Programación de Sistemas Unidad 1 Introducción

Contenido Campo de estudio de la programación de sistemas Clasificación de los lenguajes de programación Procesadores de lenguaje Hardware

Campo de estudio de la programación de sistemas ¿Qué es un programa? Conjunto de instrucciones que ejecuta una computadora para realizar una actividad o tarea. ¿Qué es un sistema? Conjunto de elementos autónomos que trabajan en armonía para alcanzar un objetivo en común. Hay sistemas de tipo físico, abstracto, abierto, cerrado, etc. Tienen ciertas características, están bien delimitados, interactúan con su medio, pueden ser componentes de otro sistema. La meta es mantener funcionando de manera apropiada todos los elementos del sistema e integrarlos de manera que el usuario pueda tener acceso a ellos desde la periferia a través del software de sistema y realizar tareas.

Campo de estudio de la programación de sistemas … (2) La programación de sistemas abarca el estudio y diseño de software base de la computadora. El software de sistemas o software base es un conjunto de programas que han sido escritos para servir a otros programas. El sistema operativo es visto como el primer nivel de soporte para todos los programas. Algunos programas de sistemas son: el sistema operativo, compiladores, ensambladores, macroensambladores, intérpretes, enlazadores, cargadores, SMBD, etc. Los programas de sistemas se caracterizan por tener una fuerte interacción con el hardware, estructuras de información complejas, fuerte gestión de procesos, entre otras.

Campo de estudio de la programación de sistemas … (3) Algunas de las áreas afines a la programación de sistemas son: Los lenguajes de programación Arquitectura de computadoras y programación a bajo nivel . La algoritmia La ingeniería de software La mayoría del software de base funciona como un traductor entre el usuario y el sistema. Generalmente la comunicación usuario-sistema se logra mediante algún tipo de lenguaje.

Clasificación de los lenguajes de programación Un lenguaje de programación se puede definir como: Notación formal para describir algoritmos o funciones que serán ejecutadas por una computadora. Lenguaje para comunicar instrucciones a la computadora. Convención para escribir descripciones que pueden ser evaluadas. Los lenguajes de programación se pueden clasificar desde distintos puntos de vista: Según su grado de independencia Según el paradigma de programación

Clasificación de los lenguajes de programación … (2) Según su grado de independencia con la máquina Lenguaje máquina Lenguaje ensamblador Lenguajes de alto nivel (orientados a los usuarios) Lenguajes orientados a problemas concretos

Clasificación de los lenguajes de programación … (3) Lenguaje máquina Contiene solo unos y ceros Generalmente solo se tienen dos tipos de secuencias: Instrucciones. Una parte para el código de operación y otra para la dirección. Datos. Un bit para el signo el resto para el valor. 1 2 Memoria Registros Memoria Registros PC PC 300 1 9 4 0 3 0 0 300 1 9 4 0 3 0 0 301 5 9 4 1 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2 941 0 0 0 2 3 4 3 4 15 Memoria Registros Memoria Registros Codop Dirección PC PC 300 1 9 4 0 3 0 1 300 1 9 4 0 3 0 1 (a) Formato de instrucción 301 5 9 4 1 0 0 0 3 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 1 15 302 2 9 4 1 5 9 4 1 IR 302 2 9 4 1 5 9 4 1 IR S Magnitud (b) Formato de enteros 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2 941 0 0 0 2 Contador de programa (PC) = dirección de instrucción Registro de instrucción (IR) = Instrucción en ejecución Acumulador (AC) = Almacenamiento temporal 5 6 Memoria Registros Memoria Registros PC PC 300 1 9 4 0 3 0 2 300 1 9 4 0 3 0 2 (c) Registros internos del CPU 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 301 5 9 4 1 0 0 0 5 AC 302 2 9 4 1 2 9 4 1 0001 = Cargar AC desde memoria 0010 = Almacenar AC en memoria 0101 = Sumar a AC un dato de memoria IR 302 2 9 4 1 1 9 4 1 IR 940 0 0 0 3 940 0 0 0 3 (d) Lista parcial de códigos de operación (Codop) 941 0 0 0 2 941 0 0 0 5

Clasificación de los lenguajes de programación … (4) Lenguaje ensamblador Se apegan a una arquitectura en específico. Es esencialmente una versión simbólica de un lenguaje máquina. Se trata de una relación biunivoca de mnemotécnicos y código máquina. Trabaja con los registros de la computadora de forma directa Es el primer paso hacia los lenguajes de alto nivel, y en general hacia los compiladores. Código Ensamblador Código Máquina Memoria Registros LOAD AC, A ADD AC, B STORE B 300 1 9 4 0 3 0 0 PC 301 5 9 4 1 AC 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2

Clasificación de los lenguajes de programación … (5) Lenguaje de alto nivel Facilitan la programación (comunicación) al tener un mayor parecido al lenguaje utilizado por los humanos. Los lenguajes de alto nivel surgen como una alternativa viable y necesaria para desarrollar casi todo tipo de software. Sin embargo, no dejan de ser lenguajes rígidos y sistemáticos Lenguajes orientados a problemas completos Se utilizan para la resolución de problemas en un campo específico. Ej: SQL para el manejo de BD, Postcript para la descripción de páginas, etc. Código Máquina Memoria Registros 300 1 9 4 0 3 0 0 PC Lenguaje de alto nivel Código Ensamblador 301 5 9 4 1 AC B+=A; LOAD AC, A ADD AC, B STORE B 302 2 9 4 1 1 9 4 0 IR 940 0 0 0 3 941 0 0 0 2

Clasificación de los lenguajes de programación … (6) Clasificación según los paradigmas de programación Imperativo Estructurado Orientado a objetos Orientado a eventos Funcional Lógico Cada uno de los paradigmas representa un enfoque particular o filosofía para la construcción del software. En función del problema a resolver unos resultan más apropiados que otros.

Clasificación de los lenguajes de programación … (7) Paradigma imperativo Describe la programación en términos del estado del programa y sentencias que cambian dicho estado. Prácticamente todo el hardware de las computadoras esta diseñado para utilizar código máquina escrito en una forma imperativa. El estilo de un programa bajo este paradigma está definido por los contenidos de la memoria (registros o variables) y las sentencias que alteran el estado (contenido) de las variables. Lenguajes de este tipo Lenguaje máquina Lenguaje ensamblador Lenguaje C Primer lenguaje en superar los obstáculos presentados por el código máquina para la creación de programas complejos. Es el lenguaje más popular para crear software de sistemas dada la eficiencia del código que produce. Se considera como un lenguaje de medio nivel ya que posee características de los lenguajes de bajo nivel y también de alto nivel.

Clasificación de los lenguajes de programación … (8) Paradigma estructurado También conocido como programación sin ‘GOTO’. Es una metodología para programar de forma clara utilizando únicamente tres estructuras: Secuencial Iterativa Selectiva La programación estructurada tiene varias ventajas, entre ellas están: Estructura de programas más claras, legibles y fáciles de entender. Reducción del costo y esfuerzo en pruebas y mantenimiento. Uno de los inconvenientes de la programación bajo este paradigma es que se obtiene un único bloque de programa. Sin embargo esto se resuelve si se aplica: Programación modular Programación por capas (presentación, negocio, datos). El Pascal es un lenguaje bajo el paradigma estructurado. En cuanto a C, también permite realizar programación estructurada y modular o por capas.

Clasificación de los lenguajes de programación … (9) Paradigma Orientado a objetos (POO u OOP) Define los programas en término de clases de objetos. Un objeto es una entidad que combina: Estado (datos). Comportamiento (métodos). Identidad (propiedad del objeto que lo diferencia del resto). Bajo este paradigma un programa se escribe en términos de un conjunto de objetos que colaboran entre sí. Lo cual facilita la escritura, pruebas, mantenimiento y reutilización. Las características más importantes de la POO son: Abstracción Los objetos son “entes abstractos” que pueden realizar alguna tarea, informar y cambiar su estado, comunicarse con otros objetos sin revelar como lo hacen. Encapsulamiento También llamado “ocultameinto de la información”. Los objetos se aíslan del exterior exponiendo una interfaz para interactuar con ellos. Polimorfismo Comportamientos diferentes, asociados a objetos diferentes, pueden compartir el mismo nombre. Herencia Las clases se relacionan entre sí de forma jerárquica. Los objetos heredan las propiedades y comportamiento de las clases a las que pertenecen. Lo que permite y facilita el polimorfismo, además de la especialización de los objetos.

Clasificación de los lenguajes de programación … (10) Programación orientada a eventos Bajo este paradigma la estructura y ejecución de los programas esta determinada por los sucesos que ocurren en el sistema o que los propios programas provoquen. Los usuarios del programa son los que determinan el flujo del programa en cualquier momento de tiempo. El programa dirigido por eventos ha de comenzar con algún tipo de inicialización y después quedará bloqueado en espera de que se produzca un evento. Cuando alguno de los eventos esperados se produzca, entonces habrá de ejecutar el “manejador de evento” correspondiente. Inicialización Evento (ratón) Manejador de Eventos Evento (teclado) Evento (Menú) Evento (botón) Finalizar

Clasificación de los lenguajes de programación … (11) Paradigma funcional Este paradigma se basa en la utilización de funciones matemáticas a nivel abstracto. No considera necesario bajar al nivel del lenguaje máquina para describir el proceso llevado por el programa. La ejecución de una expresión es el concepto principal que se necesita para la secuenciación de programas. El almacenamiento en montículos y las estructuras de listas se convierten el proceso natural para la gestión del almacenamiento en lugar del mecanismos tradicional de registros de activación. LISP es uno de los lenguajes más populares dentro de este paradigma. Sus objetos básicos son átomos y listas de átomos. La llamada y recursividad constituyen los mecanismos básicos de ejecución. Se utiliza principalmente en: procesamiento de lenguajes naturales, prueba de teoremas y sistemas inteligentes.

Clasificación de los lenguajes de programación … (12) Paradigma lógico La mayoría de los lenguajes bajo este paradigma se basan en la teoría de la lógica de primer orden con algunos comportamientos de orden superior. Principales campos de aplicación: Sistemas expertos Demostración automática de teoremas Reconocimiento del lenguaje natural El lenguaje de programación lógica más conocido es el Prolog. Se trata de proporcionar las especificaciones de una solución y permitir que la computadora produzca la secuencia de ejecución para la solución, en vez de proporcionar un algoritmo para la solución de un problema. Básicamente un programa en Prolog se compone de una serie de hechos, relaciones concretas entre objetos de datos (hechos) y un conjunto de reglas, es decir, un patrón de relaciones entre los objetos de la base de datos.

Clasificación de los lenguajes de programación … (13) Ventajas de los lenguajes de alto nivel Son más fáciles de aprender que los de bajo nivel. Los programadores se liberan de las ocupaciones rutinarias de los lenguajes de bajo nivel. La mayoría de los lenguajes de alto nivel ofrecen al programador una gran variedad de estructuras de control. Ej: if, for, while, etc. La depuración del código fuente es más fácil. Tienen la capacidad de crear estructuras de datos estáticas o dinámicas, inclusive objetos. Permiten el diseño modular de los programas. Son relativamente independientes de la máquina, lo cual permite la portabilidad.

Clasificación de los lenguajes de programación … (14) Desventajas de los lenguajes de alto nivel La comodidad del programador se paga en: Archivos ejecutables más grandes Mayor tiempo de compilación Mayor tiempo de ejecución Mayor consumo de memoria

Procesadores de lenguaje Un procesador de lenguaje es toda aplicación en la cual uno de los datos fundamentales de entrada es un lenguaje. Ejemplos: Traductores Compiladores Intérpretes Preprocesadores Intérpretes de comandos Ensambladores y macroensambladores Desensambladores Conversores fuente-fuente Enlazadores Cargadores Decompiladores Depuradores Compresores Formateadotes Compiladores cruzados Bootstraping

Procesadores de lenguaje …(1) Traductores Un traductor se define como un programa que traduce o convierte desde un texto o programa escrito en un lenguaje fuente hasta un texto o programa equivalente en un lenguaje destino produciendo, si es el caso, mensajes de error. Los traductores engloban tanto a los compiladores (el lenguaje que producen suele ser código máquina) como a los intérpretes (más que producir el lenguaje destino, éste es ejecutado). El esquema básico de un compilador o intérprete es el siguiente: Traductor Programa de Entrada Escrito en Lenguaje Fuente Programa de Salida Escrito en Lenguaje Destino Mensajes de Error

Procesadores de lenguaje …(2) Tipos de traductores: Compiladores Tiene como entrada sentencias correspondientes a un lenguaje formal y como salida, comúnmente, un archivo ejecutable. Intérpretes Es como un compilador solo que la salida es la ejecución. Su principal ventaja es que permite una fácil depuración, y su principal inconveniente es la lentitud de su ejecución, además el intérprete debe residir en memoria. Algunas desventajas se superan con lenguajes pseudointerpretados. Procesamiento de un programa en lenguaje C Procesamiento de un programa en lenguaje Java Código en C Código en Java Precompilador Archivos de Cabecera Compilador Java Bibliotecas o Paquetes Compilador Tiempo de compilación (Traducción) Código objeto Bytecode Java Enlazador Archivos de Librería Red Código máquina Cargador de clases Hardware Verificador de Bytecode Máquina virtual Java Intérprete Generador de Código Tiempo de ejecución JVM Runtime Hardware

Procesadores de lenguaje …(3) Más tipos de traductores: Preprocesadores Permiten modificar el programa fuente antes de llevar a cabo el proceso real de compilación. Hacen uso de macroinstrucciones y directivas de compilación. Su acción pasa inadvertida por los programadores y en suele considerarse una fase preeliminar del compilador. Intérpretes de comandos Traduce sentencias simples a invocaciones a programas de una biblioteca. Especialmente son utilizados en Sistemas Operativos. Los programas invocados pueden residir en el núcleo del Sistema Operativo, o en archivos almacenados en memoria secundaria. Preprocesamiento de la directiva #include en el lenguaje C ProgPal.c #include “cab.h” int main() { xxxx xxx return 0; } cab.h yyyy yyy Preprocesador ProgPalMod.c yyyy yyy int main() { xxxx xxx return 0; }

Procesadores de lenguaje …(4) Más tipos de traductores … Ensambladores y macroensambladores Se consideran los pioneros de los compiladores. El programador utiliza mnemotécnicos que se traducen a código máquina (sin pasar por código objeto). Los ensambladores que permiten definir macroinstrucciones son llamados macroensambladores (este fue el primer paso para la construcción de los lenguajes de alto nivel). Desensambladores Traducen código máquina a ensamblador Resulta relativamente fácil dada la correspondencia directa entre los mnemotécnicos y el código máquina Ejemplo: el j-- para ensamblar y desensamblar bytecode. Conversores fuente-fuente Permiten traducir desde un lenguaje de alto nivel a otro lenguaje de alto nivel. El programa fuente traducido no siempre es eficiente, por ejemplo cuando el lenguaje destino carece de características importantes que en el lenguaje origen si tiene (Java->C).

Procesadores de lenguaje …(5) Autocompilador Es un compilador escrito en el mismo lenguaje que compila (o similar). El lenguaje fuente y el lenguaje de implementación pueden ser el mismo. El compilador es capaz de compilar el programa fuente del propio compilador. Los compiladores de C típicamente se escriben en C. Metacompilador Es un programa que acepta como entrada la descripción de un lenguaje y produce el compilador de dicho lenguaje. Por lo regular hay dos tipos de metacompiladores, los que trabajan con expresiones regulares y aquellos que lo hacen con gramáticas libres de contexto. Ejemplos clásicos son Lex (generador de analizadores léxicos) y Yacc (generador de analizadores sintácticos). Descompilador Realiza una tarea de traducción inversa, es decir, va del código máquina al lenguaje de alto nivel. Es relativamente sencillo cuando se trata de ir a código ensamblador o macro ensamblador, pero no cuando se quiere llegar a un lenguaje de alto nivel.

Procesadores de lenguaje …(6) Compilación, enlace y carga Son las tres fases básicas para que el hardware ejecute un programa escrito en un lenguaje de alto nivel. Por lo general un compilador no produce directamente código ejecutable sino código objeto, lo que permite compilación separada. En la fase de enlace se resuelven referencias cruzadas (utilización de objetos externos). A partir de varios archivos objetos se genera un único archivo objeto que es el ejecutable final. El cargador coloca el archivo ejecutable en memoria para su ejecución. La colocación depende de la administración propia del sistema operativo. Entrada y salida de un compilador real Entrada: Código de alto nivel Salida Código objeto (.obj) Compilador Tarea del enlazador .obj .obj Enlazador (Linker) .exe .obj Tarea efectuada por el cargador Seg. Código Seg. Código Seg. Datos Seg. Pila Otros Seg Otros Seg. Cargador Memoria principal Seg. Datos Seg. Pila .exe

Procesadores de lenguaje …(7) Pasadas de compilación Es el número de veces que un compilador debe leer el programa fuente para generar el código. Es necesario más de una pasada cuando no se puede generar el código con una sola lectura, un ejemplo de ello es el llamado a funciones. La lectura a memoria secundaria consume tiempo, por lo que entre menos pasadas mejor. Compilación incremental Se encarga de compilar solo aquella parte que ha sido modificada del programa fuente. Puede funcionar a varios niveles, por ejemplo si se detecta que falta un ; en una línea: A nivel caracter se recompila el ; y se inserta en el archivo objeto la parte de la sentencia que faltaba. A nivel sentencia se recompila la línea completa y se añade al archivo objeto. A nivel bloque solo se compila el bloque y se añade al archivo objeto. A nivel de archivo fuente solo se compila el archivo fuente y se enlaza con el resto de los objetos para generar el ejecutable. Esta opción es la más común cuando se utiliza el make.

Procesadores de lenguaje …(8) Depuradores Son herramientas que permiten encontrar y corregir los errores de los programas (bugs <parásitos>). Suelen estar ligadas a los compiladores como soporte adicional para el programador. Las características habituales son: Permiten observar la traza de los programas fuente visualizando el valor de cualquier variable. Comprobación de código objeto generado. Visualizan los valores de las distintas posiciones de memoria, registros, etc. Utilizan parte de la información utilizada en tiempo de compilación que en la ejecución no se tiene disponible. Compresores Son una herramienta habitual en el campo de la informática. Un caso particular son los compresores de archivos ejecutables. Formateadores Pueden ser de muchos tipos y para diferentes fines, desde los dedicados a formatear texto, ecuaciones o programas. Resaltan la sintaxis o estructura. También entran en este grupo los conversores de formatos.

Procesadores de lenguaje …(9) Compiladores cruzados Surgen como solución al problema de desarrollar un primer compilador para una nueva arquitectura. Dado que el desarrollo de compiladores es una tarea compleja, resulta más fácil construirlos sobre una máquina que ya disponga de herramientas de software. Se denomina compilador cruzado a un compilador que se ejecuta en una máquina pero el código objeto es para otra máquina. Bootstrapping Se basa en utilizar las facilidades que ofrece un lenguaje para compilarse a si mismo. Se trata de construir el lenguaje a partir de un subconjunto de dicho lenguaje. Está técnica plantea el problema de cómo se compiló el primer compilador.

Hardware Los procesadores de lenguaje más utilizados por los profesionales de la computación son los compiladores, dado que son las herramientas que usan en el desarrollo de aplicaciones. Cuando se desarrollan compiladores uno de los pilares básicos es la arquitectura de la computadora y su repertorio de instrucciones que constituirá el lenguaje objeto. Una nueva arquitectura plantea dos cuestiones a resolver La construcción de nuevos compiladores La compatibilidad hacia a tras (ejecutar código anterior en nuevas arquitecturas) Algunas de las técnicas para migrar aplicaciones entre distintas arquitecturas son:

Hardware …(2) Intérpretes software o emuladores software. Lee una a una las instrucciones binarias de la arquitectura antigua que están en un fichero ejecutable, y las interpreta. Los intérpretes no son muy rápidos, pero se pueden construir y adaptar a distintas arquitecturas sin excesivos costes de desarrollo. Se puede aumentar el rendimiento de los intérpretes creando una caché que permita almacenar formas intermedias de instrucciones que ya se interpretaron previamente. Ejemplos: Emuladores de DOS para distintos sistemas operativos Intérpretes de la máquina abstracta JVM (Java Virtual Machine) para distintas plataformas y que permiten ejecutar los códigos binarios denominados bytecode

Hardware …(3) Emuladores hardware. Un emulador hardware trabaja de forma similar a un intérprete de software, pero está implementado en hardware de forma que decodifica las instrucciones de la arquitectura antigua y las traduce a la nueva arquitectura. Un emulador hardware es mucho más rápido que un intérprete software, sin embargo sólo se puede diseñar para una máquina específica. Ejemplo: Los microprocesadores Java que emulan la máquina abstracta JVM (Java Virtual Machine), también denominados por Sun arquitecturas PicoJava.

Hardware …(4) Traductores entre códigos binarios o ensambladores. Son conjuntos de instrucciones de la nueva arquitectura que reproducen el comportamiento de un programa en la arquitectura antigua. Habitualmente, la información de la máquina antigua se almacena en registros de la nueva máquina. Los programas traducidos a nivel binario o ensamblador son más rápidos que los intérpretes software o emuladores hardware, pero más lentos que los programas construidos con compiladores nativos, que aprovechan al máximo la arquitectura de la nueva máquina. Ejemplos de tradcutores binarios Los desarrollados por DEC para traducir instrucciones de las arquitecturas VAX y MIPS a la nueva arquitectura ALPHA.

Hardware …(5) Compiladores nativos. Los programas fuente antiguos se pueden volver a recompilar con compiladores desarrollados para la nueva arquitectura, aprovechando al máximo sus características. Esta es la opción que produce la mejor calidad de código objeto en la nueva arquitectura, y por consiguiente la mayor velocidad con respecto a las opciones comentadas anteriormente.

Hardware …(6) La computadora como una máquina multinivel

Hardware …(7) Elementos principales de una computadora y del CPU Unidad de Procesamiento Central Computadora Memoria E/S Registros ALU Sistema de Buses Interconexión Interna del CPU CPU CU

Hardware …(8) Puntos clave de la arquitectura de von Neumann Los datos y las instrucciones se almacenan en una sola memoria de lectura-escritura. Los contenidos de esta memoria se direccionan indicando su posición, sin considerar el tipo de dato contenido en la misma. La ejecución se produce siguiendo una secuencia de instrucción tras instrucción (a no ser que dicha secuencia se modifique explícitamente). CPU Memoria … PC AC … Instrucción IR Bus Instrucción Instrucción MAR Instrucción … Dato Bus Dato … Registros Bus Módulo de E/S PC: Contador de programa IR: Registro de Instrucción MAR: Registro de dirección de memoria AC: Acumulador

Hardware …(9) Por cada instrucción de un programa que se esta ejecutando el sistema recorre una serie de etapas que se divide en dos ciclos: Ciclo de captación. El objetivo es obtener el código de la siguiente instrucción a ejecutar. Los pasos son Captar la instrucción de memoria principal. Decodificar el código de la instrucción. Incrementar el contador de programa (PC++). Ciclo de ejecución. Interpretada la instrucción se envían las señales de control necesarias para ejecutarla. Los pasos son: Se obtienen los datos implicados en la instrucción si es necesario. Se ejecuta la instrucción (se realizan las operaciones directamente con los datos). FIN INICIO Captación de la instrucción Ejecución de Ciclo de Instrucción Básico Ciclo de Ejecución Captación

Hardware …(10) Diagrama de estados del ciclo de instrucción CAPTACIÓN IR=*(PC) Captación de la instrucción Captación del operando MAR=[IR] Almacenamiento del operando Varios operandos Varios resultados PC++ Cálculo de la dirección de la instrucción Decodificación de la instrucción Cálculo de la dirección del operando Operación con los datos Cálculo de la dirección del operando Instrucción completada Captar la siguiente instrucción Cadena o vector de datos CAPTACIÓN EJECUCIÓN