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 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 1

2 Inhalt 1. Literatur 2. Klassifikation von Programmiersprachen 3. Programmiermodell 4. Programmiermodell der Intel IA32-Architektur 5. Befehlssatz der Intel IA32-Architektur 6. Zusammenfassung und Ausblick 27. Oktober 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, Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 3

4 Programmiersprachen - Begriffsdefinition Allgemeine Definition einer Programmiersprache Sprache zur Formulierung von Rechenvorschriften, die direkt oder indirekt von einem Rechner ausgeführt werden kann. Hinweis: indirekt soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass vor einer Ausführung die Rechenvorschrift noch in ein für den Rechner verständliches Format umgesetzt werden muß. wichtige Eigenschaften einer Programmiersprache eindeutige Syntax - Festlegung, welche Zeichenfolgen als Programme zugelassen sind eindeutige Semantik - Festlegung, welche Auswirkung die Ausführung des Programms auf einem Rechner hat 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 4

5 Klassifikation von Programmiersprachen Höhere, problemorientierte Sprachen Hardware-Unabhängigkeit Plattformunabhängigkeit (z. B. Betriebssystem) Orientierung an den zu bearbeitenden Problemfeldern Abbildung in eine Maschinensprache Verwendung eines Übersetzers (Compiler) direkte Ausführung unter Verwendung eines Interpreters 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 5

6 Klassifikation von Programmiersprachen Maschinensprache direkte Programmierung der Hardware Maschinensprache Formulierung eines Maschinenprogramms durch eine Folge von elementaren, im Binärcode dargestellten Befehlen Maschinenprogramme sind direkt auf der Hardware ausführbar Maschinenprogramme sind für den Anwender und den Entwickler nur sehr schwer zu verstehen (Wartbarkeit). niedere, maschinenorientierte Programmiersprachen - Assembler-Sprachen Programmierung der Hardware unter Verwendung symbolischer Namen für Maschinenbefehle und Adressen das für die Umsetzung eines Assembler-Programms in ein Maschinenprogramm zuständige Programm wird Assemblierer (Assembler) genannt. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 6

7 Programmierparadigmen Der Begriff des Paradigma Synonyme Begriffe sind: Denkmuster, Musterbeispiel Verwendung des Paradigma-Begriffes in der Informatik ein Paradigma bezeichnet ein übergeordnetes Prinzip dieses Prinzip ist für eine ganze Teildisziplin typisch es ist jedoch nicht klar ausformulierbar, sondern manifestiert sich in Beispielen Maschinensprache (bzw. Assembler) ist ein primitives Paradigma 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 7

8 Programmiermodell Programmiermodell ist ein Begriff, der häufig in unterschiedlichen Definitionen verwendet wird. Bei höheren Programmiersprachen Grundlegende Eigenschaften einer Programmiersprache (Programmiermodell dieser Hochsprache) Unterschied: Programmiermodell und Programmierparadigma? Und es gibt noch viel andere Begriffe: Verarbeitungsmodell, Modellierungsmodell... In der maschinennahen Programmierung bezeichnet das Programmiermodell Registersatz eines Prozessors Genauer: Register die durch Programme angesprochen werden können Register die prozessorintern verwendet werden (z. B. IP) zählen nicht zum Registersatz des Prozessors 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 8

9 Programmiermodell der Intel IA32-Architektur Für die Programmierung ist eine Übersicht der Register wichtig Nun das Programmiermodell für die IA32-Architektur (Erweiterung der 8086-Architektur) Abbildung: Quelle: [BO10, S. 202] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 9

10 Speicherorganisationsformen I Modell für den Hauptspeicher: Jede Zelle besteht aus einem Byte und jedes Byte ist einzeln adressierbar. Die Adressen umfassen 16 Bit. Speicher ist byteadressierbar. Kapazität 2 16 = Bytes. An Adresse 4 steht die Zahl 161 (Hexadezimaldarstellung A1). 7 A Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 10

11 Speicherorganisationsformen II Beispiel: Modell eines byteadressierbaren Speichers für einen 16 Bit Prozessor. Bei Prozessoren gibt es zwei Möglichkeiten des Zugriffs, nämlich Bytezugriff und Wortzugriff. Wortzugriff bedeutet, dass ab der angegebenen Adresse zwei hintereinander folgende Bytes in ein Prozessorregister geholt werden können. Vorteil: Beim Zugriff auf den Speicher wird Zeit gespart. Aber wie fast immer: es gibt verschiedene Freiheitsgrade 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 11

12 Speicherorganisationsformen III Little endian Adresse 4 ist die Zahl 161 (Hexadezimaldarstellung A1) Ab Adresse 4 ist zuerst das nullte Byte und dann das erste Byte angegeben. Interpretation: Niedrigwertiges Byte und dann das höherwertige Byte entsprechend der Bedeutung der Bytes, wenn das Wort als 16 Bit Dualzahl aufgefasst wird INTEL-Familie T S I G A1 7 A R N Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 12

13 Speicherorganisationsformen IV Big endian Reihenfolge der Bytes innerhalb eines Wortes (16 Bit Dualzahl) umgekehrt. MOTOROLA-Familie A S T R I N G Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 13

14 Speicherorganisationsformen V Zusammenfassung Manche Prozessoren verlangen, dass für den Wortzugriff die Adresse durch die Anzahl der Bytes pro Wort teilbar ist. Worte können dann nur an solchen Adressen beginnen. Man sagt dann, dass sie ausgerichtet sein müssen. Die ab Adresse 7 beginnende Zahl 162 (Hexadezimaldarstellung A2) ist nicht ausgerichtet (vgl. Bild Little endian). Prozessoren, wie z. B. INTEL 8086, erlauben auch Zugriff auf nicht ausgerichtete Worte, allerdings mit dem Nachteil, dass zwei Speicherzugriffe benötigt werden. Damit kann sich die Laufzeit eines Programms stark erhöhen, falls häufig Wortzugriffe auf ungerade Adressen auftreten. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 14

15 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Einleitung Welche Befehle sind in einer IA32 Intel-Architektur vorhanden? Befehle werden in Klassen eingeteilt: Addition, Subtraktion usw. Logische Befehle (AND, OR usw.) Transportbefehle zum Transport zwischen Registern und dem Speicher Sprungbefehle unbedingte Sprünge (GOTO) bedingte Sprünge 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 15

16 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Datenformate Wie in höheren Programmiersprachen gibt es bei Assemblerprogrammierung auch Datenformate (hier der Vergleich C und Assembler) Abbildung: Quelle: [BO10, S. 201] Die IA32-Architektur unterstützt hardwaremäßig keine 64-Bit Integer Arithmetik. 64-Bit Operationen werden zu zwei 32-Bit Operationen. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 16

17 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Operanden der Befehle Die im Weiteren vorgestellten Befehle können verschiedene Operanden enthalten. Direkter Wert, Register und Speicher Abbildung: Quelle: [BO10, S. 203] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 17

18 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Transportbefehle Transportbefehle dienen dem Transport zwischen Registern und Speicher Abbildung: Quelle: [BO10, S. 205] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 18

19 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Transportbefehle Beispiele 1 movl $0,%eax : N u l l wird i n %eax geschrieben 2 movl $0x4050,%eax : 4050 ( Hexadezimaldarstellung ) wird 3 i n %eax geschrieben ( 4 Bytes ) 4 5 movw %bp,%sp : Register sp wird mit dem I n h a l t 6 von bp überschrieben (2 Bytes ) Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 19

20 Die Datenstruktur Stack Der Stack (Stapel, Stapelspeicher, Keller) ist eine Datenstruktur Die Idee ist Mitte der 50er Jahre aufgekommen Die Benutzung des Stacks erfolgt in der Regel automatisch In Hochsprachen ist der Stack nicht sichtbar... Fibonacci-Zahlen in Java 1 p u b l i c s t a t i c long f i b ( i n t a ) { 2 i f ( a = = 1 a==2) r e t u r n 1; 3 else r e t u r n f i b ( a 1)+ f i b ( a 2); 4 } Zwischenergebnisse werden auf dem Stack gespeichert. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 20

21 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Die Datenstruktur Stack Um die Datenstruktur Stack zu unterstützen gibt es eigene Befehle Zwei Darstellung des Stacks möglich Initially pushl %eax popl %edx %eax %edx %esp 0x x108 %eax %edx %esp 0x x104 %eax %edx %esp 0x123 0x123 0x108 Stack bottom Stack bottom Stack bottom Increasing address 0x108 Stack top 0x108 0x104 0x123 Stack top 0x108 0x123 Stack top Abbildung: Quelle: [BO10, S. 207] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 21

22 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Arithmetische und Logische Operationen I Abbildung: Quelle: [BO10, S. 212] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 22

23 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Arithmetische und Logische Operationen II Abbildung: Quelle: [BO10, S. 216] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 23

24 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Arithmetische und Logische Operationen Beispiele 1 addl $5,%eax : Fünf wird zu %eax a d d i e r t 2 subl %edx,%eax : %eax = %eax %edx 3 4 s hl $1,%eax : S h i f t um eine S t e l l e 5 nach l i n k s 6 shr $1,%eax : S h i f t um eine S t e l l e 7 nach r echts 8 9 sar $1,%eax : S h i f t um eine S t e l l e 10 nach r echts ( a r i t h m e t i s c h ) Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 24

25 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Kontrolloperationen I Wiederholung: Statusflags Statusflags (die wichtigsten) sind: CF Übertragsflag (Carryflag) ZF Nullflag (Zeroflag) SF Vorzeichenflag (Signflag) OF Überlaufflag (Overflowflag) Für was werden diese Flags verwendet? ZF: Hochsprache (t == 0) SF: Hochsprache (t < 0) 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 25

26 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Kontrolloperationen II Vergleichsbefehle setzen die Statusflags Abbildung: Quelle: [BO10, S. 220] Statusflags werden aber auch von mov, add usw. gesetzt. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 26

27 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Sprungbefehle Man beachte die Bedingungen (Jump condition) Abbildung: Quelle: [BO10, S. 224] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 27

28 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Kontrolloperationen und Sprungbefehle Beispiele 1 2 V ariable a i s t i n %edx, b i s t i n %eax 3 4 cmpl %eax,%edx : v e r g l e i c h t a und b movl $0,%eax : s c h r e i b t eine N u l l i n Register %eax 7 jmp. L1 : Sprung zu Label L1 : : Label. L1 11 popl %edx Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 28

29 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Konditionale Transportbefehle Abbildung: Quelle: [BO10, S. 244] 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 29

30 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Assemblersyntax Syntax der Assemblerbefehle nicht einheitlich Kodierung der Maschinenbefehle ist (natürlich) identisch Zwei verschiedene Formate gebräuchlich ATT (benannt nach AT & T) Format Intel Format Im Prinzip nur kleine Abweichungen, aber ein wesentlicher Unterschied: ATT: Befehl Quelle, Ziel (movl %edx,%eax) Intel: Befehl Ziel, Quelle (mov eax,edx) 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 30

31 Befehlssatz der Intel IA32-Architektur Assemblersyntax Weitere Unterschiede: Bei ATT muss vor den Registern ein % stehen Beim Intel spart man sich die Angaben, ob es ein Byte, Word, Double Word usw. ist Indirekte Adressierung: ATT: movl 8(%ebp),%edx Intel: mov edx, DWORD PTR [ebp+8] Der zu benutzende Assembler (YASM) beherscht beide Formate. 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 31

32 Zusammenfassung und Ausblick Klassifikation von Programmiersprachen Programmiermodell Befehlssatz der IA32 Intel-Architektur Nächste Vorlesung behandelt Kontrollstrukturen in Assembler 27. Oktober 2010 TechnischeUniversitätDarmstadt Dr.-Ing. WolfgangHeenes 32