3. O NIVEL DA LINGUAGEM DE MONTAGEM (Cont.)

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1 3. O NIVEL DA LINGUAGEM DE MONTAGEM (Cont.) Com base nas observações feitas anteriormente, de que apenas uma pequena parte do código é responsável por grande parte do tempo gasto na execução, pode-se adotar outra metodologia para desenvolvimento de programas. 1º) O programa é escrito em uma linguagem de alto nível. 2º) Realiza-se um conjunto de medidas para determinar o tempo gasto na execução de cada uma das partes do programa, com o objetivo de descobrir o trecho responsável pelo maior gasto de tempo. Essas medidas em geral incluem o uso do clock do sistema para calcular o montante de tempo gasto na execução de cada procedimento, além de saber as vezes que cada loop é executado, e outras coisas similares. Como exemplo, vamos considerar que 10% do código de um programa sejam responsáveis por 90% do seu tempo de execução. Isso significa que, para uma tarefa que demore 100 segundos, 90 segundos são gastos na execução desse trecho de código que representa 10% do total do programa e 10 segundos são gastos nos restantes 90% do código do programa. A execução do trecho crítico, com 10% do código do programa, pode então ter o seu desempenho melhorado, se o trecho for reescrito em linguagem de montagem. Esse processo e chamado de sintonização, e está ilustrado na Figura 3.1 da aula passada. Nesse caso serão necessários mais 5 programadores-ano para reescrever os procedimentos críticos, o que vai acarretar uma redução de 90 para 30 segundos no tempo de execução desses procedimentos. É interessante e instrutivo fazer uma comparação da metodologia de desenvolvimento de programas que mistura linguagem de alto nível e linguagem de montagem com a metodologia que emprega somente a linguagem de montagem (refira-se de novo a Figura. 3.1). O programa resultante do emprego da última metodologia é aproximadamente 20% mais rápido (33 segundos contra 40 segundos), mas seu custo e três vezes mais alto que o custo da primeira metodologia (50 programadores-ano contra 15 programadores-ano). Além do mais, a vantagem da primeira metodologia e mais do que evidente, pois passar para linguagem de montagem um procedimento já desenvolvido e depurado em linguagem de alto nível é muito mais fácil do que escrever o mesmo código diretamente na linguagem do montador. Em outras palavras, a estimativa de 5 programadores-ano é bastante conservadora, se considerarmos que o código em linguagem de montagem vai ser escrito nas condições mencionadas anteriormente. Se essa tarefa gastar um programador-ano, a relação de custo entre a metodologia de desenvolvimento que mistura linguagem de alto nível e linguagem do montador com a metodologia que desenvolve diretamente na linguagem do montador vai girar em torno de 4 para 1, em favor da primeira. Um programador, que use uma linguagem de alto nível como sua ferramenta de trabalho, não fica preocupado com detalhes do baixo nível da máquina, e as vezes obtém alguns insights sobre o problema que permitem uma melhora real na implementação da solução, que acaba em uma melhora no desempenho. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 1 de 5

2 A situação de um programador de linguagem de alto nível preocupado com a linguagem de montagem é rara de ocorrer, pois esses programadores de linguagem de montagem estão sempre preocupados em manipular as instruções de máquina a fim de economizar alguns ciclos de clock, enquanto que os outros não Formato de Comandos da Linguagem de Montagem Apesar de a estrutura dos comandos de uma linguagem de montagem se parecer muito com a estrutura da instrução de máquina que ela representa, as linguagens de montagem para máquinas diferentes tem semelhanças suficientes para permitir uma discussão mais geral desse assunto. A Figura 3.2 mostra fragmentos de programas em linguagem de montagem do Pentium II, do Motorola 680x0 e do (Ultra) SPARC para calcular N = I + J. Fig. 3.2 Fragmentos de programas para calcular N = 1+ J. (a) No Pentium II. (b) No Motorola 680x0. (c) No SPARC.. Em todos os três exemplos, os comandos acima da linha em branco efetuam o cálculo propriamente dito. Os comandos abaixo dessa linha são comandos do montador para reservar memória para as variáveis I, J e N e que não representam simbolicamente qualquer instrução de máquina. Existem vários montadores para a família Intel, cada qual com uma sintaxe diferente. Aqui usaremos, em nossos exemplos, a linguagem de montagem MASM, desenvolvida pela Microsoft. Apesar de nosso foco estar no Pentium II, tudo o que dissermos para esse processador vale para 0386, 0486, o Pentium e o Pentium Pro. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 2 de 5

3 No caso do SPARC, os exemplos terão como base o montador da Sun. Também nesse caso, tudo o que dissermos vai valer para as versões anteriores (ou seja de 32 bits) do SPARC. Em nome da uniformidade, vamos usar caixa alta para designar os códigos de operação e para identificar os registradores (convenção do Pentium II), mesmo sabendo que o montador da Sun usa caixa baixa para representar esses objetos. Os comandos da linguagem do montador têm quatro partes: Um campo para o label; Um campo dedicado à operação (código de operação); Um campo para os operandos, e; Um campo para os comentários. Os labels, cuja função é permitir o uso de nomes simbólicos para endereços de memória, são necessários: Em alguns comandos executáveis, porque esses comandos podem ser o alvo de desvios. Para palavras de dados, a fim de permitir que os dados armazenados lá sejam acessíveis por meio do nome simbólico. Se um comando qualquer tiver um label associado a ele, esse label começa (em geral) na coluna 1. Cada um dos três fragmentos de programa da Figura 3.2 tem quatro labels: FORMULA; I; J, e; N. Observe que as linguagens de montador para a arquitetura SPARC exigem que após cada label exista um caractere dois-pontos, mas o montador da Motorola não especifica esse caractere após o nome do label. O montador da Intel exige que: apenas os labels associados ao código, sejam seguidos de dois-pontos. Os labels associados a dados não precisam desses dois-pontos. Nada há de importante para justificar essa diferença. Os projetistas dos diferentes montadores tem, com certeza, gostos muito diversificados. Nada na arquitetura sugere a adoção de um ou de outro esquema. Uma vantagem da notação que usa os dois-pontos é permitir que o label apareça sozinho em uma linha, com o código de operação aparecendo na coluna 1 da linha seguinte. Esse estilo e muito conveniente para os compiladores. Sem os dois-pontos não há como se manter um label sozinho em uma linha e um código de operação associado a esse label sozinho em outra linha. Em alguns montadores, os labels só podem ter seis ou oito caracteres. Em contraste com isso, as linguagens de alto nível permitem o uso de nomes tão longos quanta se queira. Nomes grandes e bem escolhidos fazem com que os programas fiquem mais legíveis ou mais inteligíveis. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 3 de 5

4 Cada máquina tem obrigatoriamente um conjunto de registradores, cuja identificação é feita de maneira completamente diferente de máquina para máquina. Os registradores do Pentium II têm nomes do tipo EAX, ESX, ECX e por ai vai; Os registradores do Motorola são identificados por DO, 01, 02, entre outros nomes; Os registradores do SPARC têm nomes muito variados. No nosso exemplo, usamos os nomes %R1 e %R2 para identificar dois desses registradores. O campo do código de operação contém ou uma abreviatura simbólica para identificar 0 código de operação - se o comando for uma representação simbólica de uma instrução de maquina - ou um comando para o próprio montador. A escolha dos nomes apropriados para esse campo e simplesmente uma questão de gosto, e projetistas de linguagens de montagem diferentes fazem escolhas completamente diferentes. Os projetistas do montador da Intel decidiram usar o nome MOV tanto para carregar um registrador com um valor vindo da memória quanta para transferir o valor de um registrador para a memória. Os projetistas do montador da Motorola tiveram a mesma ideia e, portanto, nessa maquina o nome MOVE designa essas mesmas duas operações. Em contraste com essa decisão, as projetistas do montador do SPARC decidiram usar o nome LD para a operação de carga de um registrador com um valor vindo da memória, e o nome ST para designar a operação inversa. E sempre bom lembrar que essas escolhas nada têm a ver com o projeto da maquina. Em contrapartida, a necessidade de se usarem duas instruções de maquina, sempre começando com a instrução SETHI para acesso a memória, e uma propriedade inerente a arquitetura SPARC, pois os endereços virtuais têm 32 bits (SPARC Versão 8) ou 44 bits (SPARC Versão 9) e as instruções SPARC podem ter no Maximo 22 bits para dados imediatos. Portanto, são sempre necessárias duas instruções para especificar todos os bits necessários a referenciar um endereço virtual completo. A instrução SETHI %HI(I),%R1 coloca zeros nos 32 bits superiores e nos 10 bits inferiores do registrador R1 (que tem 64 bits), para depois colocar os 22 bits superiores do endereço de I de 32 bits, nas posições de 10 a 31 de R1. A instrução seguinte, LD[%R1 +%LO(I)],%R1, soma o valor em R1 com os 10 bits menos significativos do endereço de 1 para formar o endereço completo de I e, depois disso, busca a palavra da memória armazenada nesse endereço, colocando-a em R1. Em um concurso de beleza, onde se podem atribuir notas de 1 a 10, essas instruções receberiam nota em tomo de -20, mas 0 SPARC não foi projetado para ter uma linguagem de montagem bonita. O objetivo do projeto do SPARC foi obter uma maquina de alta performance, objetivo esse plenamente alcançado. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 4 de 5

5 A família Pentium, o 680x0 e o SPARC suportam operandos de um byte, de uma palavra e operandos longos. Como o montador sabe qual o tamanho a ser usado? Mais uma vez, os projetistas dos montadores optaram por soluções diferentes. No Pentium II, os registradores de tamanho diferente têm nomes diferentes e, sendo assim, o EAX e usado para valores de 32 bits, 0 AX para valores de 16 bits e os registradores AL e AH para valores de 8 bits. Em contraste com essa decisão, os projetistas do montador da Motorola adicionaram a cada código de operação um sufixo que pode ser.l para operandos longos,.w para operandos do tamanho de palavras e.b para operandos do tamanho de bytes, em vez de criarem subconjuntos de nomes para designar registradores de tamanhos diferentes. O SPARC usa códigos de operação diferentes para os diferentes tamanhos de operando (ou seja, LOSS, LDSH e LOSW para carga de bytes com sinal, de meias palavras, e de palavras em um registrador de 64 bits, respectivamente). Todas as três escolhas são validas, porém mais uma vez elas mostram a natureza arbitraria do projeto da linguagem de montagem. Os três montadores também diferem na maneira de reservar espaço para os dados. Os projetistas da linguagem de montagem da Intel escolheram 0 nome OW (Define Word) para indicar essa operação, apesar de o nome.word ter sido mais tarde acrescentado a linguagem como uma alternativa para a mesma operação. O pessoal da Motorola gosta de DC (Define Constant). Já os projetistas do SPARC optaram por.word desde 0 início. Mais uma vez, essas diferenças são arbitrárias. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 5 de 5