Assembler - Einleitung

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1 Assembler - Einleitung Dr.-Ing. Volkmar Sieh Department Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg SS 2008 Assembler - Einleitung 1/

2 Teil 1: Hochsprache Assembler-Code Assembler - Einleitung 2/

3 Hochsprache (z.b. C, C++, Java, Pascal,...) nicht direkt ausführbar Übersetzung der Hochsprache in die Muttersprache (Maschinensprache) des Rechners (symbolische Maschinensprache: Assembler-Code) Transformation normalerweise Aufgabe eines Compilers Assembler-Programmierung in Ausnahmefällen: Ausnutzung von Spezialfällen, für die die CPU bessere Befehle kennt Compiler erzeugt schlechten/falschen Code Programmteile, die in Hochsprache nicht programmierbar sind; z.b. I/O-Operationen Interrupt-/Exception-/System-Call-Handler Assembler - Einleitung 3/

4 Nachfolgend ein paar Beispiele für Effekte, die man nur mit Assembler-Wissen erklären kann. Assembler - Einleitung 4/

5 short int x; for (x = SHRT_MIN; x <= SHRT_MAX; x = x + 1) {... } Hinweis vom Compiler (hier: gcc): comparison is always true due to limited range of data type Das Programm durchläuft nicht wie wohl erhofft alle zulässigen Werte für x genau einmal. Statt dessen ist obige Schleife eine Endlos-Schleife! Warum? Assembler - Einleitung 5/

6 double array[10000][10000]; double sum; int x; int y; sum = 0.0; for (x = 0; x < 10000; x++) { for (y = 0; y < 10000; y++) { sum += array[y][x]; } } Vertauscht man beim Array-Zugriff x und y ist das Programm u.u. um Größenordnungen schneller! Warum? Assembler - Einleitung 6/

7 int mean(int x, int y) { return (x + y) / 2; } Diese Funktion liefert als Mittelwert von und (beides korrekte 32-Bit-Integer-Zahlen) den Wert zurück. Warum? Assembler - Einleitung 7/

8 struct element { char code[n]; int val; }; Für N = 4 braucht diese Struktur/Klasse 8 Bytes Speicher. Für N = 5 erhöht sich der Bedarf auf 12 Bytes. Bei weiterer Vergrößerung von N auf z.b. N = 6, N = 7 oder N = 8 wird dagegen nicht nochmals mehr Speicher gebraucht. Warum? Assembler - Einleitung 8/

9 Assembler-Code-Wissen unverzichtbar für Hardware-Entwurf und -Bewertung Compiler-Bau, Programmiersprachenentwurf Realzeit- und Embedded-System-Programmierung Betriebssystem-Programmierung (auch in Hochsprache!) Programmierung effizienter Algorithmen (auch in Hochsprache!) Programmierung System-naher Programmteile (auch in Hochsprache!) Assembler - Einleitung 9/

10 Assembler-Code-Wissen hilft bei Grafik-Programmierung Programmierung für Mustererkennung Datenbank-Programmierung Assembler - Einleitung 10/

11 Beispiel L0:.byte n, =, %, d, \n, \0 demo: void demo(void) { pushl %ebx int n; movl $0, %ebx n = 0; jmp L2 goto L2; L1: pushl %ebx L1: pushl $L0 call printf printf("n=%d\n", n); addl $8, %esp addl $1, %ebx n = n + 1; L2: cmp $10, %ebx L2: if (n!= 10) jne L1 goto L1; popl %ebx ret Assembler - Einleitung 11/19 }

12 Maschine soll in der Lage sein, alle, in beliebigen (problemorientierten) Hochsprachen geschrieben Programme effizient (schnell, geringer Speicheraufwand) abzuarbeiten. Instruktionssatz-Architektur (ISA): Ziel der Rechner-Architekten sollte sein: grundlegende Befehle finden Balance zwischen viele Befehle => aufwändige Dekodierung wenige Befehle => ineffiziente Berechnung Assembler - Einleitung 12/

13 Konstrukte von Hochsprachen: Datenzugriffe (I/O-Operationen) Arithmetik Kontrollstrukturen Unterprogramme (Interrupts, Exceptions, System-Calls) Zerlegung von Datenzugriffen, arithmetischen Ausdrücken, Schleifen usw. in einfachere Bestandteile Assembler - Einleitung 13/

14 normalerweise Beispiele für Intel-Prozessoren der i80x86-serie (ab i80386) in GNU-Schreibweise geeignet für eigene Versuche auf Linux-PCs (Windows-PCs) viele Infos unter zum Teil Beispiele für Motorola-Micro-Controller m68x05 in Motorola-Schreibweise Assembler - Einleitung 14/

15 Hinweise für eigene Versuche Grundgerüst: Datei file.s.text /* Programmsegment */ _start:.globl _start... /* <--- Testprogramm */ movl $0, %ebx /* exit-status des Programms */ movl $1, %eax /* exit-funktionsnummer */ int $0x80 /* System-Call */.data /* Datensegment */... /* <--- Testdaten */ Assemblieren mit as gstabs -o file.o file.s Linken mit ld -o file file.o Assembler - Einleitung 15/

16 Hinweise für eigene Versuche Assembler - Einleitung 16/

17 Hinweise für eigene Versuche Testen des Programms file mit./file (normaler Testlauf) gdb./file oder ddd./file (Lauf mit Debugger) Assembler - Einleitung 17/

18 Hinweise für eigene Versuche Debugger (gdb) stellt verschiedene Befehle zum Testen zur Verfügung: help allgemeine Hilfe break func Breakpoint setzen run Testlauf starten stepi Ausführung einer einzelnen Maschinen-Instruktion info register Anzeige der CPU-Register x &var Anzeige der Variablen x disassemble func Anzeige der Funktion func quit Beenden des Debuggers Assembler - Einleitung 18/

19 Eigene Versuche Jeder sollte eigene Versuche durchführen! Verständnis ohne praktische Programmierung unmöglich! C-Code schreiben vom C-Compiler erzeugten Code verstehen (oder andere problemorientierte Programmiersprache) Assembler-Code schreiben Programm testen Assembler - Einleitung 19/

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