Sistemas Embebidos I , Tiago Miguel Dias ISEL, ADEETC - Secção de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores

Transcrição

1 Sistemas Embebidos I Licenciatura em Eng. de Electrónica e Telecomunicações e de Computadores Licenciatura em Engenharia Informática e de Computadores Mestrado em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

2 1. Conceito de Programa À descrição de um algoritmo através de uma linguagem de programação que possa ser interpretada por um computador dá-se o nome de programa. As linguagens de programação agrupam-se em três grandes famílias: Linguagem Máquina código das instruções em formato binário; Linguagem Assembly codificação das instruções usando mnemónicas; Linguagem de Alto-Nível codificação das instruções com vocabulário próximo das linguagens naturais. O aumento da complexidade dos algoritmos verificado nos últimos anos inviabiliza a escrita de programas totalmente em linguagem assembly. Devido à evolução das ferramentas de compilação, hoje em dia a maior parte do código de um programa é escrito em linguagem de alto-nível. Contudo, algumas das partes mais críticas do programa são ainda escritas em assembly e posteriormente ligadas ao resto do programa. 2

3 2. Modularização O desenvolvimento de um programa moderno é uma tarefa morosa e difícil, dada a complexidade dos algoritmos a implementar. Por este motivo, os programas são estruturados em módulos independentes e com funções bem definidas que são posteriormente interligados para se atingir a solução final para o problema. A modularização de um programa apresenta ainda as seguintes vantagens: Facilita a detecção de erros o erro fica contido a um módulo sendo mais simples e rápido identificar o módulo responsável pelo erro; Teste dos módulos individualmente reduz a complexidade do teste e permite começar a testar o programa antes de estar concluído; Manutenção do programa permite a correcção de erros, optimizações e acrescento de novas funcionalidades módulo a módulo, reduzindo a probabilidade de essa manutenção ter consequências imprevistas noutras partes do programa; Desenvolvimento independente de módulos simplifica o trabalho em equipa devido a permitir a atribuição de um/alguns módulos a cada elemento da equipa; Reutilização de código. 3

4 3. Estrutura de um Programa A estrutura típica de um programa modular assenta numa aproximação top-down, em que a solução para o problema a resolver passa pela sua decomposição em subproblemas de menor complexidade resolvidos de forma independente. xpto Programa rotina a rotina b rotina c rotina d rotina e rotina f rotina g rotina h rotina i Rotinas Folha rotina j 4

5 3. Estrutura de um Programa Cada módulo corresponde à resolução de um sub-problema, estando os sub-problemas de maior complexidade localizados nos níveis superiores da pirâmide, e pode ser reutilizado para a resolução de sub-problemas de maior ou igual complexidade. Os módulos que compõem um programa são designados genericamente por rotinas e consistem em blocos de código que implementam um dado algoritmo. Se uma rotina não invoca outra qualquer rotina denomina-se de rotina folha. As rotinas classificam-se em: Subrotinas blocos de código em assembly; Procedimentos blocos de código que não devolvem um resultado; Funções blocos de código que devolvem um resultado quando invocados. Em C/C++ apenas existem funções, quer devolvam ou não um valor quando são invocadas. 5

6 4. Função Em C/C++ uma função é definida por um cabeçalho seguido de um corpo, que consiste no conjunto de instruções entre {}. tipo_de_devolução nome(lista_de_parâmetros) No cabeçalho de uma função, que corresponde à sua interface, são indicados: o tipo do valor calculado ou devolvido pela função. Caso a função não calcule nada, é necessário colocar a palavra-chave void no lugar do tipo de dados devolvido. De notar que uma função em C/C++ só pode ter uma saída; o nome da função, que especifica o nome a ser usado para invocar a função; a lista de parâmetros da função, em que cada parâmetro é representado por um par tipo nome, sendo os pares separados por vírgulas. Cada parâmetro é uma variável local automaticamente iniciada com o valor do argumento respectivo usado para cada invocação da função. A definição de uma função deve ser única e indica a sua interface (i.e., como se utiliza a função e que nome tem) e a sua implementação (i.e., como funciona). Para que uma função possa ser utilizada num programa é necessário que a sua definição/declaração se encontre antes da primeira utilização. 6

7 Blocos de código escritos em linguagens de programação diferentes ou compilados/assemblados com ferramentas diferentes podem não permitir a interligação entre módulos. Para garantir a compatibilidade é preciso cumprir alguns requisitos quanto a: Utilização dos registos; Utilização do stack; Forma de passagem de parâmetros a rotinas; Forma de retorno de valores de rotinas. Na arquitectura ARM este conjunto de regras recebe o nome de Advanced Procedure Call Standard (APCS). A APCS pode apresentar algumas variantes consoante o sistema para o qual se está a desenvolver o código: espaço de endereçamento, reentrância do código, verificação do stack, implementação de instruções em vírgula-flutuante, 7

8 Utilização dos registos Os 16 registos visíveis ao programador (r0-r15) encontram-se agrupados em três classes consoante a sua função na invocação/retorno de funções: r0 a r3 São utilizados para passar parâmetros a rotinas. A norma não obriga a preservar o conteúdo destes registos entre chamadas a rotinas, pelo que caso tal seja necessário deve ser o programador a fazê-lo antes de invocar a rotina. r4 a r8 (r10) Estes registos são usados pelas rotinas para armazenar valores temporariamente aquando da sua execução. Contudo, o seu conteúdo deve ser preservado entre chamadas a rotinas, pelo que o programador deve guardar/repor o conteúdo dos registos utilizados na entrada/saída da rotina. r9 (r11) a r15 Estes registos desempenham uma função específica pelo menos durante algum tempo e numa das variantes da APCS. Os registos r14 (LR) e r15 (PC) estão comprometidos com a arquitectura do processador devido à instrução BL, e o registo r13 (SP) é usado como ponteiro para o stack. 8

9 Utilização dos registos Registo Nome APCS Função APCS r0 a1 Primeiro argumento r1 a2 Segundo argumento r2 a3 Terceiro argumento r3 a4 Quarto argumento r4 v1 Primeira variável em registo r5 v2 Segunda variável em registo r6 v3 Terceira variável em registo r7 v4 Quarta variável em registo r8 v5 Quinta variável em registo r9 v6 Sexta variável em registo r10 v7 Sétima variável em registo r11 fp Frame pointer r12 ip Intermediate pointer / Oitava variável em registo r13 sp Stack pointer (aponta para a última posição ocupada do stack) r14 lr Link register (guarda o endereço de retorno da rotina) r15 pc Program counter (aponta para a próxima instrução a executar) 9

10 Utilização do stack O stack é uma zona de memória dedicada para guardar dados temporariamente (salvaguarda do contexto do processador, parâmetros e variáveis locais de rotinas) com uma organização first-in-last-out (FILO) e apenas duas operações associadas: push e pop. O stack é implementado à custa de um bloco de memória alocado junto ao extremo superior do espaço de endereçamento do programa e de um ponteiro para endereçamento dessa zona de memória, o stack pointer. A execução de um push guarda um valor em stack e actualiza o stack pointer de modo a este passar a referenciar um endereço de memória inferior. A execução de um pop retira um valor do stack e actualiza o stack pointer de modo a este passar a referenciar um endereço de memória superior. Habitualmente o stack pointer referencia sempre o último valor guardado em stack, pelo que se diz que o stack é do tipo full descending. 10

11 Utilização do stack Antes Depois Antes Depois sp sp x x sp sp x x Endereços cresecentes Endereços cresecentes Guardar dados (push) Recuperar dados (pop) 11

12 Passagem de parâmetros As regras para passagem de parâmetros a rotinas segundo a APCS são: Os tipos de dados dos parâmetros a passar à função são definidos pela linguagem de programação utilizada. Em C/C++ os tipos de dados elementares bool, char, short, int, long e pointer ocupam 8, 8, 16, 32, 32 e 32-bit, respectivamente; Todos os parâmetros a passar à rotina ocupam uma word (32-bit). Os parâmetros de dimensão inferior são convertidos em word; Os parâmetros a passar à rotina formam uma lista ordenada pela ordem em que são escritos; As primeiras quatro (4) words são passadas nos registos r0-r3 e as restantes em stack a partir do endereço de memória apontado por SP; A rotina invocada não é obrigada a manter o conteúdo dos registos r0 a r3. 12

13 Passagem de parâmetros Exemplo: void xpto(int a, char b, short c, int d, char *e, int f); r0 a r2 c f sp r1 b r3 d e sp Endereços cresecentes Memória 13

14 Retorno de valores A APCS define três formas distintas para o retorno de valores de rotinas consoante o tipo de dados a devolver: No registo r0 Quando o tipo de dados a devolver tem uma dimensão igual ou inferior a uma word. Isto significa que qualquer tipo de dados básico é devolvido em r0, assim como estruturas que ocupem menos que 4-byte. Exemplo: struct { char a, b, c, d; } No par de registos r0-r1 Quando o valor a devolver ocupa 8-byte. Em memória Quando o tipo de dados a devolver consiste numa estrutura de dados com dimensão superior a 4-byte. Neste caso particular, é passado como argumento em r0 o endereço base da estrutura, que toma o nome de parâmetro escondido. A alocação do espaço em memória ocupado pela estrutura é responsabilidade da rotina que invoca a subrotina. 14

15 Prólogo e Epílogo A escrita de rotinas que cumpram as regras da norma APCS implica a preservação do conteúdo dos registos r4 a r14 alterados pela rotina. A única forma de preservar estes valores consiste em guardá-los em stack, que é um procedimento complexo dado o stack ser acessível através do registo r13 (SP). Por outro lado, a utilização de variáveis locais à rotina aumenta o tamanho do stack, que deve ter a capacidade original aquando do retorno da rotina. A forma de ultrapassar este problema consiste na utilização do registo r12 (IP) para guardar o valor original de SP em stack e no recurso à instrução store multiple para optimizar o acesso à memória, o que consiste no prólogo da rotina. O epílogo da rotina repõem não só o conteúdo dos registos de uso geral guardados em stack mas também do SP, o que liberta toda a memória alocada pela rotina. 15

16 Prólogo Epílogo IV. Suporte para Linguagens de Alto Nível Prólogo e Epílogo mov ip, sp stmfd sp!, {regs, fp, ip, lr, pc} sub fp, ip, #4 ldmea fp, {regs, fp, sp, pc} É apenas guardado para uso do debugger! Antes Depois Antes Depois sp pc lr ip = sp fp r10... r4 fp sp fp sp pc lr ip = sp fp r10... r4 pc lr sp fp r10 Memória Memória... 16

17 Prólogo e Epílogo: casos especiais Rotinas folha que usem apenas os registos r0 a r3 Rotinas que não invoquem quaisquer outras rotinas (LR não é alterado), que não declarem variáveis locais (SP não é alterado) e que não modifiquem o conteúdo de registos que não r0 a r3 já respeitam a norma APCS, pelo que não precisam de ter um prólogo nem um epílogo. Rotinas com lista de parâmetros variável A passagem parâmetros é executada de acordo com as regras gerais de passagem de parâmetros: os quatro primeiros parâmetros são passadas nos registos r0-r3; os restantes parâmetros são passados em stack pela ordem inversa. Para optimizar o algoritmo de acesso aos parâmetros, a utilização destas rotinas requer habitualmente que os parâmetros passados à rotina ocupem posições de memória contíguas. Como tal, o prólogo destas rotinas copia o conteúdo dos registos r0 a r3 para stack antes de salvaguardar o conteúdo dos registos de uso geral alterados pela rotina. O epílogo não requer quaisquer alterações. 17

18 Prólogo e Epílogo: casos especiais Antes Depois Rotinas com lista de parâmetros variável xpto (a, b, c, d, e, f,, z); sp param n... param 4 r3 r2 1 2 mov ip, sp stmfd sp!, {r0-r3} stmfd sp!, {regs, fp, ip, lr, pc} r1 r0 pc lr sp 3 sub fp, ip, #20 ip = sp fp 4 ldmea fp, {regs, fp, sp, pc} reg x+k reg x Endereços cresecentes 18