Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой - транслятором (рис. 1). Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную программу. Компилятор же сначала полностью переводит всю программу, представленную ему в виде исходного модуля (ИМ), на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объектный модуль (ОМ). Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки, поскольку полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам.

Во-первых, она содержит неразрешенные внешние ссылки (т.е. обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы, например, к стандартным программам алгоритмического

Рис. 1. Обработка заданий операционной системой

языка, таким, как извлечение корня квадратного, вычисление тригонометрических функций и т.д.). Во-вторых, объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах - каждый объектный модуль начинается с адреса Oh, тогда как для исполнения программа должна быть “привязана” к конкретным физическим адресам основной памяти.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных либо в виде объектных модулей) и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиотеку загрузочных модулей (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память и во время этого переноса корректирует адреса, учитывая, с какого адреса основной памяти размещается загрузочный модуль. После перемещения загрузочного модуля в основную память программа выборки инициирует ее выполнение.

Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. Например, если по одной и той же программе необходимо много раз производить расчеты, то неэффективно тратить каждый раз время на трансляцию и редактирование программы - ее нужно оформить в виде загрузочного модуля и хранить в соответствующей библиотеке. При обращении к такой программе сразу будет вызываться программа выборки для загрузки соответствующего модуля (а этапы компиляции и редактирования связей будут опускаться) - время на выполнение программы существенно сократится.

Если же программа только отлаживается или после каждого просчета ее нужно будет модернизировать, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. Для их обхода вместо редактора связей может быть применен загрузчик - программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения. Но при использовании загрузчика многократные просчеты по программе проводить невыгодно, так как каждый раз приходиться выполнять лишние операции редактирования связей.

4. Отображение адресного пространства программы на основную память

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и предоставления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью.

Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов - они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т.е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной программы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно если он работает на языке, близком машинному), но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа “привязывается” к определенному месту в памяти вычислительной машины. Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динамическим перемещением, в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении может встретиться два случая.

1. Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с 0-го адреса (рис.2).

Рис.2. Загрузка программы в реальную память (объем реальной памяти больше адресного пространства программы)

Загружаемая программа А является абсолютной программой, так как никакого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит - программа располагается с 0-го адреса реальной памяти.

2. Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рис.3).

Рис.3. Загрузка программы в реальную память (объем реальной памяти меньше адресного пространства программы)

Рис. 4. Фрагментация реальной памяти

В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать проблему, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы существует несколько: можно создать оверлейную структуру (т.е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ) и т.д.

В некоторых операционных системах адреса откомпилированной (с 0 адреса) программы могут быть преобразованы в адреса реальной памяти, отличные от 0. При этом создается абсолютный модуль, который требует размещения его в памяти всегда с одного и того же адреса.

При мультипрограммном режиме, если имеем программы А, В и С, для которых известно, что программа А выполняется при размещении в памяти с адреса 60 Кбайт до 90 Кбайт, В - с 60 Кбайт до 90 Кбайт, С - с 50 Кбайт до 120 Кбайт, организовать их совместное выполнение невозможно, так как им необходим один и тот же участок реальной памяти. Эти программы будут ждать друг друга либо их нужно заново редактировать с другого адреса.

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между программами образуются незанятые участки памяти. На рис.4

Рис.5. Размещение программы в свободной части ОП

общий объем незанятой памяти, составляющий 50 Кбайт, достаточен, чтобы загрузить и программу D, находящуюся в ожидании. Но ее не удается загрузить, так как свободные участки памяти не являются смежными. Такое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со статическим перемещением.

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти (рис.5) и допускает использование несмежных ее участков.

В этом случае имеется больше возможностей для организации мультипрограммной работы, следовательно, и для более эффективного использования временных ресурсов ЭВМ.

4.1. Адресная структура команд микропроцессора и планирование ресурсов

При больших размерах реализуемых программ возникают некоторые противоречия при организации мультипрограммного режима работы, трудности динамического распределения ресурсов.

В настоящее время разработано несколько способов решения этих противоречий. Например, для борьбы с фрагментацией основной памяти адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда (рис.6) программа D общей длиной 50 Кбайт может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области ОП. Это позволяет использовать реальную память, теряемую из-за фрагментации.

Рис. 6. Фрагментация ОП. Загрузка сегментированной программы

Адреса в каждом сегменте начинаются с 0. При статическом перемещении программы в процессе загрузки ее в основную память адреса должны быть привязаны к конкретному месту в памяти, на что уходит много времени, отвлекаются вычислительные ресурсы. Более эффективной является динамическая трансляция адресов (ДТА), которая заключается в том, что сегменты загружаются в основную память без трансляции адресного пространства (т.е. без изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных), а трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. Этот тип трансляции называется динамическим перемещением и осуществляется специальными аппаратурными средствами ДТА.

Каждый сегмент программы должен иметь свое имя. Форма имени сегмента может быть любой, например номер (рис.7 а, б).

При таком представлении адрес будет состоять из двух частей: s, i, где s -имя сегмента, i - адрес внутри сегмента.

Если ЭВМ имеет 32-битовую адресную структуру, максимальная длина адреса в единственном сегменте будет длиной 32 разряда. Если 16 разрядов из 32 отвести под номер сегмента (а 16 - под смещение), то в этом случае все адресное пространство программы может состоять из 216= 64 Кбайта сегментов. Сегмент может содержать 216= 64 Кбайта (т.е. иметь адреса от 0 до 65535). При другой структуре адреса изменяются количество сегментов и их длина.

Рис.7. Форма имени сегмента: а - при выделении 8 разрядов; б - при выделении 16 разрядов

Структура адресов накладывает два важных ограничения:

• ограничивается максимальное число сегментов, которое может существовать в адресном пространстве программы;

• ограничивается максимальное смещение любого адреса в сегменте. При загрузке в основную память сегментированной программы каждый сегмент перемещается в реальную память отдельно, причем участки основной памяти могут быть или не быть смежными. Трансляция адресов не происходит - сегменты по-прежнему содержат свои относительные адреса.

Для динамической трансляции адресов (т.е. при определении абсолютных адресов по известным относительным, содержащим номер сегмента и смещение) операционная система строит специальные таблицы, устанавливающие соответствие между сегментируемым адресным пространством программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти (рис.8).

Рис.8. Динамическая трансляция адресов при сегментной организации программы