10_Модульное программирование (В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования)

Глава 10. Модульное программированиеАрхитектура ЭВМ тесно связана со способами выполнения программ на компьютере, поэтомусейчас мы переходим к изучению большого раздела нашего курса под названием "Введение в системы программирования" (само это понятие будет изучено в следующей главе). Мы рассмотрим весьпуть, который проходит новая программа – от написания текста на некотором языке программирования, до этапа счёта этой программы. Первая тема в этом разделе и называется "Модульное программирование".Модульное программирование является особым способом разработки программы, которая строится при этом из нескольких относительно независимых друг от друга частей – модулей. Понятиемодуля является одним из центральных при разработке программного обеспечения, и сейчас мыприступим к изучению этого понятия.Известно, что при разработке программ в основном используется метод, который называется"программирование сверху-вниз" или "пошаговая детализация".

Суть этого метода совсем проста:исходная задача сначала разбивается на достаточно большие относительно независимые друг от друга подзадачи. В том случае, когда полученные подзадачи достаточно просты, то для каждой из нихразрабатывается соответствующий алгоритм, иначе каждая такая всё ещё сложная подзадача сноваразбивается на более простые и т.д. Далее мы приступаем к реализации каждой из полученных такимобразом относительно простых подзадач на некотором языке программирования, и каждая такаяреализация подзадачи и называется чаще всего (программным) модулем. Таким образом, использование модулей является естественным способом разработки и построения сложных программ. Заметим, что и сам программный модуль допускает дальнейшую пошаговую детализацию, однако полученные подзадачи реализуются уже в виде процедур и функций.

Таким образом, процедуры и функции являются инструментом пошаговой детализации при разработке программ на нижнем, более детальном уровне, а модули – на верхнем.Модули задачи могут писаться как на одном языке программирования, например, на Ассемблере, так и на разных языках, в этом случае говорят, что используется многоязыковая система программирования.

Что такое система программирования мы, как уже говорилось, более строго определим несколько позже, а пока изучим общее понятие модульного программирования и программного модуля.Мы уже знаем одно из полезных свойств программы, отдельные части (модули) которой написаны на разных языках программирования – это позволяет нам из программ на языках высокого уровнявызывать процедуры на Ассемблере (и, вообще говоря, наоборот).

Далее в нашем курсе, однако, мыбудем знакомиться со свойствами модульной программы, написанной целиком на одном языке программирования (в нашем случае на Ассемблере).Перечислим сначала те преимущества, которые предоставляет модульное программирование.Во-первых, как мы уже отмечали, это возможность писать модули на разных языках программирования. Во-вторых, модуль является естественной единицей локализации имён: как мы говорили,внутри модуля на Ассемблере все имена должны быть различны (уникальны), 1 что не очень удобно,особенно когда модуль большой по объёму или совместно пишется разными программистами. А вотв разных модулях Ассемблера имена могут совпадать, так как имена, как и в блоке программы наязыке Паскаль, локализованы в модуле на Ассемблере и не видны из другого модуля, если толькоэто не указано явно с помощью специальных директив.Следующим преимуществом модульного программирования является локализация места ошибки: обычно исправление ошибки внутри одного модуля не влечёт за собой исправление других модулей (разумеется, это свойство будет выполняться только при хорошем разбиении программы намодули, с малым числом связей между модулями, о чём мы будем говорить далее).

Это преимущество особенно сильно сказывается во время отладки программы. Например, при внесении измененийтолько в один из нескольких десятков или сотен модулей программы, только он и должен быть заново проверен Ассемблером и переведён на язык машины.

2 Обычно говорят о малом времени пере1Из этого правила совсем немного исключений, это, например, повторение имён сегментов и процедур вначале и в конце их описания (хотя, в принципе, это описание одного имени). С другими исключениями уникальности имён в ассемблерном модуле мы познакомимся при изучении макросредств языка Ассемблера.2Точнее на объектный язык, о чём мы будем говорить далее.2компиляции всей программы при исправлении ошибки в одном модуле, что сильно ускоряет процесс отладки программы.Следует отметить и такое хорошее свойство модульного программирования, как возможностьповторного использования (reuse) разработанных модулей в других программах.

Очевидно, что дляповторного использования программных модулей их лучше оформлять в виде наборов процедур ифункций со стандартными соглашениями о связях.Разумеется, за всё надо платить, у модульного программирования есть и свои слабые стороны,перечислим основные из них.•Во-первых, модули не являются совсем уж независимыми друг от друга: между ними существуют связи, то есть один модуль иногда может использовать переменные, константы ипрограммный код другого модуля. Необходимость связей между модулями естественно вытекает из того факта, что модули совместно решают одну общую задачу, при этом каждыймодуль выполняет свою часть задачи, получая от других модулей входные данные и передавая им результаты своей работы.

Заметим, что все такие связи между модулями на Ассемблере должны быть явно заданы при описании этих модулей. 1•Во-вторых, теперь перед счётом программы необходим особый этап сборки программы изсоставляющих её модулей. Этот процесс достаточно сложен, так как кроме собственно объединения всех модулей в одну программу, необходимо проконтролировать и установить всесвязи между этими модулями. 2 Сборка программы из модулей производится специальнойсистемной программой, которая называется редактором внешних связей между модулями(по-английски связь называется link, поэтому жаргонное название этой программы – линкерили линковщик).В-третьих, так как теперь компилятор не видит всей исходной программы одновременно,•то, следовательно, и не может получить полностью готовый к счёту модуль на машинномязыке.

Более того, так как в каждый момент времени он видит только один модуль, он неможет проконтролировать, правильно ли установлены связи между модулями. Ошибка всвязях теперь выявляется на этапе сборки программы из модулей, а иногда только на этапесчёта, особенно если используется так называемое динамическое связывание модулей, обовсём этом мы будем говорить далее. Позднее обнаружение ошибок связи между модулямиможет существенно усложнить и замедлить процесс отладки программы.Несмотря на отмеченные недостатки, преимущества модульного программирования так велики,что сейчас это основной способ разработки сложного программного обеспечения. Теперь мы начнёмзнакомиться с особенностями написания модульной программы на языке Ассемблера.10.1. Модульное программирование на АссемблереКак мы уже говорили, программа на Ассемблере может состоять из нескольких модулей.

Исходным (или входным) программным модулем на Ассемблере называется текстовый файл, состоящий изпредложений языка Ассемблер и заканчивающийся специальной директивой с кодом операции end– признаком конца модуля.Среди всех модулей, составляющих программу, должен быть один и только один модуль, который называется головным модулем программы. Признаком головного модуля на Ассемблере является параметр-метка у директивы end конца модуля, в рекомендованном Вам учебнике [5] такуюметку часто называют именем Start, хотя это, как мы отмечали, несущественно и можно выбратьлюбое подходящее имя.

Эта метка должна быть меткой команды, которая находится в одном изсегментов головного модуля. Именно этот сегмент по определению будет (главным) кодовым сегментом, и содержать первую выполняемую команду всей программы. Перед началом счёта программы загрузчик установит на начало этого кодового сегмента регистр CS, а в счётчик адреса IP запишет смещение указанной метки (т.е. адрес первой выполняемой команды) в сегменте кода.1Точнее, явно задаются только так называемые статические связи между модулями, о чём мы будем подробно говорить далее.2Возможно, выполнение программы без её сборки из модулей, при этом установление связей между модулями будет отложено на этап счёта программы, о чём вы будем говорить позже при изучении схемы работытак называемого динамического загрузчика.3Как уже отмечалось, модули не могут быть абсолютно независимыми друг от друга, так как решают разные части одной общей задачи, и, следовательно, хотя бы время от времени должны обмениваться между собой информацией.

Таким образом, между модулями существуют связи. Говорят,что между модулями существуют связи по управлению, если один модуль может передавать управление (с возвратом или без возврата) на программный код в другом модуле. В архитектуре нашегокомпьютера для такой передачи управления можно использовать одну из команд перехода или системный вызов.Кроме связей по управлению, между модулями могут существовать и связи по данным.