P-кодовая машина - P-code machine

В компьютерное программирование, а машина p-кода, или же портативная кодовая машина[1] это виртуальная машина предназначен для выполнения p-код (в язык ассемблера гипотетического процессора). Этот термин применяется ко всем таким машинам (например, Виртуальная машина Java и MATLAB предварительно скомпилированный код), а также для конкретных реализаций, наиболее известной из которых является p-Machine Паскаль-П система, особенно UCSD Паскаль реализация (среди разработчиков которой «p» в «p-коде» толковалось как «псевдокод» чаще, чем «переносимый», «псевдокод», таким образом означая инструкции для псевдо-машины).

Хотя концепция была впервые реализована примерно в 1966 году (как О-код за BCPL и P - код для Язык Эйлера ),[2] термин p-код впервые появился в начале 1970-х годов. Два ранних компиляторы генерирующий p-код был составлен компилятором Pascal-P в 1973 году Кесавом В. Нори, Урсом Амманном, Кэтлин Йенсен, Хансом-Генрихом Нэгели и Кристианом Якоби,[3] и Паскаль-S компилятор в 1975 г. Никлаус Вирт.

Программы, переведенные на p-код, могут быть интерпретированный с помощью программного обеспечения, которое имитирует поведение гипотетического ЦП, или переведено в машинный код ЦП, на котором должна выполняться программа, а затем выполняться. Если есть достаточный коммерческий интерес, может быть построена аппаратная реализация спецификации ЦП (например, Паскаль MicroEngine или версия Процессор Java ).

Преимущества и недостатки внедрения p-кода

По сравнению с прямым переводом на родной Машинный код, двухэтапный подход, включающий перевод в p-код и выполнение устный переводчик или же своевременный компилятор дает несколько преимуществ.

  • Гораздо проще написать небольшой интерпретатор p-кода для новой машины, чем модифицировать компилятор для генерации собственного кода для той же машины.
  • Генерация машинного кода - одна из наиболее сложных частей написания компилятора. Для сравнения, генерация p-кода намного проще, потому что никакое машинно-зависимое поведение не должно учитываться при генерации байт-код. Это делает его полезным для быстрого запуска и запуска компилятора.
  • Поскольку p-код основан на идеальной виртуальной машине, программа p-кода часто намного меньше, чем та же программа, переведенная в машинный код.
  • Когда p-код интерпретируется, интерпретатор может применять дополнительные проверки во время выполнения которые сложно реализовать с помощью собственного кода.

Одним из существенных недостатков p-кода является скорость выполнения, которую иногда можно исправить с помощью JIT-компилятор. P-код часто также проще обратный инженер чем собственный код.

В начале 1980-х годов по крайней мере два операционные системы достигнуто машинная независимость благодаря широкому использованию p-кода. В Операционная система для бизнеса (BOS) была кроссплатформенной операционной системой, предназначенной исключительно для запуска программ с p-кодом. В UCSD p-система, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего, был самкомпилированным и самостоятельный[требуется разъяснение ] операционная система на основе p-кода, оптимизированная для генерации Паскаль язык программирования.

В 1990-х годах перевод в p-код стал популярной стратегией для реализации таких языков, как Python, Microsoft P-код в Visual Basic и Байт-код Java в Ява.[4][неудачная проверка ]

В Язык программирования Go использует универсальную переносимую сборку как форму p-кода, реализованную Кен Томпсон как продолжение работы над План 9 от Bell Labs. В отличие от CLR байт-код или байт-код JVM, стабильной спецификации нет, а инструменты сборки Go не генерируют формат байт-кода для использования в более позднее время. Ассемблер Go использует общий язык ассемблера как промежуточное представление, и исполняемые файлы Go зависят от машины статически связанный двоичные файлы.[5]

UCSD p-машина

Архитектура

Как и многие другие машины с p-кодом, p-машина UCSD является штабелеукладчик, что означает, что большинство инструкций берут свои операнды из стека и помещают результаты обратно в стек. Таким образом, команда «сложить» заменяет два самых верхних элемента стека их суммой. Несколько инструкций требуют немедленного аргумента. Как и Pascal, p-код строго типизирован, изначально поддерживает типы boolean (b), character (c), integer (i), real (r), set (s) и указатель (a).

Несколько простых инструкций:

Insn. Стек Описание стека до после adi i1 i2 i1 + i2 добавить два целых числа adr r1 r2 r1 + r2 добавить два вещественных числа dvi i1 i2 i1 / i2 целочисленное делениеinn i1 s1 b1 установить членство; b1 = является ли i1 членом s1ldci i1 i1 load integer constantmov a1 a2 movenot b1 ~ b1 логическое отрицание

Среда

В отличие от других сред на основе стека (например, Четвертый и Виртуальная машина Java ), но очень похожий на реальный целевой ЦП, p-System имеет только один стек, совместно используемый кадрами стека процедур (обеспечивая обратный адрес и т. д.) и аргументы в местные инструкции. Три машины регистры точка в стек (который растет вверх):

Также присутствует постоянная площадь, а под ней куча растет вниз к стеку. НП ( новый указатель ) регистр указывает на верхнюю часть (наименьший используемый адрес) кучи. Когда EP становится больше NP, память машины исчерпана.

Пятый регистр, PC, указывает на текущую инструкцию в области кода.

Соглашения о вызовах

Фреймы стека выглядят так:

EP -> local stackSP -> ... locals ... parameters ... return address (предыдущий ПК) предыдущий EP динамическая ссылка (предыдущий MP) статическая ссылка (MP окружающей процедуры) MP -> возвращаемое значение функции

Последовательность вызова процедуры работает следующим образом: вызов вводится с помощью

 mst n

куда п определяет разницу в уровнях вложенности (помните, что Паскаль поддерживает вложенные процедуры). Эта инструкция будет отметка стек, то есть зарезервировать первые пять ячеек указанного выше кадра стека и инициализировать предыдущую EP, динамическую и статическую ссылку. Затем вызывающий абонент вычисляет и передает любые параметры процедуры, а затем выдает

 чашка n, p

для вызова пользовательской процедуры (п количество параметров, п адрес процедуры). Это сохранит ПК в ячейке обратного адреса и установит адрес процедуры как новый ПК.

Пользовательские процедуры начинаются с двух инструкций

 ent 1, i ent 2, j

Первый устанавливает SP в MP + я, второй устанавливает EP в SP + j. Так я по существу определяет пространство, зарезервированное для местных жителей (плюс количество параметров плюс 5), и j дает количество записей, необходимых локально для стека. На этом этапе проверяется нехватка памяти.

Возврат к звонящему осуществляется через

 retC

с C с указанием типа возврата (i, r, c, b, a, как указано выше, и p, если значение не возвращается). Возвращаемое значение должно быть предварительно сохранено в соответствующей ячейке. Для всех типов, кроме p, при возврате это значение останется в стеке.

Вместо вызова пользовательской процедуры (чашки) стандартная процедура q можно назвать с

 csp q

Эти стандартные процедуры являются процедурами Паскаля, например readln () (csp rln), грех () (csp sin) и т. д. eof () вместо этого является инструкцией p-кода.

Пример машины

Никлаус Вирт определил простую машину p-кода в книге 1976 года. Алгоритмы + Структуры данных = Программы. У машины было 3 регистра - a счетчик команд п, а базовый регистр б, а регистр вершины стека т. Всего было 8 инструкций:

  1. горит 0, а : постоянная нагрузки а
  2. опр 0, а : выполнить операцию а (13 операций: ВОЗВРАТ, 5 математических функций и 7 функций сравнения)
  3. дом л, а : загрузить переменную л, а
  4. сто л, а : хранить переменную л, а
  5. кал л, а : вызов процедуры а на уровне л
  6. int 0, а : увеличить t-регистр на а
  7. jmp 0, а : перейти к а
  8. jpc 0, а : переход по условию к а[6]

Это код машины, написанный на Паскале:

const	Amax=2047;      {максимальный адрес}	levmax=3;       {максимальная глубина вложения блоков}	cxmax=200;      {размер массива кода}тип 	fct=(горит,опр,дом,сто,кал,int,jmp,jpc);	инструкция=упакованный записывать 		ж:fct;		л:0..levmax;		а:0..Amax;	конец;вар	код: множество [0..cxmax] из инструкция;процедура интерпретировать;  const размер стека = 500;  вар    п, б, т: целое число; {программные, базовые, верхние регистры}    я: инструкция; {регистр инструкций}    s: множество [1..размер стека] из целое число; {хранилище данных}  функция основание(л: целое число): целое число;    вар b1: целое число;  начинать    b1 := б; {найти базовый уровень l ниже}    пока л > 0 делать начинать      b1 := s[b1];      л := л - 1    конец;    основание := b1  конец {основание};начинать  Writeln('start pl / 0');  т := 0; б := 1; п := 0;  s[1] := 0; s[2] := 0; s[3] := 0;  повторение    я := код[п]; п := п + 1;    с я делать      дело ж из        горит: начинать т := т + 1; s[т] := а конец;        опр:           дело а из {оператор}            0:               начинать {возвращаться}                т := б - 1; п := s[т + 3]; б := s[т + 2];              конец;            1: s[т] := -s[т];            2: начинать т := т - 1; s[т] := s[т] + s[т + 1] конец;            3: начинать т := т - 1; s[т] := s[т] - s[т + 1] конец;            4: начинать т := т - 1; s[т] := s[т] * s[т + 1] конец;            5: начинать т := т - 1; s[т] := s[т] div s[т + 1] конец;            6: s[т] := ord(странный(s[т]));            8: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] = s[т + 1]) конец;            9: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] <> s[т + 1]) конец;            10: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] < s[т + 1]) конец;            11: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] >= s[т + 1]) конец;            12: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] > s[т + 1]) конец;            13: начинать т := т - 1; s[т] := ord(s[т] <= s[т + 1]) конец;          конец;        дом: начинать т := т + 1; s[т] := s[основание(л) + а] конец;        сто: начинать s[основание(л)+а] := s[т]; Writeln(s[т]); т := т - 1 конец;        кал:           начинать {создать новую метку блока}            s[т + 1] := основание(л); s[т + 2] := б; s[т + 3] := п;            б := т + 1; п := а          конец;        int: т := т + а;        jmp: п := а;        jpc: начинать если s[т] = 0 тогда п := а; т := т - 1 конец      конец {с, case}  до того как п = 0;  Writeln('конец пл / 0');конец {интерпретировать};

Эта машина использовалась для запуска вирта PL / 0, компилятор подмножества Паскаля, используемый для обучения разработке компиляторов.[7][неудачная проверка ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аптон, Эбен; Дантеманн, Джеффри; Робертс, Ральф; Мамтора, Тим; Эверард, Бен (13 сентября 2016). Изучение компьютерной архитектуры с Raspberry Pi. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-1-119-18393-8.
  2. ^ Вирт, Никлаус; Вебер, Гельмут (1966). «EULER: обобщение АЛГОЛА и его формальное определение: Часть II». Коммуникации ACM. Нью-Йорк, США: Ассоциация вычислительной техники (ACM). 9 (2): 89–99. Дои:10.1145/365170.365202. S2CID  12124100.
  3. ^ Nori, Kesav V .; Амманн, Урс; Дженсен, Кэтлин; Нэгели, Ханс-Генрих; Якоби, Кристиан (1975). Замечания по реализации компилятора Pascal P. Цюрих, Швейцария: Eidgenössische Technische Hochschule (ETH).
  4. ^ «Система p-кода».
  5. ^ Пайк, Роберт С. (2016). «Дизайн Go Assembler» (Конференц-разговор). Получено 2017-08-25.
  6. ^ «Архив категорий: Вирт - Эйлер - Дизайн Никлауса Вирта и Гельмута Вебера». Паскаль для малых машин - языки вирт, Паскаль, UCSD, Turbo, Delphi, Freepascal, Oberon. 2018-08-02.
  7. ^ Альперт, Дональд (сентябрь 1979 г.). "Интерпретатор P-кода Pascal для Stanford Emmy" (PDF). Лаборатория компьютерных систем, факультеты элеотриальной инженерии и компьютерных наук, Стэнфордский университет. Техническая записка № 164. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

дальнейшее чтение