path: root/fc/n5.lyx

#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/
\lyxformat 544
\begin_document
\begin_header
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\textclass book
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\index Index
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\end_header

\begin_body

\begin_layout Standard
Una 
\series bold
instrucción
\series default
 es un conjunto de símbolos que representan una operación a realizar por
 la CPU, y un 
\series bold
programa
\series default
 es un conjunto ordenado de instrucciones que debe ejecutar el computador
 sobre unos datos para procesarlos y obtener un resultado.
 Las instrucciones se almacenan en memoria principal y se ejecutan en secuencia,
 salvo por instrucciones de salto.
 Tipos de instrucciones:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
De movimiento de datos
\series default
 entre registros de la CPU y direcciones de memoria.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Aritmético-lógicas:
\series default
 Suma, resta, multiplicación, división, AND, OR, desplazamientos, ...
 y operaciones de punto flotante.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Instrucciones de salto:
\series default
 Condicionales, incondicionales y de manejo de subrutinas.
\end_layout

\begin_layout Standard
Las instrucciones se organizan en campos de bits, que indican, en un determinado
 formato, la operación a ejecutar, los operandos de entrada y el lugar donde
 dejar el resultado.
 Distintos tipos de instrucción utilizan distintos formatos, pues necesitan
 codificar información distinta.
\end_layout

\begin_layout Standard
La CPU está formada por un 
\series bold
camino de datos
\series default
 (
\series bold
CD
\series default
), encargado del procesamiento, y una 
\series bold
unidad de control
\series default
 (
\series bold
UC
\series default
), que decodifica las instrucciones y 
\begin_inset Quotes cld
\end_inset

controla
\begin_inset Quotes crd
\end_inset

 al camino de datos.
 En todo momento, la UC mantiene un 
\series bold
contador de programa
\series default
 (
\series bold
PC
\series default
, 
\emph on
program counter
\emph default
 o 
\series bold
IP
\series default
, 
\emph on
instruction pointer
\emph default
) que contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar, y un
 
\series bold
registro de instrucción
\series default
 (
\series bold
RI
\series default
), que contiene la instrucción a ejecutar.
 A mayor número de instrucciones mayor complejidad de la UC y más número
 de bits necesarios en el campo de código.
 Dos tendencias:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
RISC
\series default
 (
\series bold
\emph on
Reduced Instruction Set Computers
\series default
\emph default
): pocas instrucciones, sencillas y que se ejecutan en pocos ciclos.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
CISC
\series default
 (
\series bold
\emph on
Complex Instruction Set Computers
\series default
\emph default
): muchas instrucciones, complejas y que requieren muchos ciclos de reloj.
\end_layout

\begin_layout Section
Jerarquía de traducción
\end_layout

\begin_layout Standard
Las instrucciones de la CPU, llamadas 
\series bold
instrucciones máquina
\series default
, se almacenan en binario.
 Programarlas directamente en 
\series bold
lenguaje
\series default
 o 
\series bold
código máquina
\series default
 es muy difícil y propenso a errores, por lo que los 
\series bold
lenguajes de programación
\series default
 representan las instrucciones de forma simbólica.
 Existen principalmente dos tipos:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Lenguaje ensamblador:
\series default
 Instrucciones representadas simbólicamente, en ASCII, que se corresponden
 directamente con instrucciones máquina y datos binarios.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Lenguajes de alto nivel:
\series default
 Permiten expresar los programas de forma más cercana a la forma de pensar
 del programador, con variables, tipos de datos, funciones/procedimientos,
 condiciones, bucles, etc.
 Existen multitud de paradigmas (imperativo, orientado a objetos, funcional...)
 y de lenguajes (C, C++, Java, Haskell, ...).
 El lenguaje C, aun siendo de alto nivel, es más cercano a la máquina, y
 es el lenguaje nativo de UNIX/Linux.
\end_layout

\begin_layout Standard
El programa 
\series bold
compilador
\series default
 traduce el código en un lenguaje de alto nivel a ensamblador, y el 
\series bold
ensamblador
\series default
 convierte este código a un 
\series bold
fichero objeto
\series default
, que contiene:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Segmento de código (
\family typewriter
.text
\family default
),
\series default
 con instrucciones máquina.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Segmento de datos (
\family typewriter
.data
\family default
),
\series default
 con enteros, reales en punto flotante, cadenas de caracteres, etc.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Información de reubicación:
\series default
 Para accesos a memoria, saltos, etc.
 Necesaria a la hora de unir los distintos ficheros objeto.
\end_layout

\begin_layout Standard
Una 
\series bold
biblioteca
\series default
 (en los apuntes pone 
\series bold
librería
\series default
 pero es una mala traducción) es un conjunto de módulos de código relacionados
 que pueden ser usados en distintos programas.
 Por ejemplo, en C existe una biblioteca estándar con funciones de E/S,
 funciones matemáticas, etc., pero también existen bibliotecas para cálculo
 matricial, gráficos en 3D, acceso a redes, etc.
 Hay dos tipos:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Estáticas:
\series default
 El código se incluye dentro del fichero ejecutable final.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Dinámicas:
\series default
 El código no se incluye en el ejecutable, sino que este almacena la información
 necesaria para cargar dicho código cuando va a ejecutarse.
 Estas pueden ser usadas por varios ejecutables al mismo tiempo usando el
 mismo espacio en memoria, y tampoco se desperdicia espacio en disco al
 no tener que copiarse en cada ejecutable que las use, pero al cambiar el
 ejecutable de máquina, este puede no funcionar por no tener una biblioteca
 necesaria.
\end_layout

\begin_layout Standard
El 
\series bold
enlazador
\series default
 o 
\series bold
\emph on
linker
\series default
\emph default
 une los distintos ficheros objeto generados junto con las funciones de
 bibliotecas estáticas utilizadas, para generar un 
\series bold
fichero ejecutable
\series default
 final.
 Entonces el 
\series bold
cargador
\series default
 o 
\series bold
\emph on
loader
\series default
\emph default
, una parte del SO, lee este fichero del disco, lo ubica en memoria, realiza
 las transformaciones necesarias y le pasa el control.
\end_layout

\begin_layout Section
Ensamblador de x86-64
\end_layout

\begin_layout Standard
Los archivos de código ensamblador están formados por segmentos como el
 segmento de datos, indicado por 
\family typewriter
.data
\family default
, y el segmento de código, indicado por 
\family typewriter
.text
\family default
.
 En cualquier punto se puede usar una 
\series bold
etiqueta
\series default
 (identificador seguido de 
\family typewriter
:
\family default
) para representar una dirección de memoria y referirnos a ella en otra
 parte del código.
\end_layout

\begin_layout Standard
El segmento de datos contiene directivas como 
\family typewriter
.long 
\begin_inset Formula $n$
\end_inset


\family default
, que indica un número de 32 bits, o 
\family typewriter
.string "
\begin_inset Formula $\dots$
\end_inset

"
\family default
 que genera una secuencia de caracteres acabada en un byte 0.
 El segmento de código contiene instrucciones en ensamblador.
 Sus operandos pueden ser:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Registros:
\series default
 Son de acceso muy rápido, al estar en la propia CPU, y contienen valores
 intermedios de los cálculos.
 En x86-64, son de 64 bits, y son los siguientes:
\end_layout

\begin_deeper
\begin_layout Itemize
De uso general: 
\family typewriter
RAX
\family default
, 
\family typewriter
RBX
\family default
, 
\family typewriter
RCX
\family default
, 
\family typewriter
RDX
\family default
, 
\family typewriter
R8
\family default
–
\family typewriter
R15
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Índices: 
\family typewriter
RSI
\family default
, 
\family typewriter
RDI
\family default
, para acceder a posiciones de una tabla.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Para la pila: 
\family typewriter
RSP
\family default
 (puntero de pila), 
\family typewriter
RBP
\family default
 (puntero base de pila).
\end_layout

\begin_layout Itemize
Puntero de instrucción: 
\family typewriter
RIP
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Registro de estado: 
\family typewriter
RFLAGS
\family default
, contiene información sobre el estado del procesador y el resultado de
 la ejecución de instrucciones, y afecta a los saltos condicionales.
\end_layout

\begin_layout Itemize
También se puede trabajar con menos de 64 bits.
 Así, 
\family typewriter
EAX
\family default
 son los 32 bits inferiores de 
\family typewriter
RAX
\family default
, 
\family typewriter
AX
\family default
 los 16 bits inferiores de 
\family typewriter
EAX
\family default
, 
\family typewriter
AL
\family default
 los 8 bits inferiores y 
\family typewriter
AH
\family default
 los 8 bits superiores de 
\family typewriter
AX
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize
En ensamblador, se representan con 
\family typewriter
%
\emph on
nombre_en_minúsculas
\family default
\emph default
.
\end_layout

\end_deeper
\begin_layout Itemize

\series bold
Memoria:
\series default
 Hay hasta 
\begin_inset Formula $2^{64}$
\end_inset

 celdas de memoria direccionables de 1 byte.
 Realmente los programas se mueven en un espacio virtual de direcciones
 que el hardware transforma a direcciones físicas.
 En x86-64 se puede trabajar muchas veces directamente en memoria, sin pasar
 por registros, aunque el acceso es más lento.
 En ensamblador, para hacer re
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

fe
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

ren
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

cia a una dirección de memoria, se usa 
\family typewriter
\emph on
dirección
\emph default
(
\emph on
%reg1
\emph default
,
\emph on
%reg2
\emph default
,
\emph on
potencia_de_2
\emph default
)
\family default
 para acceder a la celda 
\begin_inset Formula $dirección+\%reg1+\%reg2\cdot potencia\_de\_2$
\end_inset

, donde la potencia de 2 debe ser pequeña y todos los campos son opcionales.
 Abreviaturas: 
\family typewriter
(
\emph on
%reg1
\emph default
)
\family default
, 
\family typewriter
\emph on
dirección
\family default
\emph default
\SpecialChar endofsentence

\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Constantes:
\series default
 Números enteros directamente en el código, que en ensamblador se escriben
 
\family typewriter
$
\begin_inset Formula $n$
\end_inset


\family default
.
 Se les suele llamar 
\series bold
inmediatos
\series default
.
\end_layout

\begin_layout Standard
A continuación vemos el 
\series bold
repertorio de instrucciones
\series default
 o ISA (
\emph on
Instruction Set Architecture
\emph default
) de la arquitectura Intel x86-64, CISC, presente en los procesadores de
 los PCs de 64 bits.
 Los objetivos de un ISA son permitir que el diseño del procesador y del
 compilador sean sencillos, maximizar el rendimiento y minimizar el coste.
 En el caso de Intel, otro objetivo fue mantener la compatibilidad con procesado
res anteriores, lo que llevó a soluciones menos elegantes y eficientes pero
 ayudó a mantener la cuota de mercado.
\end_layout

\begin_layout Standard
Algunos tipos de instrucciones:
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Aritmético-lógicas:
\series default
 
\family typewriter
add
\family default
, 
\family typewriter
sub
\family default
, 
\family typewriter
imul
\family default
, 
\family typewriter
and
\family default
, 
\family typewriter
or
\family default
, 
\family typewriter
xor
\family default
, ...
 
\family typewriter
\emph on
(instr.)
\emph default
 
\emph on
src
\emph default
, 
\emph on
dst
\family default
\emph default
.
 
\begin_inset Formula $dst=dst\circ src$
\end_inset

.
 
\end_layout

\begin_deeper
\begin_layout Enumerate

\series bold
Incrementos y decrementos:
\series default
 
\family typewriter
inc
\family default
, 
\family typewriter
dec
\family default
.
 
\family typewriter
\emph on
(instr.)
\emph default
 
\emph on
dst
\family default
\emph default
.
 
\begin_inset Formula $dst=dst\pm1$
\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Desplazamiento de bits:
\series default
 
\family typewriter
shr
\family default
 (despl.
 lógico a la der.), 
\family typewriter
shl
\family default
 (despl.
 lógico a la izq.), 
\family typewriter
sar
\family default
 (despl.
 aritmético a la der.), 
\family typewriter
sal
\family default
 (despl.
 aritmético a la izq.) ...
 
\family typewriter
\emph on
(instr.)
\emph default
 
\emph on
n
\emph default
, 
\emph on
dst
\family default
\emph default
.
\end_layout

\end_deeper
\begin_layout Enumerate

\series bold
De movimiento de datos:
\series default
 
\family typewriter
mov 
\emph on
src
\emph default
, 
\emph on
dst
\family default
\emph default
.
 
\begin_inset Formula $dst\leftarrow src$
\end_inset

.
 
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Saltos incondicionales:
\series default
 
\family typewriter
jmp 
\emph on
pos
\family default
\emph default
.
 
\begin_inset Formula $\text{\texttt{RIP}}\leftarrow pos$
\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Saltos condicionales:
\series default
 
\family typewriter
je
\family default
 (
\begin_inset Formula $=$
\end_inset

), 
\family typewriter
jne
\family default
 (
\begin_inset Formula $\neq$
\end_inset

), 
\family typewriter
jg
\family default
 (
\begin_inset Formula $>$
\end_inset

), 
\family typewriter
jge
\family default
 (
\begin_inset Formula $\geq$
\end_inset

), 
\family typewriter
jl
\family default
 (
\begin_inset Formula $<$
\end_inset

), 
\family typewriter
jle
\family default
 (
\begin_inset Formula $\leq$
\end_inset

), 
\family typewriter
ja
\family default
 (
\begin_inset Formula $u>$
\end_inset

), 
\family typewriter
jae
\family default
 (
\begin_inset Formula $u\geq$
\end_inset

), 
\family typewriter
jb
\family default
 (
\begin_inset Formula $u<$
\end_inset

), 
\family typewriter
jbe
\family default
 (
\begin_inset Formula $u\leq$
\end_inset

)...
 donde 
\begin_inset Formula $u$
\end_inset

 en la notación signfica 
\begin_inset Quotes cld
\end_inset

sin signo
\begin_inset Quotes crd
\end_inset

.
 
\family typewriter
\emph on
(instr.)
\emph default
 
\emph on
pos
\family default
\emph default
.
 Si la instrucción anterior es 
\family typewriter
cmp 
\emph on
a
\emph default
, 
\emph on
b
\family default
\emph default
, entonces esta hace 
\begin_inset Formula $\text{\texttt{RIP}}\leftarrow pos$
\end_inset

 si y sólo si 
\begin_inset Formula $bRa$
\end_inset

 (al revés de lo lógico).
\end_layout

\begin_layout Standard
La 
\series bold
pila
\series default
 es una zona de memoria RAM gestionada como una estructura LIFO (
\emph on
Last In First Out
\emph default
) con dos operaciones posibles:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Apilar:
\series default
 
\family typewriter
push 
\emph on
src
\family default
\emph default
, guarda el contenido de un registro sobre la cima de la pila.
 Equivale a 
\family typewriter
sub $8,%rsp
\family default
 + 
\family typewriter
mov 
\emph on
src
\emph default
,(%rsp)
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Desapilar:
\series default
 
\family typewriter
pop 
\emph on
dst
\family default
\emph default
, extrae lo que hay en la cima de la pila a un registro.
 Equivale a 
\family typewriter
mov (%rsp),
\emph on
dst
\family default
\emph default
 + 
\family typewriter
add $8,%rsp
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Standard
Una 
\series bold
subrutina
\series default
 es una secuencia de instrucciones que recibe (o no) unos parámetros, realiza
 alguna acción y devuelve (o no) un resultado al código que 
\begin_inset Quotes cld
\end_inset

llamó
\begin_inset Quotes crd
\end_inset

 a la subrutina.
 Para dar soporte a subrutinas se utiliza la pila, que se divide en 
\series bold
marcos de pila
\series default
 o 
\series bold
\emph on
stack frames
\series default
\emph default
, formados por:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
8(%rbp)
\family default
: Dirección de retorno.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
(%rbp)
\family default
: 
\family typewriter
%rbp
\family default
 del marco de pila anterior.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
-
\begin_inset Formula $\dots$
\end_inset

(%rbp)
\family default
: Variables locales, valores de registros guardados (usados por la subrutina
 anterior).
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
+
\begin_inset Formula $\dots$
\end_inset

(%rsp)
\family default
: Argumentos de salida para otras subrutinas (hasta 6 se pasan por registros).
\end_layout

\begin_layout Standard
Manejo implícito:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
call 
\emph on
sub
\family default
\emph default
: Llama a una subrutina.
 Equivale a 
\family typewriter
push %rip
\family default
 + 
\family typewriter
jmp 
\emph on
sub
\family default
\emph default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
ret
\family default
: Vuelve de una subrutina.
 Equivale a 
\family typewriter
pop %rip
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
leave
\family default
: Desapila todo el marco de pila salvo la dirección de retorno y restablece
 
\family typewriter
%rbp
\family default
.
 Equivale a 
\family typewriter
mov %rbp, %rsp
\family default
 + 
\family typewriter
pop %rbp
\family default
.
\end_layout

\begin_layout Standard
Los mnemónicos vistos de instrucciones que admiten parámetros de distintos
 tamaños (todos salvo saltos y manejo implícito de subrutinas) realmente
 son versiones generales de otros que son iguales pero se le añade una letra
 detrás al nombre de la instrucción: 
\family typewriter
b
\family default
 (byte) 8 bits, 
\family typewriter
w
\family default
 (word) 16 bits, 
\family typewriter
l
\family default
 (long) 32 bits y 
\family typewriter
q
\family default
 (quad) 64 bits.
 Otros caso es el de, por ejemplo, 
\family typewriter
movslq
\family default
 (
\emph on
Move Signed Long to Quad
\emph default
, mover entero con signo de 32 bits a 64).
\end_layout

\begin_layout Section
Codificación de las instrucciones
\end_layout

\begin_layout Standard
Las instrucciones de x86-64 (CISC) son de longitud variable, mientras que
 las de MIPS 32 (RISC) son todas de 32 bits.
 En x86-64, el código de operación es el primer byte, en el que a veces
 se codifica el registro involucrado.
\end_layout

\begin_layout Standard
En un fichero objeto, el código se encuentra sin reubicar, de forma que
 los campos de las instrucciones correspondientes a las direcciones de memoria
 están vacíos o contienen direcciones relativas.
 Tras el enlazado y la carga, el programa se dice que se 
\series bold
reubica
\series default
, es decir, los campos de direcciones de memoria son modificados de acuerdo
 a la posición de la memoria (virtual) en la que se carga el programa.
 La memoria virtual es administrada por la 
\series bold
unidad de manejo de memoria
\series default
 (
\series bold
MMU
\series default
).
\end_layout

\begin_layout Section
Herramientas de GNU
\end_layout

\begin_layout Standard
El comando 
\family typewriter
gcc
\family default
 es el compilador GNU de C, el más utilizado en Linux.
 El comando 
\family typewriter
gcc main.c -o main
\family default
 compila el archivo 
\family typewriter
main.c
\family default
 y genera el ejecutable 
\family typewriter
main
\family default
.
 Para generar sólo el código en ensamblador, usamos 
\family typewriter
gcc main.c -fno-asynchronous-unwind-tables -S -o main.s
\family default
, que genera el archivo 
\family typewriter
main.s
\family default
 en ensamblador, donde 
\family typewriter
-S
\family default
 indica salida en ensamblador y 
\family typewriter
-fno-asynchronous-unwind-tables
\family default
 sirve para generar un código bastante más limpio que es más útil para su
 estudio.
\end_layout

\begin_layout Standard
La opción 
\family typewriter
-c
\family default
 indica salida como fichero objeto (sin enlazarlo).
 Si hacemos 
\family typewriter
gcc main.c -c -o main.o
\family default
 y luego 
\family typewriter
objdump -d main.o
\family default
, nos aparece una versión desensamblada del fichero objeto en el que podemos
 ver cómo este se organiza.
 A continuación podemos enlazar el fichero objeto con 
\family typewriter
gcc main.o -o main
\family default
.
 Entonces podemos usar 
\family typewriter
ldd main
\family default
 para ver la lista de bibliotecas dinámicas que necesita el programa y la
 dirección virtual del programa a la que estas son mapeadas.
 En particular, un programa sencillo necesita 
\family typewriter
libc
\family default
, la biblioteca estándar de C, y 
\family typewriter
linux-vdso
\family default
 y 
\family typewriter
linux-x86-64
\family default
, que se corresponden con las llamadas al sistema de Linux.
 La opción 
\family typewriter
-static
\family default
 de 
\family typewriter
gcc
\family default
 (
\family typewriter
gcc -static main.o -o main
\family default
) enlaza solo con bibliotecas estáticas (lo que aumenta considerablemente
 el tamaño).
\end_layout

\begin_layout Standard
La opción 
\family typewriter
-g
\family default
 añade al ejecutable la información necesaria para depurar el programa (es
 decir, cargarlo en memoria, reubicado, y ejecutarlo de manera controlada).
 Entonces podemos usar 
\family typewriter
gdb
\family default
, el depurador de GNU, llamándolo con 
\family typewriter
gdb main
\family default
.
 Este tiene su propio intérprete, en el cual:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
l
\family default
 lista el código original.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
disassemble 
\emph on

\begin_inset Formula $sub$
\end_inset


\family default
\emph default
 lista el desensamblado de la subrutina 
\begin_inset Formula $sub$
\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
x/
\begin_inset Formula $n$
\end_inset

bx 
\begin_inset Formula $tag$
\end_inset


\family default
 muestra los 
\begin_inset Formula $n$
\end_inset

 primeros bytes a partir de la etiqueta 
\begin_inset Formula $tag$
\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
x/
\begin_inset Formula $n$
\end_inset

w 
\begin_inset Formula $tag$
\end_inset


\family default
 hace lo mismo pero con los 
\begin_inset Formula $n$
\end_inset

 primeros 
\emph on
words
\emph default
 (grupos de 4 bytes).
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
b 
\begin_inset Formula $n$
\end_inset


\family default
 introduce un punto de interrupción (
\emph on
breakpoint
\emph default
) en la línea 
\begin_inset Formula $n$
\end_inset

 del programa.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
r
\family default
 ejecuta el programa.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
p 
\begin_inset Formula $var$
\end_inset


\family default
 muestra el valor de una variable.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\family typewriter
c
\family default
 continúa la ejecución del programa por donde se dejó.
\end_layout

\end_body
\end_document