Tüm bilgisayarlar için evrensel bir montaj dili mümkün mü?

Assembly dili hakkında birkaç soru sormak istiyorum. Anladığım kadarıyla makine diline çok yakın, onu daha hızlı ve daha verimli hale getiriyor.

Var olan farklı bilgisayar mimarilerine sahip olduğumuz için, Meclis'te farklı mimariler için farklı kodlar yazmam gerektiği anlamına mı geliyor? Öyleyse, neden Meclis olmasın, bir kere yaz - her dilde çalıştırılsın mı? Sadece evrensel hale getirmek daha kolay olmaz mıydı, böylece sadece bir kez yazıp farklı konfigürasyonlara sahip hemen hemen her makinede çalıştırabilirsiniz? (Bunun imkansız olacağını düşünüyorum, ancak bazı somut, derinlemesine cevaplar almak istiyorum)

Bazı insanlar C'nin aradığım dil olduğunu söyleyebilir. Daha önce C kullanmamıştım, ama sanırım hala daha yüksek bir dil, mesela Java’dan daha hızlı. Burada yanlış olabilirim.

Assembly dili , bilgisayarın talimat setine yönelik talimatları , insan programcıları için biraz daha anlaşılır bir şekilde yazmanın bir yoludur.

Farklı mimarilerin farklı komut kümeleri vardır: izin verilen talimat kümesi her mimaride farklıdır. Bu nedenle, her yerde bir kez çalışıp çalıştırılan bir montaj programına sahip olmayı ümit edemezsiniz. Örneğin, x86 işlemciler tarafından desteklenen talimatlar seti ARM işlemciler tarafından desteklenen talimatlar setinden çok farklı görünüyor. Bir x86 işlemcisi için bir montaj programı yazdıysanız, ARM işlemcide desteklenmeyen çok sayıda talimat olurdu ve bunun tersi de geçerlidir.

Assembly dilini kullanmanın asıl nedeni, programınız üzerinde çok düşük seviyeli bir kontrole izin vermesi ve işlemcinin tüm talimatlarından yararlanmasına izin vermesidir: programı özel işlemciye özgü özelliklerden yararlanmak üzere özelleştirerek devam edecek, bazen programı hızlandırabilirsiniz. Her yerde bir kez yazılan her yerde yazma felsefesi temelde bununla çelişmektedir.

Assembly dilinin TANIMI, doğrudan makine koduna çevrilebilecek bir dil olmasıdır. Assembly dilinde her işlem kodu, hedef bilgisayardaki tam olarak bir işlem anlamına gelir. (Eh, bundan biraz daha karmaşık: bazı montajcılar otomatik olarak bir op-kodun argümanlarına dayanan bir "adresleme modu" belirler. Ancak yine de, ilke, bir montaj hattının bir makine dili talimatına çevrilmesidir.)

Hiç şüphesiz, montaj dili gibi görünecek bir dil icat edebilirsiniz, ancak farklı bilgisayarlardaki farklı makine kodlarına çevrilebilirsiniz. Fakat tanım gereği, bu bir meclis dili olmaz. Assembly diline benzeyen daha yüksek bir dil olacaktır.

Sorunuz biraz sormaktan hoşlanıyor: “Suda yüzmeyen veya suda dolaşmak için başka bir yolu olan ancak tekerlekleri ve motoru olan ve karada seyahat edebilen bir tekne yapmak mümkün mü?” Cevap, tanım gereği böyle bir aracın bir tekne olmayacağı yönünde olacaktır. Daha çok araba gibi geliyor.

Hiçbir yoktur kavramsal (Ben hiçbir bilgisayar daresay bilim dünyasında tüm bilgisayarlar için tek bir montaj dili olan karşı) sebep. Aslında, bu pek çok şeyi çok daha kolaylaştıracaktı. Teoriye gelince, hepsi yine de, bazı korkak bijeksiyonlara kadar hepsi aynı.

Bununla birlikte, pratikte, farklı amaçlara, farklı amaçlara hizmet eden farklı işlem ve tasarım ilkelerine (örneğin RISC - CISC) sahip farklı çipler vardır ve bunları çalıştıran talimat setleri ve bununla birlikte montaj dilleri farklıdır. Sonunda, cevap neden bu kadar çok farklı programlama dili bulunduğunu sormakla aynıdır : farklı hedefler, farklı tasarım kararları.

Bununla birlikte, elbette bazı paylaşılan arayüzlere ulaşmak için soyutlama seviyelerini tanıtabilirsiniz. Örneğin, x86, bir süredir yonga seviyesiyle birlikte yapıldı; x86 komutlarını işlemcinizin gerçekte çalıştığı şeye çeviren küçük bir donanım parçası var. C gibi diller, Haskell, Java veya Ruby gibi dillere kadar, donanımdan (tartışmalı derecede küçükse) başka bir adım olacaktır. Evet, derleyici bilgisayar biliminin temel kazanımlarından biridir çünkü endişeleri bu şekilde ayırmayı mümkün kılar.

Önemini farketmeksizin "bir yerde koşmak bir kez yaz" ifadesinden bahsediyorsunuz. Yani pazarlama sloganı Sun Microsystems ticari bir kavramı icat "sanal makine" ve "baytkodlarına" muhtemelen fikri akademi 1 icat edilmiş olabilir rağmen, Java için ^st. Fikir daha sonra Microsoft tarafından .Net için kopyalandı ve Sun tarafından Java lisansının ihlal edildiğine dair ihlaller nedeniyle başarıyla dava edildi. Java bayt kodları, tezgahlar arası montaj veya makine dili fikrinin bir uygulamasıdır. Java dışındaki birkaç dil için kullanılırlar ve teorik olarak herhangi bir dili derlemek için kullanılabilirler. Uzun yıllar süren çok gelişmiş optimizasyondan sonra, Java, yüksek performanslı platform-agnostik sanal makine teknolojisinin genel olarak başarılabilir olduğunu gösteren derlenmiş dillere yakın bir performans sergiliyor.

Gereksinimlerinizle ilgili olarak erken aşamalarda / dolaşımdaki bir başka yeni fikir, yeniden proje olarak adlandırılır ve başka amaçlar için kullanılabilecek olmasına rağmen bilimsel araştırma içindir. Buradaki fikir, sanal makine teknolojisi ile hesaplamalı deneylerin tekrarlanabilir hale getirilmesidir. Bu, temel olarak farklı makine mimarilerini rastgele donanım üzerinde simüle etme fikridir.

Yüksek seviye sebepler

Bunu düşündüğünüzde, bir mikroişlemci şaşırtıcı bir şey yapar: bir makineyi (çamaşır makinesi veya asansör gibi) almanıza ve özel olarak tasarlanmış mekanizmaların veya devrelerin tamamını ucuz, seri üretilen bir silikonla değiştirmenize olanak sağlar yonga. Parçalar üzerinde çok miktarda ve tasarımda çok zaman kazanırsınız.

Ancak, standart bir çip asmak, sayısız özel tasarım yerine; Her uygulama için mükemmel olan tek, mükemmel bir mikroişlemci olamaz. Bazı uygulamaların güç kullanımını en aza indirmesi gerekir ancak hızlı olmaları gerekmez; diğerleri hızlı olmalı, ancak programlanması kolay olmayacak, diğerleri düşük maliyetli olmalı, vs.

Bu yüzden, her biri kendi güçlü ve zayıf yönlerine sahip olan birçok farklı mikroişlemci "lezzetine" sahibiz. Hepsinin uyumlu bir talimat seti kullanması arzu edilir, çünkü bu, kodun yeniden kullanılmasına izin verir ve doğru becerilere sahip kişileri bulmayı kolaylaştırır. Ancak, komut kümesi yapar , maliyet, karmaşıklık, hızını etkileyebilir kolaylığı kullanımı ve işlemcinin fiziksel kısıtlamaları ve biz bir uzlaşma var bu yüzden: orada birkaç "ana akım" komut setleri (ve birçok küçük olanlar) ve Her komut setinde, farklı özelliklere sahip birçok işlemci vardır.

Oh, ve teknoloji değiştikçe, tüm bu değişimler değişiyor, bu yüzden talimat setleri gelişiyor, yenileri ortaya çıkıyor ve eskileri ölüyor. Bugünün “en iyi” bir talimat seti olsa bile, 20 yıl içinde olmayabilir.

Donanım detayları

Bir komut setinde muhtemelen en büyük tasarım kararı kelime büyüklüğüdür , yani işlemcinin "doğal olarak" ne kadar büyük miktarda manipüle edebileceği. 8 bit işlemciler 0-255 arası sayılarla ilgilenirken, 32 bit işlemciler 0-4,294,967,295 sayılarıyla ilgilenir. Biri için tasarlanan kodun bir başkası için tamamen yeniden düşünülmesi gerekir.

Bu sadece talimatların bir talimat setinden diğerine çevrilmesi ile ilgili değildir. Farklı bir komut setinde tamamen farklı bir yaklaşım tercih edilebilir. Örneğin, 8 bit işlemcide bir arama tablosu ideal olabilir, 32 bit işlemcide ise bir aritmetik işlem aynı amaç için daha iyi olur.

Komut setleri arasında başka önemli farklılıklar var. Çoğu talimat dört kategoriye ayrılır:

• Hesaplama (Aritmetik ve mantık)
• Kontrol akışı
• Veri aktarımı
• İşlemci yapılandırması

İşlemciler, ne tür hesaplamalar yapabilecekleri ile kontrol akışına, veri aktarımına ve işlemci yapılandırmasına nasıl yaklaştıkları konusunda farklılık gösterir.

Örneğin, bazı AVR işlemcileri çoğaltamaz ve bölünemez; Oysa tüm x86 işlemciler yapabilir. Tahmin edebileceğiniz gibi, çarpma ve bölme gibi görevler için gereken devreyi ortadan kaldırmak bir işlemciyi daha basit ve ucuz hale getirebilir; Bu işlemler, gerektiğinde yazılım rutinleri kullanılarak da gerçekleştirilebilir.

x86 aritmetik komutların işlenenlerini bellekten yüklemesine ve / veya sonuçlarını belleğe kaydetmesine izin verir; ARM, bir yük depolama mimarisidir ve bu nedenle belleğe erişmek için yalnızca birkaç özel talimat içerir. Bu arada, x86 koşullu dallanma talimatlarını atarken, ARM pratik olarak tüm talimatların koşullu olarak yürütülmesine izin verir . Ayrıca, ARM, bit değişimlerinin çoğu aritmetik komutun bir parçası olarak yapılmasına izin verir. Bu farklılıklar farklı performans özelliklerine, iç tasarımdaki farklılıklara ve talaşların maliyetine ve montaj dili seviyesindeki programlama tekniklerindeki farklılıklara yol açar.

Sonuç

Evrensel bir montaj diline sahip olmanın imkansızlığı, montaj kodunu bir komut setinden diğerine doğru şekilde dönüştürmek için, kodun baştan sona yeniden tasarlanması gerektiğidir - bilgisayarların henüz yapamadığı bir şey.

DW'nun müthiş cevabını eklemek: bir montajcıya sahip olmak istiyorsanız tüm mimarileri sürdürmeniz, aralarında mükemmel bir tercüman bulundurmanız ve ne yaptığınızı tam olarak anlamanız gerekir.
Bir mimaride yoğun olarak optimize edilmiş bazı kodların deoptimizize edilmesi, daha soyut düzeyde anlaşılması ve birbirinin optimize edilmesi gerekir.
Ancak bu mümkün olsaydı mükemmel bir C derleyicisine sahip olurduk ve saf derlemede yazmak hiç faydalı olmazdı.
Assembler kullanmanın asıl amacı son derleyicilerden sıkıştırılamayan performanstır.
Böyle bir programı yazmak mevcut derleyicilerden bile daha zor olacak ve yaratılan tüm yeni mimarileri sürdürmek onu daha da zorlaştıracak.
Ve "sadece bir" program için, aynı zamanda tam bir geriye dönük uyumluluk anlamına gelir.

Microsoft, MSIL'yi bir ara derleme dili olarak buldu. Programlar C # veya VB.Net'ten MSIL'ye derlenir. Çalışma zamanında, MSIL, bir JIT derleyicisi kullanılarak çalışan makinenin makine koduna derlendi . MSIL'yi içeren dosya, programı başlatmak için X86'nın başında birkaç talimat içeren bir .exe dosyasıydı. Bir ARM işlemcide, mono kelimesini program isminin önüne çalıştırmak için yazarsınız.

Belirtildiği gibi, LLVM şu ana kadar en yakın şey. Gerçekten evrensel bir dilin önündeki büyük bir engel, örtük değişimlerle ilgili temel farklılıklar olacaktır: eşzamanlılık, bellek kullanımı, verimlilik, gecikme süresi ve güç tüketimi. Açıkça SIMD tarzında yazarsanız, çok fazla bellek kullanıyor olabilirsiniz. Açıkça SISD stilinde yazarsanız, en iyi düzeyde paralelleştirme elde edersiniz. Verimlilik için optimize ederseniz, gecikmeye zarar verirsiniz. Tek iş parçacıklı çıkışı en yüksek seviyeye çıkarırsanız (örneğin: saat hızı), pil ömründen zarar görürsünüz.

En azından, kodun takaslar için açıklamalı olması gerekir. Dil için mantıksal tutarsızlığı optimize etmek ve tespit etmek için bir sürü kıpırdatma odası sağlayan iyi cebirsel / tip özelliklere sahip olmak en önemli şey olabilir.

O zaman tanımsız davranış sorunu var. C ve meclis dillerinin hızının çoğu tanımsız davranışlardan geliyor. Eğer gerçekten tanımlanmamış bir davranış olduğunu kabul edersen, onları özel durumlar olarak ele alırsın (yani: mimariye ve içeriğe özel kesmeler).

Belki de aradığınız şey, herkesin komutlar için sembolleri kabul ettiği bir Evrensel Torna Makinesi notasyonudır. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Turing_machine )

Torna Kabul Edilebilir dilini altta yatan satıcıya özel makine koduna çeviren ve bilgisayar dediğimiz şeylerden herhangi biri için oluşturulmuş bir 'assembler'.

Gelen Programlama Bilgisayar Sanatı şöyle olabilir şeyin bir örneği yoktur.

Ancak, "neden tüm bilgisayarlarla kullanılabilecek ticari olarak satılan evrensel bir dil değil" sorusunu düşünün, en ağır etkilerin (1) kolaylık olduğunu, tüm montaj dillerinin kullanmak için en uygun dil olmadığını; (2) ekonomi, farklı marka ve satıcıların makineleri arasında uyumsuzluk sağlamak, iş makinelerinin yanı sıra tasarım makineleri için sınırlı kaynakların (zaman / para) sonucudur.

Varsayım: L1 seviyesinin üst seviye bir L1 diline L1 derlenmesi ve optimizasyonu L1 seviyesinden L2 (L1 den daha yüksek) L0 seviyesine kadar derlenmesi ve optimize edilmesi; L1'den L0'a derlenirken L2'den L0'a kadar daha iyi kod üretebileceğiniz sözde.

Varsayımın muhtemelen doğru olduğunu düşünüyorum, bu nedenle çoğu derleyicide muhtemelen düşük seviyeli bir ara dil (IR / LLVM) kullanılıyor.

bu, herhangi bir düşük seviye L0 kullanmaktan ve L0'ı diğer düşük seviyeli dillere çevirmek için derleyiciler yazmaktan doğruysa. Örneğin, MIPS komut setini kullanın ve bunu x86, arm, power, ...

-Taoufik