Java ohjelmien suoritus (3) Luento 11 Tulkinta ja emulointi. Java virtuaalikone (JVM) (5) JVM:n tietorakenteet (9) JVM:n tietorakenteet (jatkuu)

Samankaltaiset tiedostot
Java ohjelmien suoritus (3) Luento 11 Tulkinta ja emulointi. Java virtuaalikone (JVM) (5) JVM:n tietorakenteet (8) JVM:n tietorakenteet (jatkuu) (6)

Luento 11 Tulkinta ja emulointi

Javaohjelmien suoritus (3) Jakso 11 Tulkinta ja emulointi. Java-virtuaalikone (JVM) (5) JVM:n tietorakenteet (8) JVM:n tietorakenteet (jatkuu) (6)

Jakso 11 Tulkinta ja emulointi

Luento 11 Tulkinta ja emulointi

Java ohjelmien suoritus (3) Luento 11 Tulkinta ja emulointi

Luento 11 Tulkinta ja emulointi

Tulkinta ja emulointi

Luento 11 Tulkinta ja emulointi

Copyright 2018 Teemu Kerola

Tietokoneen toiminta, K Tavoitteet (4)

Jakso 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Teemu Kerola, K2000

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne. Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne

Luento 1 Tietokonejärjestelmän rakenne. Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

Teemun juustokakku Rekisterien, välimuistin, muistin, levymuistin ja magneettinauhan nopeudet suhteutettuna juuston hakuaikaan juustokakkua tehdessä?

Luento 2 (verkkoluento 2) Ttk-91 järjestelmä

Transmeta Architecture

Tieto ja sen osoite (3) Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Osoitinmuuttujat. Tieto ja sen osoite (5)

Java-ohjelman suoritus Java tavukoodi, Java-virtuaalikone. Java-ohjelmien emulointi ja käännös Java-suorittimet. C# ttk-91, Crusoe

Luento 4 Aliohjelmien toteutus

Transmeta Architecture

Jakso 4 Aliohjelmien toteutus

Luento 3 (verkkoluento 3) Ttk-91 konekielinen ohjelmointi. Ohjelman esitysmuoto Konekielinen ohjelmointi ttk-91:llä (Titokone, TitoTrainer)

Tietokoneen toiminta, Kevät Copyright Teemu Kerola Järjestelmän eri tasot Laitteiston nopeus

Transmeta Architecture

Kertausluento luennoista 1-3 1

Aliohjelmatyypit (2) Jakso 4 Aliohjelmien toteutus

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Kertausluento 1 (lu01, lu02, lu03) Tietokonejärjestelmän rakenne ttk-91 ja sillä ohjelmointi

Jakso 4 Aliohjelmien toteutus

Transmeta Architecture

Luento 2 (verkkoluento 2) Ttk-91 järjestelmä

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Luento 4 Aliohjelmien toteutus

Luento 4 Aliohjelmien toteutus

Aliohjelmatyypit (2) Jakso 4 Aliohjelmien toteutus

Jakso 4 Aliohjelmien toteutus

Jakso 4 Aliohjelmien toteutus. Tyypit Parametrit Aktivointitietue (AT) AT-pino Rekursio

Luento 4 (verkkoluento 4) Aliohjelmien toteutus

Luento 4 Aliohjelmien toteutus. Tyypit Parametrit Aktivointitietue (AT) AT-pino Rekursio

Luento 1 (verkkoluento 1) Tietokonejärjestelmä

Tiedon sijainti suoritusaikana (3) Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Miten tietoon viitataan? (4)

Luento 4 (verkkoluento 4) Aliohjelmien toteutus

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 1 (verkkoluento 1) Ohjelman sijainti Ohjelman esitysmuoto Laitteiston nopeus

Tiedon esitysmuodot. Luento 6 (verkkoluento 6) Lukujärjestelmät Kokonaisluvut, liukuluvut Merkit, merkkijonot Äänet, kuvat, muu tieto

LOAD R1, =2 Sijoitetaan rekisteriin R1 arvo 2. LOAD R1, 100

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Aihepiiri Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Jakso 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Aihepiiri Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tiedon sijainti suoritusaikana. Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 5 (verkkoluento 5) Suoritin ja väylä

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI)

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Muistihierarkia Kiintolevyt I/O:n toteutus

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I) Aihepiiri. Mitä hyötyä tästä on? (3) Tavoitteet. Kurssien välisiä riippuvuuksia

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Ongelma(t): Miten mikro-ohjelmoitavaa tietokonetta voisi ohjelmoida kirjoittamatta binääristä (mikro)koodia? Voisiko samalla algoritmin esitystavalla

Tietokoneen toiminta, K Tavoitteet (4)

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori

Luento 3 Konekielinen ohjelmointi (TTK-91, KOKSI) Muuttujat Tietorakenteet Kontrolli Optimointi Tarkistukset

Luento 2 TTK-91 tietokone ja sen KOKSI simulaattori. Miksi konekieltä? Tietokone TTK-91. Miksi ei oikeaa konekieltä?

Tietokoneen toiminta Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat? Teemu Kerola, Copyright 2010

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Aihepiiri Tietokoneen toiminta (Computer Organization I) Tavoitteet (4) Mitä hyötyä tästä on? (4) Kurssien välisiä riippuvuuksia

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Luento 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat? Teemu Kerola, K2000

Luento 12 Yhteenveto

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Luento 12 Yhteenveto

Luento 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat?

Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat? Teemu Kerola, Copyright Tavoitteet (4)

Luento 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat? Teemu Kerola, Copyright 2010

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I) Mitä hyötyä tästä on? (4) Kurssien välisiä riippuvuuksia. Aihepiiri.

Jakso 5 Suoritin ja väylä

Jakso 10 Ohjelman suoritus järjestelmässä

Tietokoneen toiminta (Computer Organization I)

Jakso 2 TTK-91 -tietokone ja sen KOKSI -simulaattori

Luento 12 Yhteenveto. Keskeiset asiat Mitä hyötyä tästä on? Mitä seuraavaksi? Kurssit? Asiat? 29/01/2001 Teemu Kerola, Copyright 2001

11/20: Konepelti auki

Tavoitteet (4) Luento 12 Yhteenveto. Keskeisiä asioita. Mitä hyötyä tästä on? (2) Esimerkkikone: TTK-91 laitteisto suoritin - CPU

Luento 12 Yhteenveto

Transkriptio:

Luento 11 Tulkinta ja emulointi Tulkinta ja emulointi ohjelman suoritus, tulkinta ja kääntäminen Suorittimen emulointi C#, ttk-91, Crusoe 1 ohjelmien suoritus (3) virtuaalikone SW HW tulkki ( esimerkiksi) SW HW instr k = i+j; ohjelma byte-koodi natiiviympäristö (JIT) latausmoduuli SW HW 2 virtuaalikone (JVM) (5) Hypoteettinen, toteutus eri tavoilla Geneerinen, sitä on helppo simuloida kaikilla todellisilla suorittimilla Useita säikeitä (thread) voi olla samanaikaisesti suorituksessa suorittimella mikroaikaskaalassa vain yksi kerrallaan Tietorakenteet mm. virtuaalikoneen suorittimen rekisterit luodaan JVM:n käynnistämisen yhteydessä Käskyt virtuaalikoneen suorittimen konekäskyt 226 käskyä á 32 bittiä JVM:n tietorakenteet (9) JVM pino kuten tavallinen AT-pino koostuu useista kehyksistä (frames) (vrt. aktivointitietue) ja operandipinosta käyttö: kehyksille ainoastaan push/pop operaatiot, operandipinon alkioille myös push/pop ei tarvita yhtenäistä muistialuetta allokoidaan keosta (heap) toteutuksesta riippuen rajallinen tai dynaamisesti laajennettavissa tila loppu StackOverflowError, OutOfMemoryError http://java.sun.com/docs/books/vmspec/2nd-edition/html/vmspectoc.doc.html 3 4 JVM:n tietorakenteet (jatkuu) JVM keko (JVM heap) yhteinen kaikille saman virtuaalikoneen säikeille automaattinen roskienkeruu (garbage collector) ei-käytössä (eli vapautettu) oleva muistialue palautetaan uusiokäyttöön (vapaaksi) ei tarvita erikseen free operaatiota ohjelmassa voi hidastaa suoritusta milloin vain toteutuksesta riippuen kiinteän kokoinen tai dynaamisesti laajennettavissa ei tarvitse muodostaa yhtenäistä muistialuetta natiivijärjestelmän keossa tila loppu OutOfMemoryError 5 JVM:n tietorakenteet (jatkuu) JVM metodialue (JVM Method Area) yhteinen kaikille JVM säikeille vastaa tavallista kääntäjän tuottamaa koodisegmenttiä loogisesti osa JVM kekoa toteutuksesta riippuen kiinteän kokoinen tai dynaamisesti laajennettavissa tila loppu OutOfMemoryError 6

JVM:n tietorakenteet (jatkuu) n suoritusaikainen vakioallas (runtime constant pool) joka luokalle (class) ja liittymälle (interface) suoritusaikainen esitystapa tiedoston class constant_pool -taulukolle vastaa vähän tavallista symbolitaulua useita erilaisia vakioita (aikaiset literaalit, suor. aikana ratkottavat attribuutit, ) talletetaan JVM metodialueelle tila loppu OutOfMemoryError 7 JVM:n tietorakenteet (jatkuu) Natiivimetodien pinot (Native Method Stacks) toteutus voi käyttää tavallisia pinoja ( C stacks ) sellaisten natiivimetodien tukena, jota ei ole kirjoitettu lla käytetään myös tulkin toteutuksessa ei JVM toteutuksissa, joissa ei natiivimetodeja toteutuksesta riippuen kiinteän kokoinen tai dynaamisesti laajennettavissa tila loppu StackOverflowError, OutOfMemoryError 8 JVM:n tietorakenteet (jatkuu) (6) JVM rekisterit PC osoittaa johonkin JVM metodialueelle CPP osoittaa vakioaltaaseen LV on paikallisten muuttujien kantaosoite (vähän kuten FP ttk-91:ssä) SP osoittaa JVM operandipinon huipulle kaikki rekisterit implisiittisiä, niitä ei erikseen nimetä JVM konekäskyissä JVM:n tietorakenteet (jatkuu) (6) ks. Figs 4-12, 4-13 [Tane99] JVM kehys (frame, raami) talletetaan JVM pinoon, luodaan metodin kutsun yhteydessä, vapautetaan metodista poistuttaessa paikalliset muuttujat parametrit, paluuarvo ja välitulokset dynaamisen linkityksen toteutusväline keskeytysten toteutusväline 9 10 JVM kehyksen (8) Paikalliset muuttujat ks. Fig. 4-13 [Tane99] sisältävä taulukko viittaukset indeksoituna (0, 1, 2, ) rekisterin LV suhteen indeksit sanoina kaksi sanaa vaativa muuttuja (long, double) sijoitetaan kahteen peräkkäiseen (32 bittiseen) sanaan big-endian talletus Parametrit, paluuarvon ja välitulokset sisältävä operandipino SP osoittaa pinon huipulle pinoarkkitehtuuri (vs. rekisteriarkkitehtuuri) 11 JVM:n tiedon osoitusmoodit (4) Välitön operandi Indeksoitu Pino-osoitus Taulukko-osoitus pinon kautta iinc 2 34 iinc 2 34 iadd ks. Fig. 4-9 [Tane99] iaload tehollinen muistiosoite (LV) + 2 korvaa pinon kaksi päällä olevaa kokonaislukua niiden summalla Korvaa pinon pinnalla olevat taulukon alkuosoite ja indeksi k.o. taulukon alkiolla 12

JVM käskyt Peruslaskutoimitukset ks. Fig. 5-36 [Tane99] add, sub, mul, div, rem, neg Boolean and, or, xor, shl, shr, ushr Pinon hallinta dup, pop, swap, tauluk. luonti, esitystavan muutokset Load/Store load, aload, store, astore, push-käskyt Vertailut Kontrollinsiirrot Muut tulkki (4) Emuloi JVM konekielen käskyjä (byte-koodia) Yksi (byte-koodi) käsky kerrallaan JVM rekisterit ja muistialueet emuloitu tulkin tietorakenteina muistissa Hidasta, mutta joustavaa tulkki 13 14 Käännös natiivikoneelle (3) (a) Käännetään tavukoodi suoraan natiivikoneen konekielelle ja suoritetaan se normaalin ohjelman tapaan (b) Käännetään tavukoodi ensin korkean tason kielelle (esim C), joka sitten käännetään natiivikoneen konekielelle alkuosa riittää tehdä kerran loppuosa on jo valmiina yleensä Ongelma: dynaaminen linkitys dl latausmoduuli 15 JIT = Just-in-Time JIT (6) Emulointi ja/tai tilanteesta riippuen Käännä luokka natiivikonekielelle dynaamisesti linkitettäväksi moduuliksi, juuri ennen luokan metodin kutsua Tarvitsee paljon muistia Voi hidastaa suoritusta, jos käännökseen menee enemmän aikaa kuin tulkitsemiseen ( vasta 2. kutsukerralla?) JVM rekisterit ja muistialueet emuloitu tulkin tietorakenteina, joita natiivikoodi myös käyttää JIT dl latausmoduuli tulkki 16 : Sun PicoJAVA II (4) Suorittimen määrittely, jonka mukaisessa koneessa byte-koodi -muodossa olevia ohjelmia voidaan sellaisenaan suorittaa Valinnainen välimuisti ja liukuluku Kaikki 226 JVM konekäskyä jotkut käskyt toteutettu aliohjelmilla, jotka aktivoidaan keskeytyskäsittelymekanismin avulla Myös 115 muuta konekäskyä käyttöjärjestelmän ja muiden ohjelmointikielten toteuttamiseksi PicoJAVA II pino 64 (välimuisti-) laiterekisteriä JVM pinon huipun talletukseen loput JVM pinosta muistissa rekisterit (cache) muisti 64 Shawn Lauzon, Survey of the Chip 17 18

PicoJAVA II rekisterit (11) 25 rekisteriä á 32 bittiä PC, LV, CPP, SP (pino kasvaa alaspäin) OPLIM alaraja SP:lle; alitus aiheuttaa keskeytyksen FRAME osoittaa paikallisten muuttujataulukon jälkeen talletettuun metodin paluuosoitteeseen PSW (tilarekisteri) rekisteri, joka kertoo pinon välimuistirekistereiden tämänhetkisen käytön 4 rekisteriä keskeytysten ja break-point ien käsittelyyn 4 rekisteriä säikeiden hallintaan 4 rekisteriä C ja C++ ohjelmien toteutukseen 2 rajarekisteriä sallitun muistialueen rajoittamiseen suorittimen version numero ja konfiguraatiorekisterit PicoJAVA ylim. käskyt (5) Read/write ylimääräisille rekistereille Osoittimien manipulointikäskyt mitä tahansa muistialuetta voidaan suoraan lukea/kirjoittaa tarvitaan C/C++ varten C/C++ aliohjelmien kutsu ja paluukäskyt Natiivi HW manipulointi tyhjennä välimuisti (osittain? kokonaan?),... Muut käskyt power on/off,... 19 20 PicoJAVA toteutuksia (2) Sun microjava 701 valinnainen välimuisti oma muistiväylä PCI väylä muille laitteille 16 ohjelmoitavaa I/O johdinta näppäimet, LEDit, 3 ohjelmoitavaa ajastinta ( kellolaitekeskeytykset) suunnattu halpoihin kannettaviin laitteisiin (kämmenmikro, PDA - Personal Digital Assistant) Sun ultrajava nopeampi, parempi, kalliimpi, suunnattu grafiikka- ja multimediasovelluksiin 21 Muita -suorittimia (4) JEM (Rockwell Collins) PSC1000 (Patriot Scientific) dsys (Saksa), lääketieteellisiä laitteita MJ501 (LG Semicon) TV, älykortit JSR-001, Real-Time Specification for ( Community Process, Sun Microsystems ) ajile: aj-80, aj-100, älykkäät liikkuvat laitteet ks. aj100-wrp kuva 22 Sun MAJC MAJC -Microprocessor Architecture for Computing arkkitehtuurin määrittely tavoitteena suuri nopeus, C ja C++ sovelluksille suunnattu multimediasovelluksiin verkossa tukee hyvin JIT-tä MAJC toteutus: MAJC 5200 1-4 ta (2 suorittimen lastu, v. 1999) Useiden (peräkkäin kutsuttavien) metodien samanaikainen suoritus eri suorittimilla ennakoivalle (speculative) suoritukselle oma kasa peruutus (rollback), jos ennakoitu suoritus meni pieleen 4 säiettä suorituksessa per säikeen vaihto nopeampaa kuin muistista luku! 4:lle säikeelle! välimuistin hudin aikana suoritetaan muita säikeitä Suunnattu interaktiiviseen TV:hen, virtuaalitodellisuussovelluksiin,... 23 24

C# eli C sharp (3) C# n kaltainen kieli kehittäjä: Anders Hejlsberg (Turbo Pascal, Delphi, J++) osa Microsoft.Net -ympäristöä nivoutuu hyvin Windows XP:n kanssa ECMA (European Computer Manufacturers Association) standardi (MS, HP ja Intel) MSIL virtuaalikoneen konekieli Microsoft Intermediate Language sopiva välikieli kaikille korkean tason kielille: C, C++, Pascal,, C#, Visual Basic suoritus ainoastaan (JIT) ten avulla ks. http://www.javaworld.com/jw-11-2000/jw-1122-letters.html 25 26 TTK-91 Emulointi (5) TTK-91 konekielen emulointi KOKSI simulaattorin osa Yksi käsky kerrallaan TTK-91 koneen rekisterit ja muisti emuloitu tulkin tietorakenteina ks. simulaattorin koodi, luento 5 (kurssikansio) load R1, 234 add R1, =5 mul R1, R2 TTK-91 emulaattori 27 28 Transmetan Crusoe (8) x86 konekielen emulointi, JIT Natiivi käskykantaa ei ole julkistettu nopeampi, sama teknologia? yhtä nopea, vähemmän virtaa Monta x86 käskyä yhtäaikaa emuloinnissa, sekajärjestyksessä x86 rekisterit emuloitu natiivijärjestelmän laiterekistereillä x86 muisti emuloitu rekistereiden avulla suojattuna tietorakenteina Tarkat keskeytykset: suorituksen peruutus uusi hitaalle koodille uusi hidas tarkka emulointi movl %esp, %ebp subl $4, %esp pushl %eax pääohjelma dl latausmoduuli Crusoe 29 30 JIT

Crusoe emulaattorin suoritus muisti emulaattori ohjelma LDA R1, =543 ADD R2, R4, R5 x86-ohjelma mov %exc1, >%ebp+0xc! add %eax!, #4 Crusoe suorittimen looginen rakenne käyttöjärjestelmä Morph-host emulaattori Koodin generaattori sovellus Käännöspuskuri Tapahtumaperustainen pääohjelma välimuisti konekäskyjen suorituspiirit Crusoe x86 koneen 31 Natiivi käyttöjärjestelmä HW - laitteisto konekäskyt keskeytykset 32 Crusoe suorittimen fyysinen rakenne vahvistetut x86 konekäskyjen suorituspiirit omat TLB emuloidut x86 välimuisti muisti käyttöjärjestelmä natiivi käyttöjärjestelmä? sovellus ALIASrekisterit muistipuskuri puskuri koodin generaattori? emulaattori -- Luennon 11 loppu -- muistiväylä 33 34