Computer-Organization NOTES

Chapter2-4 Assembly & Compilation

Posted by LvKouKou on October 14, 2022

2-4 Assembly & Compilation

  • 编译执行：将要执行的源程序(高级语言编写)，先编译成可执行的程序(机器语⾔)， 然后再执⾏。

    （如C语言，C++ ）

  • 解释执行对要执行的源程序(高级语⾔编写)读取⼀句语句， 然后解释执行； 再读取下⼀句， 再解释执行， 直到程序结束。 （python，Java，matlab）

解释器和编译器

解释器

  • 解释器比编译器容易实现
  • 解释器更接近⾼级语⾔， 所以可以给出更好的错误信息便于调试。
  • 解释型语⾔最⼤的优势之⼀是其平台独立性： 可以在任何机器上运行。
  • 解释器更慢（10x ）解释型应⽤占⽤更多的内存和CPU资源。 这是由于为了运⾏解释型语⾔编写的程序， 相关的解释器必须⾸先运⾏。 解释器是复杂的、 智能的、 ⼤量消耗资源的程序， 并且它们会占⽤很多CPU周期和内存。由于解释型应⽤的decode-fetch-execute（解码-抓取-执⾏） 的周期， 它们⽐编译型程序慢很多。
  • 解释器也会做很多代码优化， 运⾏时安全性检查； 这些额外的步骤占⽤了更多的资源并进⼀步降低了应⽤的运⾏速度。

编译器

  • 翻译/编译的代码更高效， 因此性能更⾼：执⾏速度对于许多应⽤程序很重要， 尤其是操作系统。
  • 编译的代码做⼀次性的艰苦⼯作：在编译期间 。
  • 编译型程序比解释型程序消耗的内存更少 。
  • 编译型程序是⾯向特定平台的因⽽是平台依赖的。
  • 编译器在调试程序时提供不了多少帮助。
  • 可执行的编译型代码要比相同的解释型代码大许多。
  • 编译器（Compiler）的输出可能会包含伪指令（Pseudo-instructions ），要由汇编器（Assembler）将其替换掉。

常见伪指令

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汇编器

汇编器主要由三部分⼯作组成

  • 数据存储分配及初始化
  • 助记符转换成⼆进制机器指令
  • 地址解析

解析地址

“Old-style” 2-pass assembler approach

1st Pass ：第⼀道：数据/指令 被编码， 并在它们的段内分配偏移量， 同时构建符号表。未解析的地址引⽤设置为 0。

2nd Pass：在第⼆道， 如果可能，使⽤正确的值填充那些内存引⽤指令的相应字段

例子：

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Modern Way: 单道汇编器

现代的单道汇编器 single-pass 将更多信息保留在符号表中， 以便⼀次性解析地址，也有第⼆步， 称作回填 “back filling”

  • 知道的地址(back references) 可以⻢上解析
  • 未知的地址(forward references) ⼀旦解析则 回填“back-filled”
  • 对于每个符号, 引⽤列表 “reference list”被保留以跟踪哪些指令需要回填

汇编之后生成目标文件（object file）.o

链接器

有些地址解析汇编器单独解决不了 • 对其他对象模块中的数据或例程的引⽤ • 内存中所有段的布局 • ⽀持可重复使⽤的代码模块 • ⽀持可重定位代码模块 这个最后的解析⼯作由链接器 LINKER 完成

过程：

  • Step 1: 从.o ⽂件中提取每个代码段，把==所有代码段放在⼀起==

  • Step 2: 从每个.o ⽂件提取数据段, ==所有数据段放在⼀起, 并将其连接到代码段的末尾==

  • Step 3: 解析地址引用：

    • 遍历地址解析表Relocation Table; 处理每个⼊⼝地址
    • I.e.,填充所有绝对地址 absolute addresses

组合几个目标⽂件(.o) 到⼀个可执行⽂件 (“linking”)

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Static and Dynamic Libraries 静态和动态库

LIBRARIES 是存储为“目标文件”的子程序

• 为整个库维护⼀个全局符号表， 每个⼦程序都有⼊⼝点./ • 在库中的⼦程序可以由汇编器引⽤， ⼦程序的⼊⼝由链接器LINKER 解析, 并将适当的代码添加到可执⾏⽂件中。 这种链接称为静态链接 STATIC linking.

许多程序使用通用库

• 在多个可执⾏⽂件中包含相同的代码浪费内存和磁盘空间 • 静态链接的现代替代⽅案是允许加载器LOADER和程序本身解析库子程序的地址。 这种形式的衬⾥lining称为动态链接 (e.x. .dll).

MIPS 里的绝对地址

  • j/jal/sw/lw用的都是绝对地址

  • beq/bne用的是相对地址，PC=PC+4+4*offset

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Loader Basics 加载器

可执⾏⽂件存储在硬盘⾥，加载器的⼯作是把要运⾏的程序加载到内存，开始运⾏，加载器属于操作系统的⼯作 (OS)

Loader 工作

  1. 读执⾏⽂件的头⽂件以决定代码和数据段的⼤⼩
  2. 给程序创建新的地址空间， 留出⾜够代码、 数据、 堆栈所需空间
  3. 从可执⾏⽂件中拷⻉指令和数据到新的地址空间
  4. 拷⻉传递参数到堆栈 stack
  5. 初始化寄存器内容
  6. 大部分寄存器清零, 所分配的堆栈空间的第⼀个位置赋给堆栈指针，跳转到程序的第⼀条执⾏指令位置
  7. 如果程序退出， 则调⽤ exit 系统调⽤终⽌程序
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