Generación De Código Objeto

4 Generación de código objeto

 El generador de código objeto como lo menciona (Urbina, 2011) transforma el código Intermedio optimizado en código objeto de bajo nivel. Toma código intermedio y genera Código objeto para la máquina considerada Es la parte más próxima a la arquitectura de la Máquina. Habitualmente, se escriben ``a mano´´ desarrollo a medida´ para cada máquina Específica.

4.1 REGISTROS

¿Qué son?

Los registros son la memoria principal de la computadora. Existen diversos registros de propósito general y otros de uso exclusivo. Algunos registros de propósito general son utilizados para cierto tipo de funciones. Existen registros acumuladores, puntero de instrucción, de pila, etc.

Los registros son espacios físicos dentro del microprocesador con capacidad de 4 bits hasta 64 bits dependiendo del microprocesador que se emplee.

¿Quiénes lo utilizan?

para el desarrollo de esta parte hablaremos indistintamente de registros de activación o de marcos de pila. Esto se debe a que en la documentación encontrada sobre el manejo de los registros ebp y esp se hace mención a dicho concepto de marco de   pila.   Puesto   que   el   lenguaje   permite   recursividad,   los   registros   de   activación   se asignan dinámica mente. 

Distribución

La UCP o CPU tiene 14 registros internos, cada uno de ellos de 16 bits (una palabra). Los bits están enumerados de derecha a izquierda, de tal modo que el bit menos significativo es el bit 0.

Los registros se pueden clasificar de la siguiente forma: 

Registros de datos:

AX: Registro acumulador. Es el principal empleado en las operaciones aritméticas.

BX: Registro base. Se usa para indicar un desplazamiento.

CX: Registro contador. Se usa como contador en los bucles.

DX: Registro de datos.

Estos registros son de uso general y también pueden ser utilizados como registros de 8 bits, para utilizarlos como tales es necesario referirse a ellos como por ejemplo: AH y AL, que son los bytes alto (high) y bajo (low) del registro AX. Esta nomenclatura es aplicable también a los registros BX, CX y DX. 

Registros de segmentos: 

CS: Registro de segmento de código. Contiene la dirección de las instrucciones del programa. 

DS: Registro segmento de datos. Contiene la dirección del área de memoria donde se encuentran los datos del programa.

SS: Registro segmento de pila. Contiene la dirección del segmento de pila. La pila es un espacio de memoria temporal que se usa para almacenar valores de 16 bits (palabras).

ES: Registro segmento extra. Contiene la dirección del segmento extra. Se trata de un segmento de datos adicional que se utiliza para superar la limitación de los 64Kb del segmento de datos y para hacer transferencias de datos entre segmentos.

Registros punteros de pila:

SP: Puntero de la pila. Contiene la dirección relativa al segmento de la pila.

BP: Puntero base. Se utiliza para fijar el puntero de pila y así poder acceder a los elementos de la pila.

Registros índices:

 SI: Índice fuente.

 DI: Índice destino.

                        

                             

                             

                                  

4.2 Lenguaje ensamblador

¿Qué es?

El   lenguaje   Assembly  (Urbina,   2011)  (a   veces   mal   llamado   "Ensamblador"   por  su traducción literal al español) es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de computadora

 Segunda generación de lenguajes

Versión simbólica de los lenguajes máquina (Urbina, 2011) (MOV, ADD).La comunicación en lenguaje de máquina es particular de cada procesador que se usa, y programar en este lenguaje es muy difícil y tedioso, por lo que se empezó a buscar mejores medios de comunicación con ésta. Los lenguajes ensambladores tienen ventajas sobre los lenguajes de máquina.

Este lenguaje  fue  usado  ampliamente  en el  pasado para  el  desarrollo de software, pero actualmente sólo se utiliza encontradas   ocasiones,   especialmente   cuando   se requiere   la manipulación directa del hardware o se pretenden rendimientos inusuales de los equipos

Características:

El programa lee un archivo escrito en lenguaje ensamblador y sustituye cada uno de los códigos mnemotécnicos por su equivalente código máquina. Los programas se hacen fácilmente portables de máquina a máquina y el cálculo de bifurcaciones se hace de manera fácil.

Clasificación:

• Ensambladores básicos: Son de muy bajo nivel, y su tarea consiste básicamente, en ofrecer nombres simbólicos a las distintas instrucciones, parámetros y cosas tales como los modos de direccionamiento
• Ensambladores modulares, o macro ensambladores:Descendientes de los ensambladores básicos, fueron muy populares en las décadas de los 50 y los 60, fueron antes de la generalización de los lenguajes de alto nivel. Un macroinstrucción es el equivalente a una función en un lenguaje de alto nivel.

Operaciones básicas

(Urbina, 2011) Las operaciones básicas en un lenguaje ensamblador son la suma la resta la multiplicación y la división y Necesitara un poco más de información sobre la  arquitectura y SO para el cual programas.

Pero la idea básica es:

--definir que parámetros tendrá la función.

--hacer el programa, propiamente dicho, en assembler.

Siguiendo la convención de pasaje de parámetros, manejará registros y posiciones de  memoria, devolviendo los resultados en donde deba (una posición de memoria, el registro eax, etc.).

                   

4.3 Lenguaje Máquina

 Es el que proporciona poca o ninguna abstracción del microprocesador de un ordenador. El lenguaje máquina solo es entendible por las computadoras. Se basa en una lógica binaria de 0 y 1, generalmente implementada por mecanismos eléctricos. En general el lenguaje maquina es difícil de entender para los humanos por este motivo hacemos uso de lenguajes más parecidos a los lenguajes naturales.

Se denomina lenguaje máquina a la serie de datos que la parte física de la computadora o hardware, es capaz de interpretar. El lenguaje máquina fue el primero que empleo el hombre para la programación de las primeras computadoras. Una instrucción en lenguaje máquina puede representarse   de   la   siguiente   forma:  011011001010010011110110.   Esta   secuencia   es fácilmente ejecutada por la computadora, pero es de difícil interpretación, siendo aún más difícil la interpretación de un programa (conjunto de instrucciones) escrito de esta forma.

Esta   dificultad   hace   que   los   errores   sean   frecuentes   y   la   corrección   de   los   mismos costosa, cuando no imposible, al igual que la verificación y modificación de los programas.

Características:

El lenguaje máquina realiza un conjunto de operaciones predeterminadas llamadas micro operaciones. Las micro operaciones sólo realizan operaciones del tipo aritmética (+,- ,*,/), lógicas (AND, OR, NOT) y de control (secuencial, de control y repetitiva). El lenguaje maquina es dependiente del tipo de arquitectura. Así un programa máquina para una arquitectura Intel x86 no sé ejecutara en una arquitectura Power PC de IBM (al menos de manera nativa).

Algunos microprocesadores implementan mas funcionalidades llamado CISC, pero son más lentos que los RISC ya que estos tienen registros más grandes.

Ventajas

• Mayor adaptación al equipo.
• Máxima velocidad con mínimo uso de memoria.

Desventajas

• Imposibilidad de escribir código independiente de la máquina.
• Mayor dificultad en la programación y en la comprensión de los programas.
• El programador debe conocer más de un centenar de instrucciones.
• Es necesario conocer en detalle la arquitectura de la máquina.

4.4 Administrador de memoria

La administración de la memoria es un proceso hoy en día muy importante, de tal modo que su mal o buen uso tiene una acción directa sobre el desempeño de memoria. En general un ensamblador tiene un administrador de memoria más limitado que un compilador; en la mayoría de los lenguajes de programación el uso de punteros no estaba vigilado por lo que se tienen muchos problemas con el uso de memoria. Los lenguajes más recientes controlan el uso de punteros y tienen un programa denominado recolector de basura que se encarga de limpiar la memoria no utilizada mejorando el desempeño.

La   memoria   principal   puede   ser   considerada   como   un arreglo lineal de localidades de almacenamiento de un byte de tamaño. Cada localidad de almacenamiento tiene asignada una dirección que la identifica

 Se distinguen los siguientes propósitos del sistema de administración de memoria:

Protección.

Si   varios   programas   comparten   la   memoria   principal,   se   debería   asegurar   que   el programa no sea capaz de cambiar las ubicaciones no pertenecientica él. Aunque una acción  de  escritura  puede  tener efectos  más graves que una  de  lectura,  esta última tampoco debería estar permitida, para proporcionar algo de privacidad al programa.

Compartimiento.

Este objetivo parece contradecir al anterior, sin embargo a veces es necesario para los usuarios poder compartir y actualizar información (por ejemplo, en una base de datos) y, si se organiza la tarea de entrada a la misma, se puede evitar el tener varias copias de la rutina.

Reubicación.

La técnica de multiprogramación requiere que varios programas ocupen la memoria al mismo  tiempo.   Sin   embargo   no   se   sabe   con   anticipación   donde   será   cargado   cada programa por lo que no es práctico usar direccionamiento absoluto de memoria.

Organización física.

Debido al  costo  de una  memoria  principal  rápida, éste se   usa   en   conjunto  con una memoria secundaria mucho más lenta (y por consiguiente, barata) a fines de extender su capacidad.

Organización lógica.

 Aunque   la   mayor   parte   de   las   memorias   son   organizadas   linealmente   con   un direccionamiento secuencial, esto difícilmente concuerde con el camino seguido por el programa, debido al uso de procedimientos, funciones, subrutinas, arreglos, etc

Lenguaje Ensamblador

LENGUAJE ENSAMBLADOR

Tipos De Optimización

3.1.-    Tipos De Optimización

Tipos de optimización:

Optimizaciones Globales

Optimizaciones de Ciclo

Optimización de Mirilla

Optimizaciones Locales

•  La optimización es un proceso que tiene a minimizar o maximizar alguna variable de rendimiento, generalmente tiempo, espacio, procesador, etc.

• La optimización se realiza reestructurando el código de tal forma que el nuevo código generado tenga mayores beneficios.

Optimización Local

• Las optimizaciones locales se realizan sobre el bloque básico

• Optimizaciones locales

– Folding

– Propagación de constantes

– Reducción de potencia

– Reducción de subexpresiones comunes

Bloque Básico

• Un bloque básico es un fragmento de código que tiene una única entrada y salida, y cuyas instrucciones se ejecutan secuencialmente. Implicaciones:

– Si se ejecuta una instrucción del bloque se ejecutan todas en un orden conocido en tiempo de compilación.

• La idea del bloque básico es encontrar partes del programa cuyo análisis necesario para la optimización sea lo más simple posible.

Ensamblamiento (Folding)

• El ensamblamiento es remplazar las expresiones por su resultado cuando se pueden evaluar en tiempo de compilación (resultado constante).

– Ejemplo: A=2+3+A+C -> A=5+A+C

• Estas optimizaciones permiten que el programador utilice cálculos entre constantes representados explícitamente sin introducir ineficiencias.

Implementación del Folding

• Implementación del floding durante la generación de código realizada conjuntamente con el análisis sintáctico.

– Se añade el atributo de constante temporal a los símbolos no terminales y a las variables de la tabla de símbolos.

– Se añade el procesamiento de las constantes a las reglas de análisis de expresiones.

– Optimiza: 2+3+b -> 5+b

• Hay una suma de constantes (2+3)+b

– No optimiza: 2+b+3 -> 2+b+3

• No hay una suma de constantes (2+b)+3

Implementación del Folding

• Implementación posterior a la generación de código

– Buscar partes del árbol donde se puede aplicar la propiedad conmutativa:

• Sumas/restas: como la resta no es conmutativa se transforma en sumas: a+b-c+d -> a+b+(-c)+d

• Productos/divisiones: como la división no es conmutativa se transforma en productos: a*b/c*e -> a*b*(1/c)*e

– Buscar las constantes y operarlas

– Reconstruir el árbol.

Propagación de constantes

• Desde que se asigna a una variable un valor constante hasta la siguiente asignación, se considera a la variable equivalente a la constante.

• Ejemplo: Propagación Ensamblamiento

PI=3.14 -> PI=3.14 -> PI=3.14

G2R=PI/180 -> G2R=3.14/180 -> G2R=0.017

PI y G2R se consideran constantes hasta la próxima asignación.

• Estas optimizaciones permiten que el programador utilice variables como constantes sin introducir ineficiencias. Por ejemplo en C no hay constantes y será lo mismo utilizar

– Int a=10;

– #define a 10

Con la ventaja que la variable puede ser local.

• Actualmente en C se puede definir const int a=10;

implementación de la Propagación de Constantes

• Separar el árbol en bloques básicos

– Cada bloque básico será una lista de expresiones y asignaciones

• Para cada bloque básico

– Inicializar el conjunto de definiciones a conjunto vacío.

• Definición: (variable,constante)

– Procesar secuencialmente la lista de expresiones y asignaciones

– Para expresión y asignación

• Sustituir las apariciones de las variables que se encuentran en el conjunto de definiciones por sus constantes asociadas.

– Para asignaciones

• Eliminar del conjunto de definiciones la definición de la variable asignada

• Añadir la definición de la variable asignada si se le asigna una constante.

3.1.1 Locales

     LOCALES

La optimización local se realiza sobre módulos del programa. En la mayoría de las ocasiones a través de funciones, métodos, procedimientos, clases, etc.

Las características de las optimizaciones locales es que solo se ven reflejados en dichas secciones. La optimización local sirve cuando un bloque de programa o sección es crítico por ejemplo: la E/S, la concurrencia, la rapidez y confiabilidad de un conjunto de instrucciones.

EJEMPLOS:

    1-  Ejecución en tiempo de compilación

Precalcular  expresiones constantes (con constantes o variables cuyo valor no cambia).

3 ! i = 5

j = 4

f = j + 2.5

!

j = 4

f = 6.5

    2- Reutilización de expresiones comunes

a = b + c

d = a - d

e = b + c

f = a - d

!

a = b + c

d = a - d

e = a

f = a – d

   3-  Propagación de copias

Ante instrucciones f=a, sustituir todos los usos de f por a.

a = 3 + i

f = a

b = f + c

d = a + m

m = f + d

!

a = 3 + i

b = a + c

d = a + m

m = a + d

    4-  Eliminación redundancias en acceso matrices

Localizar expresiones comunes en cálculo direcciones de matrices.

    5- Transformaciones algebraicas:

Aplicar propiedades matemáticas para simplificar expresiones

o   Eliminación secuencias nulas

o   Reducción de potencia

o   Reacondicionamiento de operandos

3.1.2 Ciclos

Los ciclos son una de las partes más esenciales en el rendimiento de un programa dado que realizan acciones repetitivas, y si dichas acciones están mal realizadas, el problema se hace N veces más grandes. La mayoría de las optimizaciones sobre ciclos tratan de encontrar elementos que no deben repetirse en un ciclo.

El problema de la optimización en ciclos y en general radica en que es muy difícil saber el uso exacto de algunas instrucciones. Así que no todo código de proceso puede ser optimizado. Otro uso de la optimización puede ser el mejoramiento de consultas en SQL o en aplicaciones remotas (sockets, E/S, etc.).

El problema de la optimización en ciclos y en general radica es que muy difícil saber el uso exacto de algunas instrucciones. Así que no todo código de proceso puede ser optimizado.

3.1.3 Globales

La optimización global se da con respecto a todo el código.

• Este tipo de optimización es más lenta pero mejora el desempeño general de todo programa.

• Las optimizaciones globales pueden depender de la arquitectura de la máquina.

Optimización global

• En algunos casos es mejor mantener variables globales para agilizar los procesos (el proceso de declarar variables y eliminarlas toma su tiempo) pero consume más memoria.

• Algunas optimizaciones incluyen utilizar como variables registros del CPU, utilizar         instrucción  es  enensamblador.

                        3.1.4 De Mirilla

La optimización de mirilla trata de estructurar de manera eficiente el flujo del programa, sobre todo en instrucciones de bifurcación como son las decisiones, ciclos y saltos de rutinas. La idea es tener los saltos lo más cerca de las llamadas, siendo el salto lo más pequeño posible.

Ideas básicas:

• Se recorre el código buscando combinaciones de instrucciones que pueden ser reemplazadas por otras equivalentes más eficientes.
• Se utiliza una ventana de n instrucciones y un conjunto de patrones de transformación (patrón, secuencias, remplazan).
• Las nuevas instrucciones son reconsideradas para las futuras optimizaciones.

Ejemplos:

• Eliminación de cargas innecesarias
• Reducción de potencia
• Eliminación de cadenas de saltos

7.2 Costos

  Los costos son el factor más importante a tomar en cuenta a la hora de optimizar ya que en ocasiones la mejora obtenida puede verse no reflejada en el programa final, pero si ser perjudicial para el equipo de desarrollo.

 • La optimización de una pequeña mejora tal vez tenga una pequeña ganancia en tiempo o en espacio, pero sale muy costosa en tiempo en generarla.

  • Pero en cambio si esa optimización se hace por ejemplo en un ciclo, la mejora obtenida puede ser N veces mayor por lo cual el costo se minimiza y es benéfico la mejora.

 • Por ejemplo: for (int i=0; i < 10000; i++); si la ganancia es de 30 ms 300s.

7.2.1 Costo de ejecución (Memoria, Registro, Pilas).

   Los costos de ejecución son aquellos que vienen implícitos al ejecutar el programa. 

   

   • En algunos programas se tiene un mínimo para ejecutar el programa, por lo que el espacio y la velocidad del microprocesadores son elementos que se deben optimizar para tener un mercado potencial más amplio. Costos de ejecución

    • Las aplicaciones multimedias como los videojuegos tienen un costo de ejecución alto por lo cual la optimización de su desempeño es crítico, la gran mayoría de las veces requieren de procesadores rápidos (e.g. tarjetas de vídeo) o de mucha memoria.

  

   • Otro tipo de aplicaciones que deben optimizarse son las aplicaciones para dispositivos móviles. Costos de ejecución 

  • Los dispositivos móviles tiene recursos más limitados que un dispositivo de cómputo convencional razón por la cual, el mejor uso de memoria y otros recursos de hardware tiene mayor rendimiento.

  

 • En algunos casos es preferible tener la lógica del negocio más fuerte en otros dispositivos y hacer uso de arquitecturas descentralizadas como cliente/servidor o P2P.

   

       7.2.2 Criterios para mejorar el código

     La mejor manera de optimizar el código es hacer ver a los programadores que optimicen su código desde el inicio, el problema radica en que el costo podría ser muy grande ya que tendría que codificar más y/o hacer su código mas legible. 

    • Los criterios de optimización siempre están definidos por el compilador Criterios de optimización 

   • Muchos de estos criterios pueden modificarse con directivas del compilador desde el código o de manera externa.

  

  • Este proceso lo realizan algunas herramientas del sistema como los ofuscadores para código móvil y código para dispositivos móviles.

      

         7.2.3 Herramientas para el análisis del flujo de datos 

    • Existen algunas herramientas que permiten el análisis de los flujos de datos, entre ellas tenemos los depuradores y desambladores. 

      • La optimización al igual que la programación es un arte y no se ha podido sistematizar del todo.