Компиляция
Компилятор — Программа, предназначенная для трансляции высокоуровневого языка в абсолютный код или, иногда, в язык ассемблера. Входной информацией для компилятора (исходный код) является описание алгоритма или программа на проблемно-ориентированном языке, а на выходе компилятора — эквивалентное описание алгоритма на машинно-ориентированном языке (объектный код).
Компиляция — трансляция программы, составленной на исходном языке, и последующая её компоновка в программу на некоем машинонезависимом низкоуровневом интерпретируемом коде (как например в случае языка Java).
Любой компилятор состоит из транслятора и компоновщика. Часто в качестве компоновщика компилятор использует внешний компоновщик, реализованный в виде самостоятельной программы, а сам выполняет лишь трансляцию исходного текста (по этой причине многие ошибочно считают компилятором разновидность транслятора). Компилятор может быть реализован и как своеобразная программа-менеджер, для трансляции программы вызвающая сооствествующий транслятор (трансляторы - если разные части программы написаны на разных языках программирования) и затем - для компоновки программы, - вызывающая компоновщик. Ярким примером такого компилятора является имеющаяся во всех UNIX-системах (и Linux-системах в том числе) утилита make (имеются реализации утилиты make и в других системах, в частности в Windows-системах).
Процесс компиляции состоит из следующих фаз:
- Лексический анализ. На этой фазе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
- Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в древо разбора.
- Семантический анализ.Древо разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) — например, привязка идентификаторов к их определениям, типам данным, проверка совместимости типов данных, определение результирующих типов данных выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным древом разбора, новым древом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.
- Оптимизация.Удаляются избыточные команды и упрощается (где это возможно) код с сохранением его смысла, т. е. реализуемого им алгоритма (в том числе предвычисляются (т. е. вычисляются на фазе трансляции) выражения, результаты которых практически являются константами). Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах — например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.
- Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке (в том числе выполняется компоновка программы).
· Кодовое представление команд
· Команда микропроцессора — это команда, которая выполняет требуемое действие над данными или изменяет внутреннее состояние процессора.
· Существует две основные архитектуры процессоров. Первая называется RISC (Reduced Instruction Set Computer) — компьютер с уменьшенным набором команд. Архитектура RISC названа в честь первого компьютера с уменьшенным набором команд — RISC I. Идея этой архитектуры основывается на том, что процессор большую часть времени тратит на выполнение ограниченного числа инструкций (например, переходов или команд присваивания), а остальные команды используются редко.
· Разработчики RISC-архитектуры создали «облегченный» процессор. Благодаря упрошенной внутренней логике (меньшему числу команд, менее сложным логическим контурам), значительно сократилось время выполнения отдельных команд и увеличилась общая производительность. Архитектура RISC подобна «архитектуре общения» с собакой — она знает всего несколько команд, но выполняет их очень быстро.
· Вторая архитектура имеет сложную систему команд, она называется CISC (Complex Instruction Set Computer) — компьютер со сложной системой команд. Архитектура CISC подразумевает использование сложных инструкций, которые можно разделить на более простые. Все х86-совместимые процессоры принадлежат к архитектуре CISC.
· Давайте рассмотрим команду «загрузить число 0x1234 в регистр АХ». На языке ассемблера она записывается очень просто — MOV АХ, 0x1234. К настоящему моменту вы уже знаете, что каждая команда представляется в виде двоичного числа (пункт 7 концепции фон Неймана). Ее числовое представление называется машинным кодом. Команда MOV АХ, 0x1234 на машинном языке может быть записана так:
·
· 0x11хх: предыдущая команда
· 0х1111:0хВ8, 0x34, 0x12
· 0x1114: следующие команды
·
· Мы поместили команду по адресу 0x1111. Следующая команда начинается тремя байтами дальше, значит, под команду с операндами отведено 3 байта. Второй и третий байты содержат операнды команды MOV. А что такое 0хВ8? После преобразования 0хВ8 в двоичную систему мы получим значение 10111000b.
· Первая часть — 1011 — и есть код команды MOV. Встретив код 1011, контроллер «понимает», что перед ним — именно MOV. Следующий разряд (1) означает, что операнды будут 16-разрядными. Три последние цифры определяют регистр назначения. Три нуля соответствуют регистру АХ (или AL, если предыдущий бит был равен О, указывая таким образом, что операнды будут 8-разрядными).
· Чтобы декодировать команды, контроллер должен сначала прочитать их из памяти. Предположим, что процессор только что закончил выполнять предшествующую команду, и IP (указатель команд) содержит значение 0x1111. Прежде чем приступить к обработке следующей команды, процессор «посмотрит » на шину управления, чтобы проверить, требуются ли аппаратные прерывания.
· Если запроса на прерывание не поступало, то процессор загружает значение, сохраненное по адресу 0x1111 (в нашем случае — это 0хВ8), в свой внутренний (командный) регистр. Он декодирует это значение так, как показано выше, и «понимает», что нужно загрузить в регистр АХ 16-разрядное число —- два следующих байта, находящиеся по адресам 0x1112 и 0x1113 (они содержат наше число, 0x1234). Теперь процессор должен получить из памяти эти два байта. Для этого процессор посылает соответствующие команды в шину и ожидает возвращения по шине данных значения из памяти.
· Получив эти два байта, процессор запишет их в регистр АХ. Затем процессор увеличит значение в регистре IP на 3 (наша команда занимает 3 байта), снова проверит наличие запросов на прерывание и, если таких нет, загрузит один байт по адресу 0x1114 и продолжит выполнять программу.
· Если запрос на прерывание поступил, процессор проверит его тип, а также значение флага IF. Если флаг сброшен (0), процессор проигнорирует прерывание; если же флаг установлен (1), то процессор сохранит текущий контекст и начнет выполнять первую инструкцию обработчика прерывания, загрузив ее из таблицы векторов прерываний.
· К счастью, нам не придется записывать команды в машинном коде, поскольку ассемблер разрешает использовать их символические имена.
Лекция 11