Vom Quellcode zum Prozessor

Hier sieht man den Quellcode eines ganz einfachen Programms, jeweils in den Hochsprachen Java, C und Pascal:


Quellcode in Java

Code

public class Addierer {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 2;
        int y = 5;
        int z = x + y;
    }
}


Listing 1: Java


Quellcode in C

Code

void main(void) {
    int x = 2;
    int y = 5;
    int z = x + y;
}


Listing 2: C


Quellcode in Pascal

Code

PROGRAM Addierer;
VAR
    x, y, z: Integer
BEGIN
    x := 2;
    y := 5;
    z := x + y;
END.


Listing 3: Pascal


Dieses Programm ist sehr einfach zu verstehen:

  • Es werden drei Variablen deklariert.
  • Der ersten Variablen x wird der Wert 2 zugewiesen.
  • Der zweiten Variablen y wird der Wert 5 zugewiesen.
  • Die dritte Variable z bekommt ihren Wert zugewiesen als Ergebnis der Addition der Werte der Varaiablen x und y.

In C oder Pascal wird nun der Compiler auf den Quellcode angesetzt und heraus kommt eine ausführbare Datei. Bei dem Java-Quelltext sieht es etwas anders aus, da hier der Compiler nicht direkt eine ausführbare Datei erzeugt, sondern zunächst nur eine Datei mit sogenannten Bytecode, der später interpretiert wird. Wir beschränken uns in der weiteren Betrachtung auf die direkt vom Compiler erzeugte ausführbare Datei.

Nach dem Start der ausführbaren Datei wird der sogenannte Programmtext in den Hauptspeicher (Speicherwerk) geladen. Der Programmtext enthält die tatsächlich von der CPU ausführbaren Befehle, es handelt sich um die sogenannte Maschinensprache.


Definition: Maschinensprache

Definition

Unter Maschinensprache oder Maschinencode versteht man eine Folge von Einsen und Nullen, die einen oder mehrere Befehle repräsentieren, die auf einer CPU ausgeführt werden können.

Unterschiedliche CPUs unterstützen üblicherweise eine unterschiedliche Anzahl an Befehlen, auch die Notation von evtl. gleichbedeutenden Befehlen kann bei unterschiedlichen CPUs variieren.


Beispiel Maschinencode

Hier sieht man ein Beispiel für Maschinencode:

Code

0000000011000010000000010000110100000000110001010000000100001110000000 0010001101000000011000111000000001000011110000001110000000


Listing 4: Maschinencode (Programmtext)

Und an genau dieser Stelle beginnen die Probleme für den Menschen. Eine sehr lange Reihe von Einsen und Nullen ist nicht wirklich dafür geeignet, dass der Mensch sie problemlos versteht.

Das folgende Video bringt etwas Licht ins Dunkel und erläutert die Bedeutung dieser Reihe.

Video.png
Video


Am Ende des Videos wird auf eine SWF-Animation verwiesen. Das Bearbeiten der Animation stellt eine sinnvolle Fortsetzung des Videos dar, weshalb die folgende Aufgabe dieses aufgreift.


Aufgabe 1

Aufgabe
Sum Program

Bearbeite die SWF-Animation unter
http://courses.cs.vt.edu/csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/sumprogram.html
und vertiefe damit das Verständnis für die Ausführung von Maschinensprache auf einer CPU.

Die Animation kann sowohl für den Ablauf mit Maschinensprache, als auch mit Assembler konfiguriert werden. Bedenke, dass Assembler nur eine Vereinfachung für den Menschen darstellt. Auf der CPU werden immer binär codierte Befehle (--> Maschinensprache) ausgeführt.

Falls dein Gerät die SWF-Wiedergabe nicht unterstützt, findest du hier ein aufgenommenes Video der Animation:
Sum program (Assembler) --> http://youtu.be/_HwoiEkW8nI (03:33)
Sum program (Maschinensprache) --> http://youtu.be/i2sREE1aAOc (03:23)
Diese Videos sind ohne Ton aufgezeichnet.


Befehle in Maschinencode

Die oben gezeigte Reihe aus Einsen und Nullen besteht in diesem Beispiel also aus insgesamt acht Befehlen, von denen jeder aus genau 16 Bit besteht.

Code

0000000011000010
0000000100001101
0000000011000101
0000000100001110
0000000010001101
0000000110001110
0000000100001111
0000001110000000


Listing 5: Acht Maschinensprachebefehle, bestehend aus je 16 Bit


Assemblercode

Diese Maschinensprachebefehle lassen sich für Menschen besser als Assemblercode darstellen:

Code

LOAD #2
STORE 13
LOAD #5
STORE 14
LOAD 13
ADD 14
STORE 15
HALT


Listing 6: Assembler


Wie die verschiedenen auf dieser Seite angegebenen Videos zeigen, ist anhand des Assemblercodes sehr leicht nachvollziehbar, dass der Programmtext auf der betrachteten Beispiel-CPU tatsächlich eine Übersetzung des oben auf dieser Seite gegebenen Quellcodes in einer der Hochsprachen ist.


Hinweis
Hinweis

Der hier verwendete Begriff Assembler wird beispielhaft anhand einiger sehr einfach gehaltener Befehle erläutert. Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es für jeden Computertyp eine spezielle, auf den Befehlssatz des Prozessors zugeschnittene Assemblersprache gibt.

Eine tiefergehende Auseinandersetzung mit Assembler soll an dieser Stelle nicht erfolgen. Bei Bedarf können weitere Hintergründe zu Assemblersprachen in einem gleichnamigen Wikipedia-Artikel nachgelesen werden.

In diesem Zusammenhang veranschaulicht die verlinkte Auflistung von Hallo-Welt-Programmen in verschiedenen Assemblersprachen deutliche Unterschiede.


Ein paar zusätzliche Aufgaben sollen das Thema noch vertiefen.


Aufgabe 2

Aufgabe
Count Program

Betrachte folgende Internet-Seite, auf der ganz unten das Count program mit SWF-Animation zu finden ist:
http://courses.cs.vt.edu/csonline/MachineArchitecture/Lessons/CPU/Lesson.html
Starte die SWF-Animation zum Count program und beobachte den Ablauf.

Falls dein Gerät die SWF-Wiedergabe nicht unterstützt, findest du hier ein aufgenommenes Video der Animation:
Count program (Assembler) --> http://youtu.be/IwjR83896p0 (09:37)
Count program (Maschinensprache) --> http://youtu.be/zIDj4FlOV7U (09:32)
Diese Videos sind ohne Ton aufgezeichnet.


Aufgabe 3

Aufgabe
EQUAL-Befehl

Wie funktioniert der im Count program enthaltene EQUAL-Befehl?


Aufgabe 4

Aufgabe
JUMP-Befehl

Wie funktioniert der im Count program enthaltene JUMP-Befehl?
Arbeitet JUMP auch auf dem Akkumulator?


Aufgabe 5

Aufgabe
Assembler-2-Hochsprache

Der Assemblercode des Count program sieht wie folgt aus:

LOAD #5
STORE 15
LOAD #0
EQUAL 15
JUMP #6
HALT
ADD #1
JUMP #3

Erarbeite einen Vorschlag für ein äquivalentes Programm in einer Hochsprache wie Java, C, Pascal oder ähnlich. Diskutiere deinen Vorschlag in deiner Lerngruppe! (Keine Idee? Dann frag in deiner Lerngruppe mal nach einem Tipp!)


Aufgabe 6

Aufgabe
Speicherzellen für die Befehle

Weise jedem Assembler-Befehl aus der vorangegangenen Aufgabe eine Speicherzelle in der folgenden Abbildung des Speicherwerks zu.

  • Ist das Assembler-Programm so noch lauffähig?
  • Erkläre den anderen Mitgliedern deiner Lerngruppe den Ablauf im Zusammenspiel zwischen CPU und Speicherwerk!

Cpu9-speicher.jpg