Лекции по курсу "Проектирование ассемблеров, компоновщиков, макропроцессоров

16. Загрузчик

Загрузчик - это системная программа, выполняющая загрузку. Многие загрузчики обеспечивают, кроме того, перемещение и связывание. В некоторых системах функция связывания отделена от функций перемещения и загрузки. Связывание выполняется специальной программой связывания (или редактором связей), перемещение и загрузка - загрузчиком.

Связывание - это связывание двух или более отдельных оттранслированных программ.

Перемещение - это модификация объектной программы так, чтобы она могла загружаться с адреса, отличного от первоначального.

Функции загрузчика:

1. распределение ОП;
2. перемещение программы;
3. связывание модулей;
4. загрузка программ в ОП и запуск на выполнение.

Распределение ОП

Перемещение программы

Если внутри модулей имеются адресные константы, которые вычисляются от начала модуля, то адреса будут корректироваться относительно Базы.

Связывание модулей

Виды загрузчиков

Загрузчики типа «компиляция-выполнение»

Одним из возможных способов выполнения функции загрузчика может быть такая организация работы ассемблера, при которой ассемблер, работая в одной части памяти, помещает машинные команды и данные по мере ассемблирования непосредственно в выделенные для них ячейки памяти. После завершения компиляции ассемблер передает управление в точку входа полученной программы. Это очень простое решение, позволяющее обойтись без каких-либо дополнительных процедур. Такая схема называется «компиляция-выполнение», а «загрузчик» состоит из одной команды, которая передает управление ассемблированной программе.

Однако эта схема имеет ряд недостатков:

• некоторая часть памяти не может быть использована, т.к. занятая ассемблером память недоступна для объектной программы;
• при каждом новом прогоне приходиться заново транслировать программу пользователя;
• трудно организовать работу нескольких сегментов программы, особенно, если исходные тексты написаны на разных языках, т.к. каждый язык создает свою среду в ОП.

Достоинства:

• распределение памяти выполняется автоматически;
• одна и та же программа-компилятор выполняет функции перемещения и связывания, загрузки и запуска.

Абсолютный загрузчик

Общая схема загрузки

Учитывая недостатки загрузчиков типа «компиляция-выполнение», видно, что целесообразным будет организовать хранение результатов трансляции на некотором внешнем носителе с тем, чтобы загрузить их, когда понадобится выполнить полученную программу. При этом ассемблированная программа может быть загружена в ту же область, которую раньше занимал ассемблер. Эта форма вывода называется объектной программой. Тогда работа загрузчика будет заключаться в том, что он принимает на входе ассемблированные команды и информацию, представленную в виде объектной программы, а сам в свою очередь помещает в память машинные команды, данные в выполнимой машинной форме. Этот тип загрузки устраняет основные недостатки рассмотренного ранее типа.

Абсолютные загрузчики

Простейший загрузчик, работающий по общей схеме, называется абсолютным. При этом ассемблер выводит результаты трансляции исходной программы почти в такой же форме как при схеме «компиляция-выполнение», за исключением того, что результаты помещаются не непосредственно в память, а выводятся на носитель. Загрузчик просто воспринимает текст программы на машинном языке и помещает его в память по адресу, указанному ассемблером.

Абсолютные загрузчики просты в реализации, но имеют ряд особенностей:

• задачу распределения ОП выполняет программист (с помощью директивы установки начального значения ОП);
• задачу перемещения программы выполняет компилятор;
• связывание модулей - решается программистом (call 600);
• загрузка программ в ОП и запуск на выполнение.

Достоинства:

• меньший объем загрузчика (по величине памяти);
• разделение фазы компиляции и загрузки, что сокращает время на обработку модулей;
• возможность использования нескольких языков программирования, т.к. структуры создаваемых объектных модулей идентичны.

Недостатки:

Большой объем работ ложится на программиста. Нужно постоянно отслеживать изменения начальных адресов при модификации модулей, т.к. изменяется их длина.

Структура объектного файла абсолютного загрузчика

Информационная запись состоит из:

1. признак;
2. абсолютный адрес ОП, куда можно переносить информацию;
3. количество информационных байтов в сообщении;
4. байты информации;
5. контрольные суммы;
6. нумерация.

Управляющая запись состоит из:

1. признак;
2. адрес точки входа.

Алгоритм

Работа простого абсолютного загрузчика:

1. Проверить достаточно ли памяти для данной программы (просмотр первой записи).
2. Последовательное считывание тела программы и помещение по указанному адресу.
3. Передача управления по адресу для исполнения программы.

Настраивающий загрузчик

Чтобы избежать необходимости повторного ассемблирования всех подпрограмм при внесении изменения в одну из них, а также чтобы освободить программиста от задач распределения памяти и осуществления связи подпрограмм, были разработаны так называемые загрузчики. Этот загрузчик допускает наличие в программе нескольких программных сегментов и одного сегмента данных (общего сегмента). Ассемблер транслирует каждый сегмент отдельно и передает загрузчику текст и информацию, касающуюся перемещений и перекрестных ссылок между сегментами.

Выходом ассемблера при такой схеме является объектная программа и информация обо всех других программах, к которым в данной программе имеются обращения. Кроме того, имеется информация о тех местах, которые должны быть изменены при загрузке (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), предваряемый вектором переходов, содержащим адреса имен подпрограмм, к которым имеются обращения в исходной программе. Например, если подпрограмма SQRT является первой вызываемой подпрограммой, то первая ячейка вектора переходов будет содержать символическое имя SQRT. Предложения, содержащие вызов подпрограммы SQRT, будут транслироваться в команду перехода, указывающую адрес элемента вектора переходов, связанного с SQRT. Ассемблер, кроме того, будет передавать 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. Затем он в каждый элемент вектора поместит команду перехода к соответствующей подпрограмме. Таким образом, вызов подпрограммы SQRT приведет к выполнению команды перехода к первой ячейке вектора переходов, в которой будет содержаться команда перехода к вызываемой подпрограмме.

Такая схема загрузки с двухступенчатой передачей управления часто используется в вычислительных машинах с фиксированным форматом команд и непосредственной адресацией.

Такой загрузчик имеет ряд недостатков:

• вектор переходов не вполне удобен для загрузки и сохранения внешних данных (расположенных в другом программном сегменте);
• вектор переходов увеличивает длину объектной программы;
• загрузчик работает с программными сегментами, но не облегчает доступ к сегментам данных, которые могут совместно использоваться несколькими подпрограммами.

Непосредственно связывающий загрузчик

Непосредственно связывающий загрузчик наиболее полно обеспечивает возможность перемещения в памяти программ и данных и в настоящее время наиболее распространен. Такой загрузчик обладает тем преимуществом, что допускает использование большого числа как программных сегментов, так и сегментов данных и дает программисту полную свободу обращения к данным, находящимся в других сегментах, допуская при этом раздельную трансляцию.

Ассемблер (транслятор) должен передать загрузчику следующую информацию с каждым сегментом программы и данных:

1. длину сегмента;
2. список всех символов сегмента, к которым возможно обращение из других сегментов, и их относительные адреса;
3. список всех символов, не определенных в данном сегменте, к которым есть обращение в данном сегменте;
4. информацию о расположении адресных констант в сегменте и описание того, каким образом должны изменяться их значения;
5. машинные коды, полученные в результате трансляции, и приписанные относительные адреса.

Одним из недостатков непосредственно связывающего загрузчика в простейшем виде является необходимость при каждом выполнении программы повторно выполнять функции распределения памяти, перемещения, связывания и загрузки всех необходимых подпрограмм. Эти проблемы можно устранить путем выполнения загрузки с помощью двух отдельных программ: объединителя и загрузчика модуля. Выходом объединителя является набор данных в формате, допускающем загрузку программы в память, и называется загрузочным модулем. Существует несколько типов объединителей. Один из них, так называемый, редактор связей, который сохраняет информацию, необходимую для перемещения модуля, в памяти, так что модуль как единое целое может затем настраиваться и загружаться в произвольное место памяти. В этом случае загрузчик модуля должен выполнять функции распределения памяти и перемещения, но остается свободным от решения сложной задачи связывания объектных модулей и подпрограмм.

Динамический загрузчик

В каждой из рассмотренных схем предполагалось, что все необходимые подпрограммы загружаются в память одновременно. Если общее количество памяти, требуемое для подпрограмм меньше доступной памяти машины, возникают затруднения. Эти трудности преодолеваются применением схемы динамической загрузки с последовательным использованием объединителя и загрузчика. Эта схема основывается на том, что обычно разные подпрограммы требуются в разное время и могут взаимно исключать себя. Используя явное определение того, какая подпрограмма содержит обращения к другим подпрограммам, можно задать, так называемую, структуру с перекрытием (оверлейную структуру), которая указывает взаимоисключающие подпрограммы.

Формируется загрузочный модуль. Он является перемещаемым, в нем должна быть таблица перемещений. Также в структуре загрузочного модуля должна быть информация о связях. Загрузчик должен содержать такую часть, как диспетчер оверлеев, он отбирает из загрузочных модулей именно те, которые являются стартовыми, в процессе работы организует загрузку в ОП необходимых модулей.

Динамическое связывание

Бывают случаи, когда для эффективности использования памяти машины осуществляется динамическое связывание подпрограмм, проводимое уже при выполнении программы. То есть подпрограммы загружаются в память только по мере их вызова. Это может быть выгодно, т.к. при определенных условиях в программе некоторые подпрограммы могут вообще не понадобиться. Рассмотрим пример:

if	(условие 1)
				вызов подпрограммы 1
if	(условие 2)
				вызов подпрограммы 2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
if	(условие m)
				вызов подпрограммы m

Многие из ветвей будут пропущены, и не придется загружать в ОП, например, подпрограмму 2 при невыполнении условия 2. В таком случае загрузчик должен работать одновременно с программой и выполнять функции связывания и загрузки подпрограмм.