Раздел 2. Программирование в операционной среде
Тема 2.1. Ассемблеры и макроязыки
2.1.1. Этапы подготовки программы к выполнению
При разработке программ, используется принцип модульности (разбиения программы на составные части), каждая из которых может подготавливаться отдельно. Модульность является основным инструментом структурирования программного изделия, облегчающим его разработку, отладку и сопровождение.
Программный модуль - программа или функционально завершенный фрагмент программы, предназначенный для хранения, трансляции, объединения с другими программными модулями и загрузки в оперативную память.
При выборе модульной структуры должны учитываться следующие основные соображения:
Функциональность - модуль должен выполнять законченную функцию
Несвязность - модуль должен иметь минимум связей с другими модулями, связь через глобальные переменные и области памяти нежелательна
Специфицируемость - входные и выходные параметры модуля должны четко формулироваться.
От написания до выполнения программа проходит следующие этапы:
Обработка макропроцессором
Трансляция
Редактирование связей (компоновка)
Загрузка.
На рисунке показаны перечисленные этапы и используемые для их выполнения системные обрабатывающие программы.
Рисунок 2-1- этапы подготовки и выполнения прикладной программы
Программа пишется в виде исходного модуля, на рисунке - файл ИМ.
Исходный модуль - программный модуль на исходном языке, обрабатываемый транслятором и представляемый для него как целое, достаточное для проведения трансляции.
Первым (не для всех языков программирования обязательным) этапом подготовки программы является обработка ее Макропроцессором (или Препроцессором). Макропроцессор обрабатывает текст программы и на выходе его получается новая редакция текста (на рис.2-1 – ИМ’). В большинстве систем программирования Макропроцессор совмещен с транслятором, и для программиста его работа и промежуточный ИМ' "не видны". Следует иметь в виду, что Макропроцессор выполняет обработку текста, это означает, с одной стороны, что он "не понимает" операторов языка программирования и "не знает" переменных программы, с другой, что все операторы и переменные Макроязыка (тех выражений в программе, которые адресованы Макропроцессору) в промежуточном ИМ' уже отсутствуют и для дальнейших этапов обработки "не видны". Так, если Макропроцессор заменил в программе некоторый текст A на текст B, то транслятор уже видит только текст B, и не знает, был этот текст написан программистом или подставлен Макропроцессором.
Следующим этапом является трансляция.
Трансляция - преобразование программы, представленной на одном языке программирования, в программу на другом языке программирования, в определенном смысле равносильную первой.
Как правило, выходным языком транслятора является машинный язык целевой вычислительной системы. (Целевая ВС - та ВС, на которой программа будет выполняться.)
Машинный язык - язык программирования, предназначенный для представления программы в форме, позволяющей выполнять ее непосредственно техническими средствами обработки информации.
Трансляторы - общее название для программ, осуществляющих трансляцию. Они подразделяются на Ассемблеры и Компиляторы - в зависимости от исходного языка программы, которую они обрабатывают.
Язык Ассемблера - язык программирования, который представляет собой символьную форму машинного языка с рядом возможностей, характерных для языка высокого уровня (обычно включает в себя макросредства).
Язык высокого уровня - язык программирования, понятия и структура которого удобны для восприятия человеком.
Объектный модуль - программный модуль, получаемый в результате трансляции исходного модуля.
Поскольку результатом трансляции является модуль на языке, близком к машинному, в нем уже не остается признаков того, на каком исходном языке был написан программный модуль. Это создает принципиальную возможность создавать программы из модулей, написанных на разных языках. Специфика исходного языка, однако, может сказываться на физическом представлении базовых типов данных, способах обращения к процедурам/функциям и т.п. Для совместимости разноязыковых модулей должны выдерживаться общие соглашения.
Большая часть объектного модуля - команды и данные машинного языка именно в той форме, в какой они будут существовать во время выполнения программы. Однако, программа в общем случае состоит из многих модулей. Поскольку транслятор обрабатывает только один конкретный модуль, он не может должным образом обработать те части этого модуля, в которых запрограммированы обращения к данным или процедурам, определенным в другом модуле. Такие обращения называются внешними ссылками. Те места в объектном модуле, где содержатся внешние ссылки, транслируются в некоторую промежуточную форму, подлежащую дальнейшей обработке. Говорят, что объектный модуль представляет собой программу на машинном языке с неразрешенными внешними ссылками.
Разрешение внешних ссылок выполняется на следующем этапе подготовки, который обеспечивается Редактором Связей (Компоновщиком). Редактор Связей соединяет вместе все объектные модули, входящие в программу. Поскольку Редактор Связей "видит" уже все компоненты программы, он имеет возможность обработать те места в объектных модулях, которые содержат внешние ссылки. Результатом работы Редактора Связей является загрузочный модуль.
Загрузочный модуль - программный модуль, представленный в форме, пригодной для загрузки в оперативную память для выполнения.
Загрузочный модуль сохраняется в виде файла на внешней памяти. Для выполнения программа должна быть перенесена (загружена) в оперативную память. Иногда при этом требуется некоторая дополнительная обработка (например, настройка адресов в программе на ту область оперативной памяти, в которую программа загрузилась). Эта функция выполняется Загрузчиком, который обычно входит в состав операционной системы.
Возможен также вариант, в котором редактирование связей выполняется при каждом запуске программы на выполнение и совмещается с загрузкой. Это делает Связывающий Загрузчик, другое название – динамический загрузчик. Вариант связывания при запуске более расходный, т.к. затраты на связывание тиражируются при каждом запуске. Но он обеспечивает:
большую гибкость в сопровождении, так как позволяет менять отдельные объектные модули программы, не меняя остальных модулей;
экономию внешней памяти, так как объектные модули, используемые во многих программах не копируются в каждый загрузочный модуль, а хранятся в одном экземпляре.
Вариант интерпретации подразумевает прямое исполнение исходного модуля. Интерпретация - реализация смысла некоторого синтаксически законченного текста, представленного на конкретном языке.
Интерпретатор читает из исходного модуля очередное предложение программы, переводит его в машинный язык и выполняет. Все затраты на подготовку тиражируются при каждом выполнении, следовательно, интепретируемая программа принципиально менее эффективна, чем транслируемая. Однако, интерпретация обеспечивает удобство разработки, гибкость в сопровождении и переносимость.
Примеры интерпретаторов: языки процедур (sell, REXX), JVM.
Не обязательно подготовка программы должна вестись на той же вычислительной системе и в той же операционной среде, в которых программа будет выполняться. Системы, обеспечивающие подготовку программ в среде, отличной от целевой называются кросс-системами. В кросс-системе может выполняться вся подготовка или ее отдельные этапы:
Макрообработка и трансляция
Редактирование связей
Отладка
Типовое применение кросс-систем - для тех случаев, когда целевая вычислительная среда просто не имеет ресурсов, необходимых для подготовки программ, например, встроенные системы.
Ассемблеры
Язык Ассемблера - система записи программы с детализацией до отдельной машинной команды, позволяющая использовать мнемоническое обозначение команд и символическое задание адресов.
Поскольку в разных аппаратных архитектурах разные программно-доступные компоненты (система команд, регистры, способы адресации), язык Ассемблера аппаратно-зависимый. Программы, написанные на языке Ассемблера могут быть перенесены только на вычислительную систему той же архитектуры.
Язык Ассемблера "в чистом виде" применяется для написания отдельных небольших частей системного ПО: микроядра ОС, самых нижних уровней драйверов - тех частей, которые непосредственно взаимодействуют с реальными аппаратными компонентами.
Формат предложения языка Ассемблера
Предложения языка Ассемблера описывают команды или псевдокоманды (директивы). Предложения-команды задают машинные команды вычислительной системы; обработка Ассемблером команды приводит к генерации машинного кода. Обработка псевдокоманды не приводит к непосредственной генерации кода, псевдокоманда управляет работой самого Ассемблера. Во всех языках Ассемблеров каждое новое предложение языка начинается с новой строки. В общем случае предложения языка Ассемблера состоят из следующих компонент:
метка или имя;
мнемоника;
операнды;
комментарии.
Метка или имя является необязательным компонентом. Не во всех языках Ассемблеров эти понятия различаются. Если они различаются (например, MASM), то метка - точка программы, на которую передается управление. Однако, физический смысл и метки, и имени - одинаков, это - адрес памяти. Во всех случаях, когда Ассемблер встречает в программе имя или метку, он заменяет ее на адрес той ячейки памяти, к которую имя/метка именует. В языке должны предусматриваться некоторые специальные правила, позволяющие Ассемблеру распознать и выделить метку/имя, например:
метка/имя должна начинаться в 1-й позиции строки, если метки/имени нет, то в 1-й позиции д.б. пробел, или
за меткой/именем должно следовать двоеточие, и т.п.
Мнемоника - символическое обозначение команды/псевдокоманды.
Операнды - один или несколько операндов, обычно разделяемые запятыми. Операндами команд являются имена регистров, непосредственные операнды, адреса памяти.
Комментарии - любой текст, который игнорируется Ассемблером.