TRADUZIONE DEL PROGRAMMA
Una volta che un programma sia stato scritto in C, esso non può
essere eseguito senza un’ulteriore traduzione.
Ciò perché qualsiasi computer è in grado di eseguire solo le istruzioni
scritte nel linguaggio proprio della sua architettura, detto linguaggio
macchina, costituito da una serie di 0 e 1.
Dato che la programmazione in linguaggio macchina è difficile e
soggetta a errori, sono stati sviluppati dei programmi, detti
genericamente traduttori, che accettano in ingresso un programma
scritto in un linguaggio di alto livello (per esempio in C), detto
programma sorgente, e producono in uscita un programma scritto in
linguaggio macchina, detto programma (o codice) oggetto.
Un programma può essere tradotto in linguaggio macchina secondo
due strategie diverse, ossia usando un programma interprete
oppure un programma compilatore:
 un programma interprete traduce individualmente ogni istruzione
del programma sorgente e la esegue immediatamente; quindi non
produce un codice oggetto.
 un programma compilatore traduce tutte le istruzioni del
programma sorgente in un programma equivalente, prima che
ciascuna di esse sia eseguita; quindi produce un codice oggetto.
Il C è un linguaggio compilato, quindi il programma sorgente è
tradotto come un tutt’uno nel linguaggio macchina.
In realtà, la traduzione di un programma sorgente in un programma
eseguibile avviene in due passaggi consecutivi:
• il primo eseguito da un programma detto compilatore
• il secondo eseguito da un programma detto loader/linker.
Il compilatore dunque accetta in ingresso il programma sorgente e
produce in uscita un programma oggetto, scritto nelle istruzioni
proprie del microprocessore usato (ossia in linguaggio assembly).
In genere il programma oggetto non consiste in un codice adatto
per l’esecuzione, codice che sarà prodotto successivamente da un
gruppo di tre programmi datti assemblatore, legatore, caricatore.
Intel 4004 Instruction Set
Programma compilatore. Un compilatore è costituito in realtà da
diversi programmi, che eseguono sul sorgente un certo numero di
operazioni. Esse si possono dividere in due parti: analisi e sintesi.
 L’analisi suddivide il programma sorgente nelle sue parti costituenti
e ne crea una rappresentazione intermedia.
 La sintesi genera il programma target dalla rappresentazione
intermedia.
La parte di analisi si può suddividere nelle seguenti fasi:
1. analisi lessicale (o lexing);
2. analisi sintattica (o parsing);
3. analisi semantica;
La parte di sintesi si può suddividere nelle seguenti fasi:
1. generazione del codice intermedio;
2. ottimizzazione del codice;
3. generazione del codice finale.
Alla fine viene prodotto il programma target.
Nell’analisi lessicale (o lexing) il programma è considerato come
un’unica sequenza di caratteri; essa viene scansionata per
individuare gli elementi base del linguaggio che costituiscono
un’istruzione, quali parole chiave, identificatori, costanti, operatori,
delimitatori, ...
Un analizzatore lessicale legge il programma da sinistra a destra e
raggruppa le sequenze di caratteri in token, che sono unità lessicali
di significato compiuto. La sequenza di caratteri che dà luogo a un
token è detta lessema.
L’analisi lessicale può rilevare errori relativi alla grafia delle parole
chiave o di identificatori creati dall’utente, al formato delle costanti, ...
Ad es., il seguente diagramma lessicale permette di stabilire se un
identificatore abbia il formato corretto (cioè inizi con una lettera,
seguita da lettere e/o cifre).
Una volta eseguita l’analisi lessicale, le fasi successive della
compilazione non faranno più riferimento ai singoli caratteri, ma alle
parole individuate come elementi di base.
Consideriamo, come esempio, la seguente istruzione di assegnazione:
totale = base + increm * 60
L’analizzatore lessicale raggruppa i caratteri nei seguenti token:
A questo punto il compilatore costruisce una Tabella dei simboli,
dove registra gli identificatori usati nel programma insieme ai loro
attributi. Essa ha l’aspetto indicato in figura
Come si vede, gli attributi di un token ID si possono riferire a:
memoria allocata, tipo dati, portata o ambito, numero e tipo di
argomenti, ecc.
Quando viene rilevato un identificatore e generato un token ID, il
lessema corrispondente è inserito nella Tabella dei simboli, e al
token ID viene associato un puntatore alla posizione nella Tabella.
Si ottengono anche una o più tabelle dei simboli contenenti tutti gli
identificatori dichiarati nell’ambito del programma come tipi,
variabili, procedure, funzioni,... che saranno utilizzate nelle
successive fasi di analisi semantica, generazione del codice e
gestione della memoria.
Nell’analisi sintattica, o parsing, viene riconosciuta la struttura del
programma e viene rappresentato il suo significato in una forma
intermedia, dalla quale verrà poi prodotto con semplici
trasformazioni il codice oggetto.
L’analisi sintattica è guidata dalla definizione formale del linguaggio di
programmazione - data per esempio mediante la forma normale di
Backus o i diagrammi sintattici - e consente di caratterizzare tutti e
soli i programmi “validi”, cioè sintatticamente corretti, e di
comprenderne il significato.
Ad es., il seguente diagramma sintattico permettere di stabilire se sia
stato impiegato un identificatore valido in C
Il diagramma seguente permette invece di controllare la validità di
una istruzione if.
Gli errori che si rilevano in questa fase riguardano l’erronea
strutturazione del programma a partire dalle proposizioni, ad es. la
mancata corrispondenza di parametri in un’espressione, l’assenza
di parole chiave attese in determinate posizioni (come il while dopo
il do), la mancanza della parola chiave case in corrispondenza di
una switch e così via.
Come risultato di questa fase si ottiene una forma intermedia
(albero, matrice, ...) corrispondente alla struttura sintattica del
programma analizzato.
I token vengono raggruppati in frasi grammaticali rappresentate da un
albero parse, che fornisce una struttura gerarchica al programma
sorgente.
La struttura gerarchica è espressa da regole ricorsive dette produzioni.
Ad es., produzioni per istruzioni di asegnazione sono:
<assegnazione>
<espr>
<op>
→ ID “=” <espr>
→ ID | NUM | <espr><oper> | (<espr>)
→ + | - | *
Ecco un esempio di albero parse
| /
Nell’analisi semantica vengono compiute diverse verifiche di
consistenza semantica dei concetti utilizzati dal programma.
Ad esempio, la frase “il libro legge lo studente” è sintatticamente
corretta, mentre risulta errata dal punto di vista del significato.
L’analisi semantica di un programma verifica:
• se gli identificatori usati in una procedura siano stati dichiarati nella
procedura stessa,
• se rispettino le regole di “visibilità” previste dal linguaggio per
variabili e procedure, e
• se il loro tipo sia coerente con l’uso che ne viene fatto (ad es., i
numeri reali non possono essere usati come indici dei vettori).
In caso di errori viene fornita la diagnostica relativa.
Fase di sintesi
A partire dalla forma intermedia acquisita durante l’analisi sintattica
avviene la generazione del codice intermedio, nella forma di un
programma per una macchina astratta.
Il codice deve essere facilmente traducibile nel programma target.
Tale generazione avviene in base a regole molto semplici, che fanno
corrispondere un’istruzione macchina a ciascuna struttura
elementare rappresentata nella forma intermedia.
Il codice prodotto nella fase precedente può non essere efficiente.
Al fine di ottenere un programma oggetto corto ed efficiente si
possono effettuare vari interventi di ottimizzazione del codice.
Per esempio spostare all’esterno di un ciclo le istruzioni che non
dipendono dalle variabili del ciclo stesso, eliminare il calcolo di
espressioni ripetute più volte o semplificare espressioni aritmetiche
o logiche.
Questi interventi possono essere:
 dipendenti dalla macchina, se tengono conto delle caratteristiche
hardware e del repertorio di istruzioni del computer su cui dovrà
operare il codice oggetto;
 indipendenti dalla macchina, se non ne tengono conto.
I diversi compilatori adottano diverse tecniche di ottimizzazione.
Nella generazione del codice viene prodotto il codice target in
linguaggio assembly, una versione mnemonica del codice
macchina che usa:
 codici operativi o mnemoniche per le operazioni (Tabella dei
codici);
 nomi simbolici per gli operandi (al posto delle locazioni di memoria)
(Tabelle dei simboli);
Vengono scelte le locazioni di memoria per ciascuna variabile, le
istruzioni sono tradotte in una sequenza di istruzioni assembly e le
variabili e i risultati intermedi sono assegnati ai registri di memoria.
Programmi assemblatore, legatore, caricatore. Il programma
assemblatore (assembler) s’incarica di tradurre ciascuna istruzione
del codice target in una in linguaggio macchina, producendo un
codice in linguaggio macchina secondo lo schema seguente
Tuttavia, mentre la traduzione del codice operativo in linguaggio
macchina è in ogni caso univoca, non è sempre possibile sostituire
immediatamente a ogni riferimento simbolico di locazione di memoria
l’indirizzo effettivo della relativa locazione.
Infatti gli operandi che indicano una locazione di memoria possono
indicare:
 indirizzi assoluti, quali quelli dei dispositivi di ingresso/uscita, che
non dipendono ovviamente dalla particolare collocazione del
programma in memoria. Essi possono essere tradotti direttamente
in indirizzi binari;
 indirizzi relativi ai dati e alle istruzioni del codice macchina.
Ovviamente tali indirizzi cominciano da 0, e affinché il codice
possa esere eseguito correttamente, essi dovrebbero rimanere gli
stessi anche quando il codice viene caricato in memoria centrale.
Ciò richiederebbe che il codice venisse allocato in memoria a partire
dall’indirizzo 0, cosa non sempre possibile; d’altra parte, la grande
maggioranza dei codici possono essere caricati in qualsiasi zona di
memoria disponibile (per cui sono detti codici rilocabili).
Gli indirizzi relativi, che a differenza di quelli assoluti devono essere
tradotti in indirizzi di memoria centrale tenendo conto dell’indirizzo di
memoria a partire dal quale il programma viene caricato, sono detti
anche rilocabili.
Per gli operandi rilocabili l’assemblatore crea, in una prima fase, una
tabella dei simboli, nella quale pone i nomi che individua come
riferimenti simbolici e la loro posizione relativa nel programma.
Solo in una seconda fase gli operandi simbolici saranno sostituiti con
gli indirizzi corrispondenti, consultando la tabella dei simboli.
Perciò il programma assemblatore viene detto a due passi o fasi.
Programma legatore. Prima della trasformazione definitiva di tutti gli
indirizzi in assoluti, è però necessaria un’altra operazione, eseguita
dal programma legatore (linker).
Esso unisce insieme i differenti file e moduli che possono costituire un
sigolo programma (file oggetto), ai quali aggiunge eventualmente
dei file di biblioteca (library).
Spesso i termini linker e loader sono usati in modo interscambiabile.
Programma caricatore. A questo punto interviene il programma
caricatore (loader), per trasformare tutti gli indirizzi in assoluti.
Esso memorizza in uno speciale registro base o di riferimento
l’indirizzo di memoria a partire dal quale viene caricato il programma
(detto indirizzo base), quindi somma tale indirizzo base a ogni
indirizzo relativo, ottenendo un indirizzo assoluto.
In tal modo, se sarà necessario spostare il programma in un’altra
zona di memoria (processo detto rilocazione), sarà sufficiente
modificare il valore dell’indirizzo base.
Riassumendo, la trasformazione degli operandi di un programma in
linguaggio assembly avviene, nel caso più generale, nelle tre fasi
seguenti:
 l’assemblatore trasforma gli operandi simbolici in indirizzi assoluti,
rilocabili o globali
 il legatore trasforma gli indirizzi globali in rilocabili
 il caricatore trasforma gli indirizzi rilocabili in assoluti.
Compilatore DMC. In Internet si trovano ottimi compilatori
assolutamente freeware. Noi utilizzeremo il compilatore DMC della
Digital Mars, che si può scaricare gratuitamente all’indirizzo
cliccando sul link:
Si tratta di un programma che esegue la complazione e il link di file
C, C++ e ASM in un solo passaggio.
Il download crea nella cartella Documenti una cartella dm con
alcune sottocartelle:
Dato che il compilatore (dmc.exe) si trova nella sottocartella bin, il
modo più veloce (anche se non il più elegante) per provare il
funzionamento dei propri programmi in C consiste nel:
1. salvare il proprio programma in formato solo testo e con estensione
.c nella sottocartella bin della cartella dm;
2. eseguire il programma Prompt dei comandi da
Start → Tutti i programmi → Accessori →
3. dal prompt C:\Documents … \Documenti> digitare:
cd dm\bin
dmc hello.c
4. se l’operazione ha successo, vengono creati i tre file hello.exe,
hello.map, hello.obj, il primo dei quali si può ora eseguire
con il comando
hello