Do C ao Hardware: Como funcionam Compiladores, Montadores e Linkers

Como montadores e linkers surgem?

Para ilustrar, vamos usar um exemplo comum: o gcc.

Suponha que temos os arquivos de um projeto:

main.c
list.h
list.c

1. Compilando `main.c`

gcc -c main.c -o main.o

O compilador transforma main.c em main.s (assembly).
O montador transforma main.s em main.o (arquivo objeto).

2. Compilando `list.c`

gcc -c list.c -o list.o

O compilador transforma list.c em list.s.
O montador transforma list.s em list.o.

3. Gerando o executável

gcc main.o list.o -o programa

O linker transforma os arquivos objeto em um executável chamado programa.

Conclusão: O gcc não é apenas um compilador; ele funciona como compilador + montador + linker.

Visão Geral: Como montadores e linkers se relacionam com o todo

Etapa	Função	Arquivo de entrada	Arquivo de saída
Compilador	Traduz de C para assembly	`*.c`	`*.s`
Montador	Traduz de assembly para arquivo objeto	`*.s`	`*.o`
Linker	Junta arquivos objeto em executável	`*.o`	Executável
Loader	Coloca o executável na memória (parte do kernel do SO)	Executável	Memória

Observação: a linguagem C é portável, mas o assembly e os arquivos objeto dependem da arquitetura do computador.

Entendendo o Montador

O montador traduz assembly para linguagem de máquina.

A linguagem que a máquina entende é binária (1s e 0s).
Nosso objetivo é mapear instruções assembly para código binário de forma precisa, respeitando a arquitetura do processador.

Usaremos a arquitetura MIPS como exemplo.

Tipo R

Campo	Bits	Função
opcode	6	Tipo da operação (ex: ADD = 000000)
rs	5	Registrador fonte 1 ($t1)
rt	5	Registrador fonte 2 ($t2)
rd	5	Registrador destino ($t0)
shamt	5	Deslocamento (0 para ADD)
funct	6	Função exata (diz à ULA qual operação fazer)

Somando: 6 + 5 + 5 + 5 + 5 + 6 = 32 bits = 4 bytes. Cada linha de comando se torna uma instrução.

Tipo I

Campo	Bits	Função
opcode	6	Função exata
rs	5	Registrador fonte 1 ($t1)
rt	5	Registrador fonte 2 ($t2)
immediate	16	Operando ou offset

Somando: 6 + 5 + 5 + 16 = 32 bits = 4 bytes

Tipo J

Campo	Bits	Função
opcode	6	Função exata
adress	26	Endereço ou rótulo

Somando: 6 + 26 = 32 bits = 4 bytes

Observações:

adress quando o rótulo é local, o montador substitui pelo endereço.

Quando não é local, apenas armazena o rótulo; futuramente o linker define o endereço final.

Para formar o endereço final: shift left 2 e concatenação com os 4 bits mais altos do PC corrente.

Cada endereço de memória RAM é visto como 4 bytes, portanto $pc incrementa 4 a cada instrução.

Fluxo de execução (MIPS)

IR (Instruction Register) armazena a instrução.
PC (Program Counter) armazena o endereço da próxima instrução.
opcode vai direto para a unidade de controle, que direciona os sinais no circuito.
rs, rt e rd são selecionados dentro do IR e enviados ao banco de registradores.
shamt vai para a entrada de deslocamento da ULA (shifter).
funct vai para o decodificador da ULA, indicando a operação exata: ADD, SUB, AND, OR, SLT, etc.
immediate vai direto para a ULA em instruções tipo I.
$pc é incrementado em 4 a cada instrução.

Entendendo o Linker

O linker converte arquivos objeto em executáveis e permite a união de diferentes programas (Ex: C e Fortran).

Existem dois tipos:

Linkedição Estática

Cria um executável monolítico, incluindo todo o código e bibliotecas necessárias.

Vantagens:

Portabilidade: executável não depende de bibliotecas externas.
Performance: todos os dados já estão carregados na memória.
Controle: garante versões consistentes das bibliotecas.

Desvantagens:

Aumento do tamanho do arquivo e consumo de memória.
Tempos de compilação mais longos, especialmente em projetos grandes.

Linkedição Dinâmica

Não copia o código da biblioteca; insere referência à biblioteca externa.