1. מבוא לטכנולוגיות מחשב מבוא
מבוא לטכנולוגיות מחשב מבוא
ובו נסקור את המסלול המפרך שתוכנית עוברת במחשב עד לביצוע.
מבוסס על פרק 1 של
Computer Systems – a programmers perspective / Bryant & O’hallrron

2. נתחיל מההתחלה... #include <stdio.h> int main() {
printf(“hello world”); }

3. ייצוג ASCII
כל תו מיוצג על ידי בית (8 סיביות). כלומר יש 256 תווים אפשריים.
# i n c l u d e
קובץ אשר נכתב לפי הקידוד של ASCII נקרא קובץ טקסט. כל השאר – קבצים בינאריים.

4. מה עכשיו ? צריך לתרגם את hello.c לסדרת פקודות שהמחשב מבין – שפת מכונה.
זה תפקידו של המהדר (compiler):
gcc –o hello hello.c
דגל –o מאפשר לציין את שם קובץ הריצה (executable) - "hello” במקרה זה.

5. המהדר ארבעה שלבים, כל אחד מופעל על ידי תוכנית נפרדת. Text Binary
Pre-
processor
(cpp)
Compiler
(cc1)
hello.c
hello.i
hello.s
Text
Source
program
(text)
Modified
source
program
(text)
Assembly
program
(text)
printf.o
Assembler
(as)
Linker
(ld)
hello.o
hello
Binary
Relocatable
object
programs
(binary)
Executable
object
program
(binary)

6. שלב 1: עיבוד מקדים cpp (preprocessor): מתקבל קובץ יחיד עם C "טהור".
מחבר את הכול לקובץ טקסט אחד #include <...>
מבצע הוראות preprocessing #ifdef ... #endif
מעלים הערות /* ... */
מתקבל קובץ יחיד עם C "טהור".
hello.i

7. שלב 2 : תרגום הידור – תרגום לשפת assembly
בשפה זאת כל שורה מייצגת פקודה 'נמוכה' אחת שהמחשב תומך בה.
שפה משותפת לכל השפות העיליות.
תוכניות ב C, C++, Pascal,... כולן יתורגמו ל assembly
לא לכל המחשבים ("מכונות") יש אותה שפת מכונה.
שפת מכונה נקראת Instruction Set Architecture (ISA)
שפת המכונה של Intel נקראת IA-32

8. חידה
מהי קבוצת הפקודות הבסיסיות הקטנה ביותר איתה ניתן לקבל פונקציונליות מלאה ?
תשובה: פקודה אחת מספיקה...
בפועל משתמשים במספר מאות.
קיים קורס בטכניון בשם 'חישוביות' העוסק בשאלות מסוג
מה ניתן לחשב ?
מה המכונה הפשוטה ביותר שיכולה לחשב את כל מה שניתן לחשב ?

9. כמה פקודות ? מחשבי Sun, Mac,Alpha משתמשים באוסף קטן של פקודות
טכנולוגיה (ואידיאולוגיה) הנקראים Reduced Instruction Set Computer (RISC)
מחשבי PC משתמשים בקבוצה גדולה של הוראות
טכנולוגיה (ואידיאולוגיה) הנקראים Complex Instruction Set Computer (CISC)

10. מיקום תוצאה (רק חלק מהפקודות)
מבנה פקודה
פקודה נראית באופן הבא:
opcode operand1 operand2 result
נניח ש R1,R2,R3 הם שמות של רגיסטרים ("אוגרים") או כתובות בזיכרון הראשי.
add R1 R2 R3
קוד של הפקודה
פרמטר ראשון
פרמטר שני
מיקום תוצאה (רק חלק מהפקודות)

11. אופרנדים (פרמטרים) של הפקודה
.file "hello.c"
.section rodata
.LC0:
.string "hello world"
.text
.globl main
.type
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax
addl $15, %eax
shrl $4, %eax
sall $4, %eax
subl %eax, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0
call printf
addl $16, %esp
leave
ret
.size main, .-main
.section
.ident "GCC: (GNU) (Mandrakelinux mdk)"
gcc –s hello.c
מייצר קובץ hello.s
שם של רגיסטר
push R1
move R2, R1
subtract M[1], R2
and M[2], R2
move M[0], R3
אופרנדים (פרמטרים) של הפקודה
פקודות

12. אופרנדים (פרמטרים) של הפקודה
.file "hello.c"
.section rodata
.LC0:
.string "hello world"
.text
.globl main
.type
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax
addl $15, %eax
shrl $4, %eax
sall $4, %eax
subl %eax, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0
call printf
addl $16, %esp
leave
ret
.size main, .-main
.section
.ident "GCC: (GNU) (Mandrakelinux mdk)"
gcc –s hello.c
מייצר קובץ hello.s
שם של רגיסטר
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax
אופרנדים (פרמטרים) של הפקודה
פקודות

13. מהדרים המהדר הוא תוכנית גדולה ומתוחכמת.
מקבל הרבה החלטות על איך לייצר קוד assembly יעיל.
מכיל אופטימיזציות רבות לתיקון 'קוד גרוע' של מתכנתים.
חשוב להבין מה המהדר יכול לעשות ומה לא.
כך נוכל 'לעזור לו' לעזור לנו.
נוכל לייצר קוד יעיל יותר.
קיימים מספר קורסים בטכניון העוסקים בשלב זה.
"תורת הקומפילציה"

14. אופטימיזציות של מהדרים - דוגמה
while (j < maximum - 1){
j = j + (4+array[k])*pi+5; }
החישוב של maximum – 1 ושל (4+array[k])*pi+5 יכול להיעשות מחוץ ללולאה. התוצאה:
int maxval = maximum - 1;
int calcval = (4+array[k])*pi+5;
while (j < maxval){
j = j + calcval; }
ניתן אפילו:
j = j + floor((maxval – j)/calcval) * calcval;

15. שלב 3: Assembler נותר לתרגם את hello.s לשפת מכונה
יוצר קובץ בשם hello.o
לידיעה: קיימת אפשרות לתרגום בכיוון ההפוך.
תוכניות מסוג זה נקראות disassemblers
ב Linux: objdump –d <program name.o>

16. שלב 4: קישור (linking)
הקוד של printf נמצא בקובץ .o אחר המסופק עם הספריות הסטנדרטיות של C.
המקשר (linker) מחבר את שני הקבצים ויוצר קובץ hello.

17. חידה
מהי שפת התכנות הקטנה ביותר שנותנת פונקציונליות מלאה ?
שלושת הפקודות הבאות מספיקות:
השמה x := y if
goto
מסקנה: בפועל כל המחשבים וכל השפות נותנים לנו בדיוק את אותה פונקציונליות (יכולת חישובית).
(עד כדי אילוצי זיכרון שונים)
מהירות שונה

18. ועכשיו - החומרה בקורס זה נעסוק רק מעט בחומרה.
חשוב להבין רק את המבנה הכללי של המחשב.
ועכשיו... נשימה עמוקה

19. זיכרון מבוסס על מערך רכיבים בשם DRAM
כתובת הפקודה הבאה
כאן נעשים החישובים
CPU
מבנה כללי - Pentium
Register file
ALU
אחסון זמני
8 int, 8 float
זיכרון מבוסס על מערך רכיבים בשם DRAM PC
System bus
Memory bus
Main
memory
Bus interface
I/O
bridge
I/O bus
Expansion slots for
other devices such
as network adapters
USB
controller
Graphics
adapter
Disk
controller
BUS – מוליך מידע בגודל 'מילה' (32 סיביות)
Mouse
Keyboard
Display
Disk
hello executable
stored on disk

20. מה המחשב עושה ? שוב ושוב את אותו הדבר ("מחזור פקודה"):
קורא פקודה המוצבעת על ידי ה – PC
מפרש אותה
מבצע אותה
מעדכן את ה PC עם כתובת הפקודה הבאה.
לא סדרתי. למשל פקודת jmp מצביעה למקום קודם.

21. סוגי פקודות ב - assembler
Load: העתק מילה מהזיכרון הראשי לרגיסטר.
Store: העתק מילה מרגיסטר לזיכרון.
Update: העתק תוכן של שני רגיסטרים ל ALU, ה ALU יבצע איתם חישוב וישמור את התוצאה ברגיסטר.
I/O read: העתק מילה מהתקן I/O לרגיסטר
I/O write: העתק מילה מרגיסטר להתְקן I/O
Jump: העתק את האופרנד לתוך ה PC
פקודות לוגיות ומתמטיות: add, subt, mull, div ,and,not,or

22. נחזור לתוכנית שלנו
הגיע הזמן לכתוב hello

23. hello מגיע לזיכרון CPU Register file ALU PC System bus Memory bus Main
Bus interface
I/O
bridge
"hello"
I/O bus
Expansion slots for
other devices such
as network adapters
USB
controller
Graphics
adapter
Disk
controller
למה דרך היע"ם? בפועל מה שקורה כאן הוא יותר מסובך. קיים חוצץ שמתמלא בפסיקות מהמקלדת. תהליך של מערכת ההפעלה דוגם את הפסיקות האלה וכתוצאה מכך קורא את האות הבאה מהחוצץ ועושה store לאות הבאה בזיכרון.
Mouse
Keyboard
Display
Disk
User
types
"hello"
hello מגיע לזיכרון

24. עכשיו מערכת ההפעלה נכנסת לפעולה
אחרי שהקשנו enter מערכת ההפעלה (אשר רצה ברקע כל הזמן) מעלה את hello לזיכרון.
ב Unix זאת לא מערכת ההפעלה אלא shell
ההעלאה היא ישירה, לא דרך המעבד
נקרא Direct Memory Access (DMA)

25. CPU
Register file
ALU PC
System bus
Memory bus
Main
memory
Bus interface
I/O
bridge
"hello,world\n"
hello code
I/O bus
Expansion slots for
other devices such
as network adapters
USB
controller
Graphics
adapter
Disk
controller
Mouse
Keyboard
Display
Disk
hello executable
stored on disk

26. עכשיו התוכנית בזיכרון תמיד בזיכרון
Kernel virtual memory
Memory mapped region for
shared libraries
Run-time heap
(created at runtime by malloc)
User stack
(created at runtime)
Unused
Memory
invisible to
user code
Read/write data
Read-only code and data
Loaded from the
hello executable file
printf() function
0xffffffff
קריאה לפונקציה מוסיפה שורה + data שהפונקציה שומרת כגון ערכי רגיסטרים. חזרה מפונקציה מוחקת את המידע הזה.
תוכניות רבות משתמשות בפונקציות ספריה. רק עותק אחד בזיכרון.

27. עכשיו התוכנית בזיכרון ה PC מצביע על הפקודה הראשונה.
בכל מחזור פקודה תתבצע פקודה אחת.
במקרה זה התוכנית גם תסתיים...

28. Main
memory
I/O
bridge
Bus interface
ALU
Register file
CPU
System bus
Memory bus
Disk
controller
Graphics
adapter
USB
Mouse
Keyboard
Display
I/O bus
Expansion slots for
other devices such
as network adapters
hello executable
stored on disk PC
hello code
"hello,world\n"

29. מספר נושאים שנלמד בקורס זה
ייצוג מידע
מידע: משתני int, float, ...
פקודות
שפת מכונה
כתיבת קוד יעיל:
לא תלוי מכונה
תלוי מכונה
הזיכרון
מערכת ההפעלה