1	Luento 11 Tulkinta ja emulointi Tulkinta ja emulointi Java ohjelman suoritus, tulkinta ja kääntäminen Suorittimen emulointi C#, ttk-91, Crusoe
2	Java ohjelmien suoritus (3)
3	Java virtuaalikone (JVM) (5) Hypoteettinen suoritin, 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
4	JVM:n tietorakenteet 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 Þ StackOverflowError, OutOfMemoryError
5	JVM:n tietorakenteet (jatkuu) JVM keko (JVM heap) yhteinen kaikille saman virtuaalikoneen säikeille automaattinen roskienkeruu (garbage collector) ei-käytössä (implisiittisesti ”vapautettu”) oleva muistialue palautetaan uusiokäyttöön (vapaaksi) ei tarvita erikseen free operaatiota Java ohjelmassa voi hidastaa suoritusta milloin vain toteutuksesta riippuen kiinteän kokoinen tai dynaamisesti laajennettavissa ei tarvitse muodostaa yhtenäistä muistialuetta natiivijärjestelmän keossa tila loppu Þ OutOfMemoryError
6	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 Þ OutOfMemoryError
7	JVM:n tietorakenteet (jatkuu) Javan 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 (käännösaikaiset literaalit, suor. aikana ratkottavat attribuutit, …) talletetaan JVM metodialueelle tila loppu Þ OutOfMemoryError
8	JVM:n tietorakenteet (jatkuu) Natiivimetodien pinot (Native Method Stacks) toteutus voi käyttää tavallisia pinoja (”C stacks”) sellaisten natiivimetodien tukena, jota ei ole kirjoitettu Javalla käytetään myös Java tulkin toteutuksessa ei JVM toteutuksissa, joissa ei natiivimetodeja toteutuksesta riippuen kiinteän kokoinen tai dynaamisesti laajennettavissa tila loppu Þ StackOverflowError, OutOfMemoryError
9	JVM:n tietorakenteet (jatkuu) 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
10	JVM:n tietorakenteet (jatkuu) 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
11	JVM kehyksen data (1) Paikalliset muuttujat 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)
12	JVM:n tiedon osoitusmoodit (4) Välitön operandi Indeksoitu Pino-osoitus Taulukko-osoitus pinon kautta
13	JVM käskyt Peruslaskutoimitukset 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
14	Java tulkki (4) Emuloi JVM konekielen käskyjä (byte-koodia) Yksi (byte-koodi) käsky kerrallaan JVM rekisterit ja muistialueet emuloitu tulkin tietorakenteina muistissa vrt. KOKSI ja TTK-91 Hidasta, mutta joustavaa
15	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
16	Java JIT käännös JIT = Just-in-Time Emulointi ja/tai käännös 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 käännös vasta 2. kutsukerralla? JVM rekisterit ja muistialueet emuloitu tulkin tietorakenteina, joita natiivikoodi myös käyttää
17	Java suoritin: Sun PicoJAVA II Suorittimen määrittely, jonka mukaisessa koneessa byte-koodi -muodossa olevia ohjelmia voidaan sellaisenaan suorittaa Valinnainen välimuisti ja liukulukusuoritin Kaikki 226 JVM konekäskyä jotkut käskyt toteutettu aliohjelmilla, jotka aktivoidaan keskeytyskäsittelymekanismin avulla Myös 115 muuta konekäskyä käyttöjärjestelmän ja muiden ohjelmointikielten toteuttamiseksi
18	PicoJAVA II pino 64 (välimuisti-) laiterekisteriä JVM pinon huipun talletukseen loput JVM pinosta muistissa
19	PicoJAVA II rekisterit 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
20	PicoJAVA ylim. käskyt 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, ...
21	PicoJAVA toteutuksia (2) Sun microJAVA 701 valinnainen välimuisti oma muistiväylä PCI väylä muille laitteille 16 ohjelmoitavaa I/O johdinta näppäimet, LEDit, … 3 ohjelmoitavaa ajastinta (Þ kellolaitekeskeytykset) suunnattu halpoihin kannettaviin laitteisiin (kämmenmikro, PDA - Personal Digital Assistant) Sun ultraJAVA nopeampi, parempi, kalliimpi, … suunnattu grafiikka- ja multimediasovelluksiin
22	Muita Java-suorittimia JEM (Rockwell Collins) PSC1000 (Patriot Scientific) dSys (Saksa), lääketieteellisiä laitteita MJ501 (LG Semicon) TV, älykortit JSR-001, Real-Time Specification for Java (Java Community Process, ”Sun Microsystems”) aJile: aJ-80, aJ-100, älykkäät liikkuvat laitteet
23	Sun MAJC MAJC - Microprocessor Architecture for Java Computing suoritinarkkitehtuurin määrittely tavoitteena suuri nopeus Java, C ja C++ sovelluksille suunnattu multimediasovelluksiin verkossa tukee hyvin JIT-käännöstä
24	MAJC toteutus: MAJC 5200 1-4 suoritinta (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 suoritin säikeen vaihto nopeampaa kuin muistista luku! laiterekisterit 4:lle säikeelle! välimuistin hudin aikana suoritetaan muita säikeitä Suunnattu interaktiiviseen TV:hen, virtuaalitodellisuussovelluksiin, ...
25
26	C# eli ”C sharp” (1) C# Javan 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, Java, C#, Visual Basic suoritus ainoastaan (JIT) käännösten avulla
27
28	TTK-91 Emulointi TTK-91 konekielen emulointi KOKSI simulaattorin osa Yksi käsky kerrallaan TTK-91 koneen rekisterit ja muisti emuloitu tulkin tietorakenteina
29
30	Transmetan Crusoe suoritin (8) x86 konekielen emulointi, JIT käännös Natiivi käskykantaa ei ole julkistettu ”nopeampi, sama teknologia”? ”yhtä nopea, vähemmän virtaa” Monta x86 käskyä yhtä aikaa paloiteltuna emuloinnissa, sekajärjestyksessä x86 rekisterit emuloitu natiivi- järjestelmän laiterekistereillä x86 muisti emuloitu rekistereiden avulla suojattuna tietorakenteina Tarkat keskeytykset: suorituksen peruutus uusi käännös hitaalle koodille uusi hidas tarkka emulointi
31	Crusoe emulaattorin suoritus
32	Crusoe suorittimen looginen rakenne
33	Crusoe suorittimen fyysinen rakenne
34	-- Luennon 11 loppu --