Сист. прогр. Ч2 (Методические указания к выполнению лабораторных работ по СПО), страница 10

Рис. 14.3. Общая схема загрузки.

Наконец, если все трансляторы исходных программ (ассемб­леры и компиляторы) имеют единый формат объектной про­граммы и используют одинаковые соглашения о связях, оказы­вается возможным писать подпрограммы на нескольких раз­личных языках, поскольку объектные программы, которые должны обрабатываться загрузчиком, будут написаны на одном общем «языке» (машинном языке).

АБСОЛЮТНЫЕ ЗАГРУЗЧИКИ

Простейший тип схемы загрузки, общая модель которой представлена на рис. 28, называется абсолютной загрузкой. В этой схеме ассемблер выводит результаты трансляции исход­ной программы почти в такой же форме, как при использовании схемы «компиляция-выполнение», за исключением того, что результаты трансляции не помещаются непосредственно в па­мять, а выводятся на перфокарты. Загрузчик просто восприни­мает текст программы на машинном языке и помещает его в память по адресу, заданному ассемблером. Эта схема обеспечи­вает большее количество памяти, доступной пользователю, так как во время загрузки ассемблер уже не находится в памяти.

Абсолютные загрузчики просты в реализации, но имеют ряд недостатков. Во-первых, программист должен указать ассемблеру адрес памяти, по которому следует загрузить готовую программу. Далее, если имеется ряд подпрограмм, программист должен помнить абсолютный адрес каждой из них и использовать эти адреса в явном виде для обеспечения связей между подпрограммами.

В тех случаях, когда используются десятки подпрограмм, такой ручной метод размещения может оказаться очень сложным, утомительным и приводящим к неэффективному использованию памяти.

Четыре функции загрузчика выполняются в схеме абсолютной загрузки следующим образом:

1. Распределение - программистом;

2. Связывание - программистом;

3. Перемещение- ассемблером;

4. Загрузка - загрузчиком.

СВЯЗЫВАНИЕ ПОДПРОГРАММ

В этом разделе будет кратко рассмотрен, с точки зрения программиста, специальный механизм вызова подпрограмм в программах, написанных на языке ассемблера.

Проблема связывания подпрограмм состоит в следующем: из некоторой главной программы А необходимо передать управление подпрограмме В. Программист, составляющий программу А, мог бы написать команду перехода (например, BAL 14, В) к подпрограмме В. Однако, если не предусмотрены специальные средства для работы в подобной ситуации, ассемблер, который не имеет информации о том, какое значение следует приписать символу В, будет рассматривать его как неопределенный и выдаст сообщение об ошибке.

Типичный пример реализации необходимого в этом случае механизма можно найти в настраивающем и непосредственно связывающем загрузчиках. Вслед за мнемоникой псевдокоманды EXTRN помещается список символов. Тем самым указывается, что обращения к этим символам содержатся в данной программе, а определены они в других программах. Соответственно, если символ определен в некоторой программе и к нему имеются обращения в других программах, его необходимо поместить в список символов вслед за мнемоникой псевдокоманды ENTRY. При этом ассемблер сможет информировать загрузчик о том, что к этим символам может быть обращение из других программ. Следующая последовательность команд может служить для обращения к другой программе;

MAIN START

EXTRN SUBROUT

……………..

L I5,=A(SUBROUT) Вызов
BALR 14,15 подпрограммы SUBROUT

…………..

END

В приведенной последовательности сначала объявляется, что SUBROUT представляет собой внешний символ. Это означает, что в данной программе есть обращения к этому символу, но он в этой программе не определен. Команда загрузки загружает адрес подпрограммы SUBROUT в регистр 15. В результате выполнения команды BALR происходит переход по адресу, определяемому содержимым регистра 15, а именно переход к под­программе SUBROUT, причем адрес команды, следующей за командой BALR, помещается в регистр 14. В большинстве ассемблеров можно воспользоваться макрокомандой CALL SUBROUT, которая транслируется в приведенную выше последовательность команд.

Так как вызывающая и вызываемая программы должны работать согласованно, появляется необходимость в определенных соглашениях по программированию, В Системе 360 принято, что регистр 15 используется для связи программ и как базовый регистр. Обратите внимание на то, что в рассмотренном выше примере вызывающая программа загрузила адрес вызываемой подпрограммы в регистр 15. В связи с этим в вызываемой программе отпадает необходимость загрузки базового регистра. Регистр 14 содержит адрес возврата в вызывающую программу. Программист не должен использовать регистр 14 в подпрограмме, если не обеспечено сохранение его содержимого и последующее его восстановление перед возвратом управления вызывающей программе. Типичная последовательность команд подпрограммы имеет следующий вид;

SUBROUT START

USING *,15

……….

BR 14

END

D начале подпрограммы нет необходимости использовать команду BALR, так как адрес начала программы уже загружен в регистр 15. Команда BR 14 представляет собой безусловный переход по адресу, содержащемуся в регистре 14, т. е. по адресу возврата в вызывающую программу. Ниже приводятся основные сведения, касающиеся механизма выполнения связей.

ПСЕВДОКОМАНДЫ СВЯЗИ ЯЗЫКА АССЕМБЛЕРА

Присвоение имен подпрограмме и точкам входа (псевдооперации START и ENTRY)

A START определяет подпрограмму А
ENTRY B1,B2,B3... .определяет ячейки

В1,.. .,Вп как дополнительные точки входа

Несколько точек входа используется в следующих случаях:

1. Общие части разных подпрограмм.

Пример. Подпрограммы вычисления синуса и косинуса используют одинаковые алгоритмы и могут быть организованы как одна подпрограмма с двумя точками входа.

2. Совместная выборка связанных между собой подпрограмм, обеспечивающая удобство обращения к ним.

3. Лучший или более удобный доступ к общим базам данных.

ОБРАЩЕНИЕ К ПОДПРОГРАММАМ (ПСЕВДООПЕРАЦИЯ EXTRN)

Символы в языке ассемблера делятся на внутренние и внешние, Внешними являются такие, значения которых ассемблеру неизвестны, но будут обеспечены загрузчиком.

EXTRN Е1.Е2 и т. д.

определяет El, Е2 и т. д. как внешние символы, которые используются в адресных константах.

Пример. Макрокоманда CALL BETA имеет следующее рас­ширение:

EXTRN BETA

…….

L 15.АВЕТА
BALR 14,15

……….

ABETA DC A(BETA)

НАСТРАИВАЮЩИЕ ЗАГРУЗЧИКИ

Чтобы избежать необходимости повторного ассемблирования всех подпрограмм при внесении изменения в одну из них, а также для того, чтобы освободить программиста от задач распределения памяти и осуществления связи подпрограмм, были разработаны так называемые настраивающие загрузчики. Примером настраивающего загрузчика может служить загрузчик подпрограмм в двоично-символической форме (BSS-загруз-чик), который использовался в вычислительных машинах IBM7094, IBM 1130, GE 635 и UNIVAC 1108. Этот загрузчик допускает наличие в программе нескольких программных сегментов и только одного сегмента данных (общего сегмента). Ассемблер транслирует каждый программный сегмент независимо и передает загрузчику текст и информацию, касающуюся перемещений и перекрестных ссылок между сегментами.

Выходом ассемблера при использовании этой схемы является объектная программа и информация обо всех других программах, к которым в данной программе имеются обращения. Кроме того, имеется информация о тех местах программы, которые должны быть изменены при необходимости загрузки программы в произвольное место памяти (информация о перемещении), т. е. о ячейках, содержимое которых зависит от расположения программы в памяти.

Для каждой исходной программы ассемблер в качестве выходной информации вырабатывает текст (результат трансляции программы), предваряемый вектором переходов, содержащим адреса имен подпрограмм, к которым имеются обращения в исходной программе. Например, если подпрограмма вычисления квадратного корня (SQRT) является первой по порядку вызываемой подпрограммой, то первая ячейка вектора переходов будет содержать символическое имя SQRT. Предложение, содержащее вызов подпрограммы SQRT, будет транслироваться в команду перехода, указывающую адрес элемента вектора переходов, связанного с подпрограммой SQRT.

Ассемблер, кроме того, будет передавать загрузчику дополнительную информацию, такую, как общая длина программы и длина вектора переходов. После загрузки в память текста программы и вектора переходов загрузчик будет загружать каждую подпрограмму, указанную в векторе переходов. Затем он в каждый элемент вектора переходов поместит команду перехода к соответствующей подпрограмме. Таким образом, вызов подпрограммы SQRT приведет к выполнению команды перехода к первой ячейке вектора переходов, в которой будет находиться команда перехода к вызываемой подпрограмме.

Такая схема загрузки с двухступенчатой передачей управления часто используется в вычислительных машинах с фиксированным форматом команд и непосредственной адресацией. Например, если бы команды формата RX Системы 360 имели вид;.

844 16

где А2 обозначало бы 16-разрядный двоичный адрес операнда, это был бы формат с непосредственной адресацией. Такой формат может быть использован в том случае, если общий объем адресуемой памяти не превышает 2'⁶ = 65536 байтов, как это и имело место для большинства ранних вычислительных машин и остается справедливым для многих современных минимашин. В связи с тем, что при перемещении программ, использующих форматы команд с непосредственной адресацией, необходимо вносить изменения в адресную часть каждой команды, проблема перемещения программ для машин с непосредственной адресацией оказывается намного сложнее, чем для машин Системы 360. При отсутствии базовых регистров, подобных используемым в Системе 360, эта проблема часто решается путем

использования «битов переместимости». С каждой командой или полем адреса ассемблер связывает специальный двоичный разряд. Если соответствующее поле адреса подлежит настройке, бит устанавливается в единицу, в противном случае он устанавливается в нуль. Эти индикаторы переместимости, почему-то известные больше как биты переместимости, помещаются в объектную программу.

Наконец, содержимое слов вектора переходов было заменено на команды перехода к соответствующим подпрограммам. Таким образом, BSS-загрузчик автоматически выполняет все перечисленные выше функции загрузчика (распределение, связывание, перемещение, загрузку).

Следует заметить, что биты переместимости решают задачу перемещения, вектор переходов используется для решения задачи связывания и информация о длине программы используется для решения задачи распределения памяти.

Рассматриваемая схема загрузки имеет ряд недостатков. Во-первых, вектор переходов не вполне удобен для загрузки и сохранения внешних данных (данных, расположенных в другом программном сегменте).

Во-вторых, вектор переходов увеличивает размер объектной программы. Наконец, BSS-загрузчик работает с программными сегментами, но не облегчает доступ к сегментам данных, которые могут совместно использоваться несколькими подпрограммами. Последний недостаток преодолевается во многих загрузчиках двоично-символических подпрограмм введением общего сегмента данных, который часто обозначают COMMON. Это средство обычно реализуется путем расширения поля битов переместимости до двух битов на полуслово. Если биты имеют конфигурацию 01, полуслово перемещаемо по отношению к программному сегменту, если 10, оно перемещаемо по отношению к адресу единственного общего сегмента данных. Если конфигурация битов 00 или 11, полуслово не требует модификации содержимого при перемещении программы.

НЕПОСРЕДСТВЕННО СВЯЗЫВАЮЩИЕ ЗАГРУЗЧИКИ

Непосредственно связывающий загрузчик наиболее полно обеспечивает возможность перемещения в памяти программ и данных и в настоящее время является наиболее распространенным.

Непосредственно связывающий загрузчик обладает тем преимуществом, что допускает использование большого числа как программных сегментов, так и сегментов данных и дает про­граммисту полную свободу в обращении к данным или командам, содержащимся в других сегментах. Это обеспечивает гибкие перекрестные обращения между сегментами и возможности доступа, допуская в то же время независимую трансляцию программ.

Структура непосредственно связывающего загрузчика будет рассмотрена в этой главе. В этом разделе будет представлен общий формат выхода ассемблера при использовании рассматриваемой схемы загрузки на примере Системы 370. В то время как формат сам по себе может быть в некотором смысле произвольным, информация, которую ассемблер должен передать загрузчику, должна иметь вполне определенное содержание. Ассемблер (транслятор) должен передать загрузчику следующую информацию с каждым сегментом программы или данных:

1. Длину сегмента.

2. Список всех символов сегмента, к которым возможно обращение из других сегментов, и их относительные адреса внутри сегмента.

3. Список всех символов, не определенных в сегменте, к которым есть обращения внутри сегмента.