integrierte Schaltkreise
9 Geplante Struktur Grundlagen der Rechnerarchitektur Assembler-Programmierung Performanz Grundlagen der Programmierung in C Grundlagen der Laufzeitsysteme moderner Programmiersprachen
10 Administrativa Einfu hrung Blinkanlage Taschenrechner Grundkonzepte der Rechnerarchitektur Speicher
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 Grafikprozessor (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 Zentralprozessor Grafikprozessor 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 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
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 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
41 Speicherzugriffe Speicherausrichtung Adresse: Inhalt:... 2C E Prozessor E8 00 E Zur Beschleunigung: Lesen und Schreiben von mehreren Bytes gleichzeitig Zur Vereinfachung der Architektur: Multi-Byte-Operationen nur ausgerichtet möglich
42 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)
43 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
44 Daten-Repräsentation: Ganze Zahlen Wie repräsentieren wir ganze Zahlen (inklusive negativer Zahlen) im Speicher? Wie immer: Bitmuster!
45 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.
46 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)
47 Exzess-N-code-Darstellung Beispiel Bitfolge repr( 5) = = 123 = Hier: Exzess-128-Code (N = 128 = ) Negation x: 2N x (x in Exzess-N-Code) Arithmetik: Benötigt Fallunterscheidung Eine Null: Zahlenraum: 2 n n 1 (asymmetrisch)
48 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)
49 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
50 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) =
51 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
52 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
53 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
54 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
55 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
56 Speicherarchitektur Speicher Firmware / BIOS Allzweckspeicher Gerätespeicher Eingabegeräte Prozessor- System Ausgabegeräte
57 Rechnerarchitektur: Speicher Firmware / BIOS Allzweckspeicher Grafikspeicher Northbridge Eingabegeräte Prozessor- System Ausgabegeräte
58 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
59 Nächste Woche: Assembler-Programmierung in MIPS
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