3. O NIVEL DA LINGUAGEM DE MONTAGEM

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1 3. O NIVEL DA LINGUAGEM DE MONTAGEM Nas aulas anteriores tivemos a oportunidade de discutir dois diferentes níveis presentes na maioria dos computadores atuais. Nesta aula dedica-se a outro nível que também se faz presente em quase todos os computadores modernos: O nível da linguagem de montagem. Este nível difere bastante do Nível da Microarquitetura, do Nível ISA (Instruction Set Architecture Nível de Máquina Convencional) e do Nível do Sistema Operacional da Máquina, pois é implementado por tradução e não por interpretação, como outros os níveis citados. Os programas que convertem um programa de usuário escrito em uma linguagem para outra Iinguagem são chamados de tradutores. A linguagem na qual o programa original esta expresso é chamada de linguagemfonte e a linguagem para a qual ele será convertido é conhecida como linguagem-alvo. Tanto a linguagem-fonte quanta a linguagem-alvo definem níveis específicos. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 1 de 5

2 3.1. Introdução a linguagem de montagem Os tradutores podem ser divididos em dois grupos, basicamente, dependendo da relação existente entre a linguagem-fonte e a linguagem-alvo. O tradutor é chamado de montador quando a linguagem-fonte for essencialmente uma representação simbólica para uma linguagem de máquina numérica e, portanto, a linguagem-fonte é chamada de linguagem de montagem. O tradutor é chamado de compilador quando a linguagem-fonte for uma linguagem de alto nível, como e o caso do Java ou do C, e a linguagem-alvo for uma linguagem de máquina numérica ou uma representação simbólica dessa Iinguagem. Se existir um processador que execute diretamente programas escritos na Iinguagem-fonte, não é necessário traduzir o programa-fonte para a linguagem-alvo. O método da tradução é empregado quando há um processador (implementado em hardware ou por interpretação) disponível para executar programas expressos na linguagem-alvo (linguagem de máquina numérica), mas não na Iinguagem-fonte. Se a tradução tiver sido feita corretamente, a execução do programa traduzido vai obter exatamente os mesmos resultados que a execução do programa-fonte obteria se houvesse um processador que o executasse diretamente. É muito importante observar a diferença entre tradução e interpretação. A. Na tradução, o programa original, expresso na linguagem-fonte, não é executado diretamente. Em vez da execução direta, esse programa precisa ser convertido para um programa equivalente, conhecido como programa-objeto ou programa binário executável, que será executado após o término do processo de tradução. Portanto, a tradução envolve dois passos distintos: 1) Geração de um programa equivalente na linguagem-alvo; 2) Execução do programa obtido no passo 1. Esses dois passos não ocorrem simultaneamente. O passo 2 não pode começar antes do primeiro ter sido concluído. B. No processo de interpretação existe apenas um único passo: a execução do programa original na linguagem-fonte. Não há necessidade de se gerar primeiro um programa equivalente ao programa-fonte, apesar de, em alguns casos, esse programa ser convertido primeiro para um formato intermediário (por exemplo, o código byte da linguagem Java) para facilitar o processo de interpretação. Enquanto o programa-objeto estiver sendo executado, somente três níveis estarão em evidência: O nível da microarquitetura, O nível ISA, e; O nível do sistema operacional da maquina. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 2 de 5

3 Consequentemente, durante o processo de execução do programa-objeto iremos encontrar três programas na memória do computador: O programa-objeto a ser executado; O sistema operacional, e; O microprograma (se a máquina for microprogramada). Todas as evidências que pudessem levar ao programa-fonte desapareceram. Portanto, o número de níveis presentes em tempo de execução pode diferir do número de níveis presentes antes da tradução. No entanto, deve-se observar que, apesar da definição usual de mercado de um nível basear-se nas instruções e nas construções linguísticas disponíveis para seus programadores (e não na técnica de implementação), alguns autores fazem questão de enfatizar a diferença entre os níveis implementados por interpretadores que rodam em tempo de execução e os níveis implementados por tradução O que é uma Linguagem de Montagem? Uma linguagem de montagem é aquela na qual: cada comando produz exatamente uma instrução de máquina. Em outras palavras, existe uma correspondência um para um entre as instruções de máquina e os comandos de um programa expresso na linguagem do montador. Se cada linha do programa em linguagem de montagem contém exatamente um comando e cada palavra da memória da máquina armazena exatamente uma instrução, então um programa em linguagem do montador com n linhas vai gerar um programa em linguagem de máquina com n palavras. n Comandos = n Palavras da memória = n Instruções n linhas de programa em linguagem do montador = n palavras em linguagem de máquina É importante observar que é muito mais simples para as pessoas programarem na linguagem de montagem, em vez de fazê-lo na linguagem de máquina (na melhor das hipóteses, expressa em hexadecimal). O uso de nomes simbólicos e de endereços simbólicos em vez de nomes em binário, em octal ou em hexadecimal faz uma enorme diferença para o programador. Não é difícil para a maioria das pessoas se lembrarem de que as abreviações que representam as operações de soma; subtração; multiplicação; e divisão, são ADD, SUB, MUL e DIV, mas poucas pessoas vão conseguir lembrar os valores numéricos binários correspondentes a essas operações, valores esses usados pela máquina. O programador que usa a linguagem do montador só precisa lembrar os nomes simbólicos, porque o montador traduz esses nomes para instruções de máquina. Essas são as razões de os programadores preferirem a linguagem do montador quando a opção for a linguagem de máquina. O programador da linguagem de montagem tem acesso a todas as características e a todas as instruções disponíveis na máquina-alvo. O programador usando uma linguagem de alto nível não tem acesso a tudo isso. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 3 de 5

4 Por exemplo, se a maquina-alvo tiver um bit para expressar o overflow de operações aritméticas, um programa em linguagem do montador pode testar diretamente esse bit, coisa que um programa em Java não pode fazer. Além disso, um programa em linguagem do montador pode executar qualquer uma das instruções do conjunto de instruções da maquina-alvo, mas o programa em linguagem de alto nível não pode fazer isso. Em suma, tudo aquilo que puder ser feito em linguagem de máquina poderá ser programado em linguagem de montagem, porém a maioria das instruções, dos registradores e das demais características de baixo nível de uma máquina não estará disponível para uso dos programadores de linguagens de alto nível. As linguagens para a programação de sistemas, como e o caso do C, estão numa fronteira entre esses dois tipos de linguagens, pois tem sintaxe de linguagens de alto nível, mas seus programadores acessam muitos recursos de baixo nível da máquina. Uma última diferença, importante de ser mencionada, entre linguagens de alto nível e linguagens de montagem é que um programa em linguagem de montagem só pode rodar em uma determinada família de máquinas, enquanto um programa em linguagem de alto nível pode rodar (potencialmente) em diversas máquinas com arquiteturas diferentes. Em muitas aplicações, essa capacidade de mover o software de uma máquina para outra é de grande importância pratica Por que usar uma Linguagem de Montagem? Programar em uma linguagem de montagem não e tarefa fácil. Não se deve ter ilusão quanto a isso. Quais as dificuldades? A escrita de um programa na linguagem de montagem consome muito mais tempo do que a escrita desse mesmo programa em uma linguagem de alto nível; A depuração e a manutenção de programas em linguagem de montagem são muito mais difíceis de fazer do que para programas expressos em linguagens de alto nível. Por que então alguém escolheria programar em uma linguagem de montagem? Existem duas razões que justificam essa opção: Desempenho ( Performance ), e; Acesso aos recursos da máquina. Um especialista na programação em linguagem do montador pode produzir um código muito menor e muito mais rápido do que o gerado por um programador que estiver usando uma linguagem de alto nível. Para algumas aplicações, velocidade e tamanho são questões muito críticas. A maioria das aplicações embarcadas, como por exemplo, de aplicações que estão nessa categoria: O código de um cartão inteligente; O código em um telefone celular; O código dos drivers de dispositivos; As rotinas da BIOS, e; Os loops internos de aplicações dependentes de performance. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 4 de 5

5 Em segundo lugar, certos procedimentos precisam ter acesso total ao hardware, algo impossível de se obter quando se programa em linguagens de alto nível. Por exemplo, caem nessa categoria: Rotinas do sistema operacional para tratamento das interrupções e dos traps, e; Controladores de dispositivos dos sistemas embarcados que rodam em tempo real. Portanto, a primeira razão para se programar em linguagem de montagem (obter alta performance ) e a mais importante delas, de maneira que vamos olhar essa questão um pouco mais de perto. Em muitos programas, uma pequena percentagem do código total é responsável por grande parte do tempo gasto na execução. É comum nós termos 1% do código de um programa sendo responsável por 50% do tempo de processamento, e 10% do código sendo responsáveis por 90% do tempo de execução. Considere, por exemplo, que são necessários 10 programadores-ano para escrever um programa usando uma linguagem de alto nível e que o programa resultante gaste 100 segundos para executar um determinado benchmark. (Um benchmark é um programa de teste usado para comparar computadores, compiladores etc.). Ao decidimos escrever todo o programa na linguagem do montador, essa tarefa irá requerer cerca de 50 programadores-ano, devido a baixa produtividade da tarefa de programação nesse tipo de linguagem. O programa resultante poderia executar o mesmo benchmark em apenas 33 segundos, pois um bom programador na linguagem de montagem pode suplantar um bom compilador, por um fator 3 A Fig. 3.1 ilustra essa situação. Fig. 3.1 Comparação do desenvolvimento de programas usando linguagem do montador e linguagem de alto nível com e sem sintonização. Disciplina: Projeto Lógico de Computadores (5º/6º Sem ). Livro: Andrew S. Tanenbaum Página 5 de 5