машина p-кода

В компьютерном программировании используется машина p-кода ( портативная кодовая машина). ^[1]) — это виртуальная машина , предназначенная для выполнения p-кода ( языка ассемблера или машинного кода гипотетического центрального процессора (ЦП)). Этот термин применяется как в целом ко всем таким машинам (таким как виртуальная машина Java (JVM) и предварительно скомпилированный код MATLAB ), так и к конкретным реализациям, наиболее известной из которых является p-машина системы Pascal-P , особенно Реализация UCSD Pascal , среди разработчиков которой буква p в p-коде истолковывалась как псевдокод чаще , чем портативный , таким образом, псевдокод означал инструкции для псевдомашины.

Хотя концепция была впервые реализована примерно в 1966 году как O-код для базового комбинированного языка программирования ( BCPL ) и P-код для языка Эйлера , ^[2]термин p -код впервые появился в начале 1970-х годов. Двумя ранними компиляторами , генерирующими p-код, были компилятор Pascal-P 1973 года, созданный Кесавом В. Нори, Урсом Амманном, Кэтлин Йенсен, Хансом-Генрихом Нэгели и Кристианом Якоби. ^[3] и компилятор Pascal-S в 1975 году, созданный Никлаусом Виртом .

Программы, переведенные в p-код, могут либо интерпретироваться программой, которая имитирует поведение гипотетического ЦП, либо транслироваться в машинный код ЦП, на котором программа должна запускаться, а затем выполняться. Если существует достаточный коммерческий интерес, может быть создана аппаратная реализация спецификации ЦП (например, Pascal MicroEngine или версия процессора Java ).

внедрения p- кода недостатки Преимущества и

По сравнению с прямой трансляцией в собственный машинный код двухэтапный подход, включающий трансляцию в p-код и выполнение путем интерпретации или JIT- компиляции, дает несколько преимуществ.

Гораздо проще написать небольшой интерпретатор p-кода для новой машины, чем модифицировать компилятор для генерации собственного кода для той же машины.
Генерация машинного кода — одна из наиболее сложных частей написания компилятора. Для сравнения, генерация p-кода намного проще, поскольку при генерации байт-кода не нужно учитывать машинно-зависимое поведение . Это делает его полезным для быстрого запуска и запуска компилятора.
Поскольку p-код основан на идеальной виртуальной машине, программа с p-кодом часто намного меньше той же программы, переведенной в машинный код.
При интерпретации p-кода интерпретатор может применять дополнительные проверки во время выполнения , которые трудно реализовать с помощью машинного кода.

Одним из существенных недостатков p-кода является скорость выполнения, которую иногда можно исправить с помощью компиляции Just-in-time . P-код часто легче перепроектировать, чем собственный код.

Реализации p-кода [ править ]

В начале 1980-х годов по крайней мере две операционные системы достигли машинной независимости благодаря широкому использованию p-кода. Бизнес -операционная система (BOS) представляла собой кросс-платформенную операционную систему, предназначенную исключительно для запуска программ p-кода. UCSD p-System , разработанная в Калифорнийском университете в Сан-Диего, представляла собой самокомпилируемую и саморазмещающуюся [ нужны разъяснения ] операционную систему, основанную на p-коде, оптимизированном для генерации языком Паскаль .

В 1990-х годах перевод в p-код стал популярной стратегией реализации таких языков, как Python , Microsoft P-Code в Visual Basic и байт-код Java в Java .

В языке Go используется универсальная переносимая сборка как форма p-кода, реализованная Кеном Томпсоном как расширение работы над Plan 9 от Bell Labs . В отличие от байт-кода Common Language Runtime (CLR) или байт-кода JVM, здесь не существует стабильной спецификации, а инструменты сборки Go не создают формат байт-кода, который будет использоваться позже. Ассемблер Go использует общий язык ассемблера в качестве промежуточного представления , а исполняемые файлы Go представляют собой статически связанные двоичные файлы, специфичные для конкретной машины. ^[4]

UCSD p-Машина [ править ]

Архитектура [ править ]

Как и многие другие машины с p-кодом, UCSD p-Machine является стековой машиной , что означает, что большинство инструкций берут свои операнды из стека и помещают результаты обратно в стек. Таким образом addИнструкция заменяет два верхних элемента стека их суммой. Несколько инструкций требуют немедленного аргумента. Как и в Паскале, p-код строго типизирован и изначально поддерживает логический (b), символьный (c), целочисленный (i), вещественный (r), наборный (s) и указательный (a) типы данных .

Несколько простых инструкций:

Инсн.  Описание стека стека
         до после
 
 adi i1 i2 i1+i2 сложить два целых числа
 adr r1 r2 r1+r2 добавить два действительных числа
 inn i1 s1 b1 набор членства;  b1 = является ли i1 членом s1
 ldi i1 i1 i1 загрузить целочисленную константу
 переместить a1 a2 a2 переместить
 не b1 b1 -b1 логическое отрицание

Окружающая среда [ править ]

Подобно реальному целевому процессору, p-система имеет только один стек, общий для кадров стека процедур (обеспечивающий адрес возврата и т. д.) и аргументы для локальных инструкций. машины Три регистра указывают на стек (который растет вверх):

SP указывает на вершину стека ( указатель стека ).
MP отмечает начало активного кадра стека ( указатель метки ).
EP указывает на самую верхнюю ячейку стека, используемую в текущей процедуре ( крайний указатель ).

Также присутствует постоянная область, а под ней — куча , растущая вниз к стопке. Регистр NP ( новый указатель ) указывает на вершину (наименьший используемый адрес) кучи. Когда EP становится больше, чем NP, память машины исчерпывается.

Пятый регистр PC указывает на текущую инструкцию в области кода.

Соглашения о вызовах [ править ]

Кадры стека выглядят следующим образом:

ЕР ->
       локальный стек
 СП -> ...
       местные жители
       ...
       параметры
       ...
       обратный адрес (предыдущий ПК)
       предыдущий EP
       динамическая ссылка (предыдущий MP)
       статическая ссылка (MP окружающей процедуры)
 MP -> возвращаемое значение функции

Последовательность вызова процедуры работает следующим образом: Вызов начинается с

 мст н

где nопределяет разницу в уровнях вложенности (помните, что Паскаль поддерживает вложенные процедуры). Эта инструкция пометит стек, т.е. зарезервирует первые пять ячеек вышеуказанного кадра стека и инициализирует предыдущую EP, динамическую и статическую ссылку. Затем вызывающая сторона вычисляет и передает любые параметры процедуры, а затем выдает

 чашка н, п

вызвать пользовательскую процедуру ( n количество параметров, pадрес процедуры). Это сохранит ПК в ячейке обратного адреса и установит адрес процедуры в качестве нового ПК.

Пользовательские процедуры начинаются с двух инструкций

ент 1, я
  ент 2, j

Первый устанавливает SP в MP+ i, второй устанавливает EP в SP + j. Так i по существу указывает пространство, зарезервированное для локальных пользователей (плюс количество параметров плюс 5), и jдает количество записей, необходимых локально для стека. На этом этапе проверяется исчерпание памяти.

Возврат к вызывающему абоненту осуществляется через

 retC

с Cзадавая тип возвращаемого значения (i, r, c, b, a, как указано выше, и p для отсутствия возвращаемого значения). Возвращаемое значение должно быть предварительно сохранено в соответствующей ячейке. Для всех типов, кроме p, возврат оставит это значение в стеке.

Вместо вызова пользовательской процедуры (чашки) используется стандартная процедура q можно вызвать с помощью

 csp q

Этими стандартными процедурами являются процедуры Паскаля, такие как readln() ( csp rln), sin() ( csp sin) и т. д. Своеобразно eof() вместо этого является инструкцией p-кода.

Пример машины [ править ]

Никлаус Вирт описал простую машину с кодом p-кода в книге 1976 года «Алгоритмы + структуры данных = программы» . Машина имела 3 регистра — программный счетчик p , базовый регистр b и регистр вершины стека t . Было 8 инструкций:

lit 0, a : постоянная нагрузка а
opr 0, a : выполнить операцию а (13 операций: ВОЗВРАТ, 5 математических функций и 7 функций сравнения)
lod l, a : загрузить переменную л , а
sto l, a : сохранить переменную л , а
cal l, a : процедура вызова на уровне л
int 0, a : увеличить t-регистр на а
jmp 0, a : перейти к а
jpc 0, a : переход по условию на а ^[5]

Это код машины, написанный на языке Паскаль:

константа 
	 амакс  =  2047  ;         {максимальный адрес} 
	 levmax  =  3  ;          {максимальная глубина вложенности блоков} 
	 cxmax  =  200  ;         {размер кодового массива} 

 type  
	 fct  =  (  lit  ,  opr  ,  lod  ,  sto  ,  Cal  ,  int  ,  jmp  ,  jpc  )  ; 
	  инструкция  =  упакованная   запись  
		 f  :  fct  ; 
		  л  :  0  ..  левмакс  ; 
		  а  :  0  ..  амакс  ; 
	  конец  ; 

 var 
	  код  :   массив   [  0  ..  cxmax  ]   инструкций    ; 

  процедура   интерпретации  ; 

    константный   размер стека   =   500  ; 

    вар 
     п  ,   б  ,   т  :   целое число  ;    {программа-, базовый-, верхний стек-регистры} 
     i  :   инструкция  ;    {регистр инструкций} 
     s  :   массив   [  1  ..  размер стека  ]   целого   числа  ;    {datastore} 

   функция   base  (  l  :   целое число  )  :   целое число  ; 
      вар   b1  :   целое число  ; 
    начать 
     b1   :=   b  ;    {найти базовый уровень l вниз} 
     while   l   >   0   do   Begin 
       b1   :=   s  [  b1  ]  ; 
        л   :=   л   -   1 
     конец  ; 
      база   :=   b1 
   конец   {база}  ; 

  начать 
   запись  (  'начать pl/0'  )  ; 
    т   :=   0  ;    б   :=   1  ;    п   :=   0  ; 
    с  [  1  ]   :=   0  ;    с  [  2  ]   :=   0  ;    с  [  3  ]   :=   0  ; 
    повторить 
     я   :=   код  [  п  ]  ;    р   :=   р   +   1  ; 
      с   i   do 
       case   f   oflit 
         :  :   begin   t   =   t   +   1  ;    s  [  т  ]   =   конец   ;  : 
          opr  :  
           случай   a   {   operator} 
             0  :  
               Begin   {return} 
                 t   :=   b   -   1  ;    п   :=   s  [  т   +   3  ]  ;    б   :=   s  [  т   +   2  ]  ; 
                конец  ; 
              1  :   с  [  т  ]   :=   -  с  [  т  ]  ; 
              2  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  т  ]   :=   s  [  т  ]   +   s  [  т   +   1  ]   конец  ; 
              3  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  т  ]   :=   s  [  т  ]   -   s  [  т   +   1  ]   конец  ; 
              4  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  т  ]   :=   s  [  т  ]   *   s  [  т   +   1  ]   конец  ; 
              5  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  т  ]   :=   s  [  т  ]   div   s  [  т   +   1  ]   конец  ; 
              6  :   s  [  t  ]   :=   ord  (  нечетное  (  s  [  t  ]))  ; 
              8  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   =   s  [  t   +   1  ])   end  ; 
              9  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   <>   s  [  t   +   1  ])   end ; 
              10  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   <   s  [  t   +   1  ])   end  ; 
              11  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   >=   s  [  t   +   1  ])   end  ; 
              12  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   >   s  [  t   +   1  ])   end  ; 
              13  :   начало   т   :=   т   -   1  ;    s  [  t  ]   :=   ord  (  s  [  t  ]   <=   s  [  t   +   1  ])   end  ; 
            конец  ; 
          lod  :   начало   т   :=   т   +   1  ;    s  [  т  ]   :=   s  [  база  (  л  )   +   а  ]   конец  ; 
          Сто  :   начало   s  [  основание  (  l  )  +  a  ]   :=   s  [  t  ]  ;    writeln  (  s  [  t  ])  ;    т   :=   т   -   1   конец  ; 
          Cal  :  
           начать   {сгенерировать новую метку блока} 
             s  [  t   +   1  ]   :=   base  (  l  )  ;    s  [  т   +   2  ]   :=   б  ;    s  [  т   +   3  ]   :=   п  ; 
              б   :=   т   +   1  ;    п   =   конец 
           ;  : 
          int  :   т   :=   т   +   а  ; 
          jmp  :   п   :=   а  ; 
          jpc  :   начать,   если   s  [  t  ]   =   0   , то   p   :=   a  ;    t   :=   t   -   1   end 
       end   {with, case} 
   до тех пор, пока   p   =   0  ; 
    writeln  (  'конец pl/0'  )  ; 
  конец   {интерпретировать}  ;

Эта машина использовалась для запуска PL/0 Вирта , подмножества компилятора Паскаля, используемого для обучения разработке компиляторов. ^[6]^{[ не удалось пройти проверку ]}

Microsoft P-код [ править ]

P-Code — это название нескольких Microsoft проприетарных промежуточных языков . Они предоставили альтернативный двоичный формат машинному коду . В разное время Microsoft заявляла, что p-code — это аббревиатура для упакованного кода. ^[7] или псевдокод . ^[8]

Microsoft p-code использовался в Visual C++ и Visual Basic . Как и другие реализации p-кода, p-code Microsoft позволил сделать исполняемый файл более компактным за счет более медленного выполнения.

Другие реализации [ править ]

См. также [ править ]

Байт-код
Промежуточное представительство
Джоэл МакКормак , разработчик версии машины p-кода корпорации NCR.
Система выполнения
Поток токенов
Мнемонический код города и гильдий
Платформонезависимая модель – модель разработки программного обеспечения

Ссылки [ править ]

^ Аптон, Эбен; Дантеманн, Джеффри; Робертс, Ральф; Мамтора, Тим; Эверард, Бен (13 сентября 2016 г.). Изучение компьютерной архитектуры с помощью Raspberry Pi . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-119-18393-8 .
^ Вирт, Никлаус ; Вебер, Гельмут (1966). «ЭЙЛЕР: обобщение АЛГОЛА и его формальное определение: Часть II» . Коммуникации АКМ . 9 (2). Нью-Йорк, США: Ассоциация вычислительной техники (ACM): 89–99. дои : 10.1145/365170.365202 . S2CID 12124100 .
^ Нори, Кесав В.; Амманн, Урс; Дженсен, Кэтлин; Нэгели, Ганс-Генрих; Якоби, Кристиан (1975). Замечания по реализации компилятора Pascal P. Цюрих, Швейцария: Швейцарский федеральный технологический институт (ETH).
^ Пайк, Роберт С. (2016). «Проектирование ассемблера Go» . YouTube (выступление на конференции). Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 25 августа 2017 г.
^ «Архивы категорий: Вирт - Эйлер - Разработано Никлаусом Виртом и Гельмутом Вебером» . Паскаль для небольших машин — вирт-языки, Pascal, UCSD, Turbo, Delphi, Freepascal, Oberon . 2018-08-02.
^ Альперт, Дональд (сентябрь 1979 г.). Интерпретатор P-кода Паскаля для Стэнфордской премии «Эмми» (PDF) (Отчет). Лаборатория компьютерных систем, факультеты элеотриальной инженерии и компьютерных наук, Стэнфордский университет. Техническая нота № 164.
^ Падавер, Энди (апрель 1992 г.). «Технология Microsoft P-Code» . Сеть разработчиков Microsoft . Архивировано из оригинала 22 февраля 2001 г.
^ «Компиляция вашего проекта в нативный код» . Документация Visual Studio 6.0 . 2007. Архивировано из оригинала 27 февраля 2007 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

Пембертон, Стивен ; Дэниелс, Мартин. Реализация Паскаля: компилятор и интерпретатор P4 . Джон Уайли . ISBN 0-13-653031-1 .
Пембертон, Стивен , изд. (13 апреля 2011 г.). «Реализация Паскаля: книга и источники» . (Примечание. Содержит исходные коды компилятора и интерпретатора P4 на языке Pascal , инструкции по использованию.)
Пембертон, Стивен , изд. (13 апреля 2011 г.). «pcode компилятора Pascal, скомпилированный сам по себе» . (Примечание. Имеет p-код компилятора P4 , сгенерированный им самим.)
«Страница Компьютерного музея Джефферсона о p-системе UCSD» .
«Реализация с открытым исходным кодом» . , включая упаковку и предварительно скомпилированные двоичные файлы; дружеская вилка Клебш. «Реализация Клебша» .
Терри, Пэт (2005). Компиляция с помощью C# и Java . Пирсон/Аддисон-Уэсли. п. 624. ИСБН 0-321-26360-Х .
Вирт, Никлаус (1975). Алгоритмы + Структуры данных = Программы . Прентис-Холл. ISBN 0-13-022418-9 .
Вирт, Никлаус (1996). Конструкция компилятора . Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-40353-6 .
Лиффик, Блез В., изд. (1979). Байтовая книга Паскаля . Публикации БАЙТА. ISBN 0-07-037823-1 .
Бэррон, Дэвид Уильям , изд. (1981). Паскаль: Язык и его реализация . Уайли. ISBN 0-471-27835-1 . (Примечание. В частности, см. статьи « Замечания по реализации Pascal-P» и «Pascal-S: подмножество и его реализация ».)

Внешние ссылки [ править ]

Информация о P-коде VB, предоставленная г-ном Сильвером на Wayback Machine (архивировано 22 декабря 2015 г.)

[1] Аптон, Эбен; Дантеманн, Джеффри; Робертс, Ральф; Мамтора, Тим; Эверард, Бен (13 сентября 2016 г.). Изучение компьютерной архитектуры с помощью Raspberry Pi . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-119-18393-8 .

[Wirth_1966-2] Вирт, Никлаус ; Вебер, Гельмут (1966). «ЭЙЛЕР: обобщение АЛГОЛА и его формальное определение: Часть II» . Коммуникации АКМ . 9 (2). Нью-Йорк, США: Ассоциация вычислительной техники (ACM): 89–99. дои : 10.1145/365170.365202 . S2CID 12124100 .

[Nori_1975-3] Нори, Кесав В.; Амманн, Урс; Дженсен, Кэтлин; Нэгели, Ганс-Генрих; Якоби, Кристиан (1975). Замечания по реализации компилятора Pascal P. Цюрих, Швейцария: Швейцарский федеральный технологический институт (ETH).

[Pike_2016-4] Пайк, Роберт С. (2016). «Проектирование ассемблера Go» . YouTube (выступление на конференции). Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 25 августа 2017 г.

[Hansotten-5] «Архивы категорий: Вирт - Эйлер - Разработано Никлаусом Виртом и Гельмутом Вебером» . Паскаль для небольших машин — вирт-языки, Pascal, UCSD, Turbo, Delphi, Freepascal, Oberon . 2018-08-02.

[6] Альперт, Дональд (сентябрь 1979 г.). Интерпретатор P-кода Паскаля для Стэнфордской премии «Эмми» (PDF) (Отчет). Лаборатория компьютерных систем, факультеты элеотриальной инженерии и компьютерных наук, Стэнфордский университет. Техническая нота № 164.

[7] Падавер, Энди (апрель 1992 г.). «Технология Microsoft P-Code» . Сеть разработчиков Microsoft . Архивировано из оригинала 22 февраля 2001 г.

[8] «Компиляция вашего проекта в нативный код» . Документация Visual Studio 6.0 . 2007. Архивировано из оригинала 27 февраля 2007 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]