Загрузчики и отладчики. Функции загрузчика

Большинство объектных модулей в современных системах программирования строятся на основе так называемых относительных адресов. Компилятор, порож­дающий объектные файлы, а затем и компоновщик, объединяющий их в единое целое, не могут знать точно, в какой реальной области памяти компьютера будет располагаться программа в момент ее выполнения. Поэтому они работают не с реальными адресами ячеек ОЗУ, а с некоторыми относительными адресами. Та­кие адреса отсчитываются от некоторой условной точки, принятой за начало области памяти, занимаемой результирующей программой (обычно это точка начала первого модуля программы).

Конечно, ни одна программа не может быть исполнена в этих относительных адресах. Поэтому требуется модуль, который бы выполнял преобразование отно­сительных адресов в реальные (абсолютные) адреса непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Этот процесс называется трансляцией адре­сов и выполняет его специальный модуль, называемый загрузчиком. Однако загрузчик не всегда является составной частью системы программирова­ния, поскольку выполняемые им функции очень зависят от архитектуры целе­вой вычислительной системы, в которой выполняется результирующая программа, созданная системой программирования. На первых этапах развития ОС загруз­чики существовали в виде отдельных модулей, которые выполняли трансляцию адресов и готовили программу к выполнению — создавали так называемый «об­раз задачи». Такая схема была характерна для многих ОС (например, для ОСРВ на ЭВМ типа СМ-1, ОС RSX/11 или RAFOS на ЭВМ типа СМ-4 и т. п.). Образ задачи можно было сохранить на внешнем носителе или же создавать его вновь всякий раз при подготовке программы к выполнению.

С развитием архитектуры вычислительных средств компьютера появилась воз­можность выполнять трансляцию адресов непосредственно в момент запуска про­граммы на выполнение. Для этого потребовалось в состав исполняемого файла включить соответствующую таблицу, содержащую перечень ссылок на адреса, которые необходимо подвергнуть трансляции. В момент запуска используемого файла ОС обрабатывала эту таблицу и преобразовывала относительные адреса в абсолютные. Такая схема, например, характерна для ОС типа MS-DOS, кото­рые широко распространены в среде персональных компьютеров. В этой схеме модуль загрузчика как таковой отсутствует (фактически он входит в состав ОС), а система программирования ответственна только за подготовку таблицы транс­ляции адресов — эту функцию выполняет компоновщик.

В современных ОС существуют сложные методы преобразования адресов, ко­торые работают непосредственно уже во время выполнения программы. Эти ме­тоды основаны на возможностях, аппаратно заложенных в архитектуру вычис­лительных комплексов. Методы трансляции адресов могут быть основаны на сегментной, страничной и сегментно-страничной организации памяти (все эти методы рассмотрены в первой части данного пособия). Тогда для выполнения трансляции адресов в момент запуска программы должны быть подготовлены соответствующие системные таблицы. Эти функции целиком ложатся на моду­ли ОС, поэтому они не выполняются в системах программирования. Еще одним модулем системы программирования, функции которого тесно связа­ны с выполнением программы, является отладчик.

Отладчик — это программный модуль, который позволяет выполнить основные задачи, связанные с мониторингом процесса выполнения результирующей при­кладной программы. Этот процесс называется отладкой и включает в себя сле­дующие основные возможности:

· последовательное пошаговое выполнение результирующей программы на ос­нове шагов по машинным командам или по операторам входного языка;

· выполнение результирующей программы до достижения ею одной из задан­ных точек останова (адресов останова);

§ выполнение результирующей программы до наступления некоторых заданных условий, связанных с данными и адресами, обрабатываемыми этой програм­мой;

§ просмотр содержимого областей памяти, занятых командами или данными результирующей программы.

Первоначально отладчики представляли собой отдельные программные модули, которые могли обрабатывать результирующую программу втерминах языка ма­шинных команд. Их возможности в основном сводились к моделированию вы­полнения результирующих программ в архитектуре соответствующей вычисли­тельной системы. Выполнение могло идти непрерывно либо по шагам. Дальнейшее развитие отладчиков связано со следующими принципиальными моментами:

· появлением интегрированных сред разработки;

· появление возможностей аппаратной поддержки средств отладки во многих вычислительных системах.

Первый из этих шагов дал возможность разработчикам программ работать не в терминах машинных команд, а в терминах исходного языка программирования, что значительно сократило, трудозатраты на отладку программного обеспечения.

При этом отладчики перестали быть отдельными модулями и стали интегрированной частью систем программирования, поскольку они должны были теперь поддерживать работу с таблицами идентификаторов (см. раздел «Табли­цы идентификаторов. Организация таблиц идентификаторов», глава 15) и вы­полнять задачу, обратную идентификации лексических единиц языка (см. раздел «Семантический анализ и подготовка к генерации кода», глава 14). Это связано с тем, что в такой среде отладка программы идет в терминах имен, данных поль­зователем, а не в терминах внутренних имен, присвоенных компилятором. Со­ответствующие изменения потребовались также в функциях компиляторов и компоновщиков, поскольку они должны были включать таблицу имен в состав объектных и исполняемых файлов для ее обработки отладчиком.

Второй шаг позволил значительно расширить возможности средств отладки. Теперь для них не требовалось моделировать работу и архитектуру соответст­вующей вычислительной системы. Выполнение результирующей программы в режиме отладки стало возможным в той же среде, что и в обычном режиме. В за­дачу отладчика входили только функции перевода вычислительной системы в соответствующий режим перед запуском результирующей программы на отлад­ку. Во многом эти функции являются приоритетными, поскольку зачастую тре­буют установки системных таблиц и флагов процессора вычислительной систе­мы (мы рассмотрели большую часть этих вопросов в первой части данного учебного пособия).

Отладчики в современных системах программирования представляют собой модули с развитым интерфейсом пользователя, работающие непосредственно с текстом и модулями исходной программы. Многие их функции интегрированы с функциями текстовых редакторов исходных текстов, входящих в состав систем программирования.