Carregadores e Ligadores - DCA

EA869
Carregadores e Ligadores
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Levy Boccato
Introdução
• Demos início nas últimas aulas ao estudo dos softwares de sistema.
• Softwares de Sistema nada mais são do que programas que gerenciam o
hardware de um sistema computacional, definindo quais processos serão
executados pela CPU, como a memória será usada e como um programa será
instalado, além de estabelecer uma interface simples com o usuário.
• O principal software de sistema é o sistema operacional (Ex: Linux,
Windows, iOS, Android, entre outros) e será estudado em disciplinas
posteriores.
• O primeiro tipo de software de sistema estudado foi o montador.
• O Montador é responsável por traduzir um programa em linguagem
Assembly para Linguagem de Máquina. Por vezes, pode carregar
diretamente este programa na memória (Montador Load and Go).
Introdução
• Vamos rever os passos de todo o processo de tradução de um programa
Assembly até seu carregamento completo na memória:
PROGRAMA ASSEMBLY
AND R1, #3
MOV R1 , R2
SUB R2, #3
MUL R3 , R1, R2
LIGADOR /
CARREGADOR
MÓDULO OBJETO
MONTADOR
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
Definem os endereços
adequados, agrupam os
módulos de um programa e
transferem o mesmo para a
memória, dando início à
sua execução
Esquemas de carregamento
MONTAGEM E CARREGAMENTO COMBINADOS
PROGRAMA ASSEMBLY
AND R1, #3
MOV R1 , R2
SUB R2, #3
MUL R3 , R1, R2
MONTADOR
• Neste caso, não há a criação de um módulo objeto.
• Quando o código de máquina é gerado pelo
montador, ele é colocado diretamente na posição de
memória indicada pelo contador de localização.
Assim, ao final da montagem, o programa
executável já está na memória e o montador
simplesmente transfere o controle de execução para
a primeira instrução executável do código de
máquina gerado.
Transfere o programa
para a memória
Esquemas de carregamento
MONTAGEM E CARREGAMENTO COMBINADOS
PROGRAMA ASSEMBLY
AND R1, #3
MOV R1 , R2
SUB R2, #3
MUL R3 , R1, R2
MONTADOR
• Desvantagens:
 Cada execução do programa requer uma
nova montagem (mesmo que não tenha
ocorrido qualquer alteração no código).
O montador e o programa montado
devem obrigatoriamente ocupar a memória
principal (ao mesmo tempo).
Transfere o programa
para a memória
Esquemas de carregamento
CARREGAMENTO ABSOLUTO
PROGRAMA ASSEMBLY
AND R1, #3
MOV R1 , R2
SUB R2, #3
MUL R3 , R1, R2
MÓDULO OBJETO
MONTADOR
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
• Separa-se o processo de montagem do processo de
carregamento e posterior execução do código
gerado.
CARREGADOR
Transfere o programa
para a memória
Esquemas de carregamento
CARREGAMENTO ABSOLUTO
• O montador produz um módulo de carregamento que não precisa ser gerado
novamente a cada execução.
• Além disso, uma vez gerado o módulo de carregamento, o espaço de memória
reservado ao programa montador pode ser liberado durante a execução do
programa montado.
• Tarefas do carregador (absoluto):
 Obter informações de cada registro que é lido – tipo, endereço inicial de
carregamento, quantos bytes deverão ser transferidos e seus conteúdos.
 Transferir o código para as respectivas posições de memória.
 Transferir o controle de execução para o endereço especificado no registro do tipo
END existente no módulo objeto.
Esquemas de carregamento
CARREGAMENTO ABSOLUTO
• Por sua simplicidade, o esquema de montagem e carregamento absolutos não
possui a flexibilidade necessária para uso em sistemas operacionais
“modernos”.
• Limitações:
 O programador deve ter acesso direto a posições de memória, especificando
exatamente em que regiões de memória o programa e os dados serão carregados.
Alternativa: deixar que o software de sistema resolva problemas relacionados ao
posicionamento do código por meio de RELOCAÇÃO.
 Não há suporte para referências a módulos objetos / variáveis globais externas.
Alternativa: registrar no módulo objeto possíveis referências a símbolos
externos, deixando que o processo de LIGAÇÃO resolva estas referências entre os
módulos envolvidos.
Tarefas adicionais
• O arquivo com o código objeto gerado pelo montador contém parte da
informação necessária à execução do programa.
• Porém, para que o mesmo possa efetivamente ser executado, é preciso
que esse código seja transferido para a memória.
• Se o código faz referências a elementos (dados ou rotinas) definidos
externamente ao módulo, é preciso integrar essas referências ao
código executável.
• Tarefas necessárias:
 Ligação: resolver as referências que tenham sido feitas a dados e/ou
rotinas existentes em outros programas.
 Carregamento: transferir o programa do disco para a memória principal,
dando início à sua execução.
Esquemas de carregamento
CARREGAMENTO COM AJUSTES DE REFERÊNCIAS
PROGRAMA ASSEMBLY
AND R1, #3
MOV R1 , R2
SUB R2, #3
MUL R3 , R1, R2
MÓDULO OBJETO
MONTADOR
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
MÓDULO DE CARGA
LIGADOR
- Liga todos os segmentos que
compõem o programa;
- Aloca espaço na memória
suficiente para carregar todos os
segmentos do programa;
- Define o endereço de cada
símbolo (rótulo);
- Ajusta, no código, as referências
a posições de memória.
CARREGADOR
Transfere o programa
para a memória
Módulo Objeto
MÓDULO OBJETO
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
MÓDULO OBJETO
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
Módulo Objeto
• O que é?
- Código gerado pelo montador que possui todas as
informações necessárias para carregar o código na
memória e definir os endereços das variáveis (rótulos).
- Possui 4 tipos de registros:
MÓDULO OBJETO
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
ESD
Dicionário de Símbolos Externos
Contém todos os símbolos definidos dentro desse segmento que podem ser referenciados
por outros segmentos, além de símbolos que são referenciados, mas não definidos no
segmento.
ESD. ‘nome do rótulo’ . tipo .end relativo do simb.comprimento
SD: indica que o rótulo representa um segmento de código;
LD: indica que o rótulo é uma variável do código;
Módulo Objeto
• O que é?
- Código gerado pelo montador que possui todas as
informações necessárias para carregar o código na
memória e definir os endereços das variáveis (rótulos).
- Possui 4 tipos de registros:
MÓDULO OBJETO
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
TXT
Contém o código de máquina e seu endereço relativo.
TXT. end relativo. comprimento. código de máquina
Módulo Objeto
• O que é?
- Código gerado pelo montador que possui todas as
informações necessárias para carregar o código na
memória e definir os endereços das variáveis (rótulos).
- Possui 4 tipos de registros:
MÓDULO OBJETO
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
RLD
Indicam quais posições (relativas) no segmento deverão ter seu conteúdo
ajustado de acordo com os endereços efetivos alocados aos segmentos,
indicando também a partir de qual símbolo o conteúdo deverá ser corrigido.
RLD. end relativo a ser ajustado.comprimento. símbolo usado para ajuste
• Caso o símbolo usado para ajuste esteja definido no próprio
módulo, dizemos que foi feita uma relocação.
• Caso o símbolo usado para ajuste esteja definido em outro
módulo, dizemos que foi feito um ajuste de ligação.
Módulo Objeto
• O que é?
- Código gerado pelo montador que possui todas as
informações necessárias para carregar o código na
memória e definir os endereços das variáveis (rótulos).
- Possui 4 tipos de registros:
MÓDULO OBJETO
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
END
Indica o fim do segmento/módulo. No caso de o segmento ser
aquele que contém a “rotina principal”, este registro também
especifica o endereço de início de execução.
END. endereço de execução
Endereço de execução é o valor que PC irá receber para começar a
executar o programa. Caso o módulo não seja o módulo principal,
este campo estará vazio.
Carregador de Ligação Direta
MÓDULO OBJETO
• O processo de carregamento com ajuste de
referências é executado por um carregador de
ligação direta, o qual faz tanto a ligação quanto o
carregamento do módulo objeto na memória.
ESD.´MAIN´.´SD´.0000.001C
TXT.0C.2.5E00
TXT.0E.4.06000030
RLD.14.4.´MAIN´
END.00
• Todo o processo é executado em dois passos:
Passo 1
•
Aloca espaço em memória, tomando como
base a informação sobre o comprimento de
cada segmento (registros ESD, tipo SD).
Passo 2
•
•
•
Cria a Tabela de Símbolos Globais (GEST)
•
Como?
A partir da leitura dos registros TXT.
Tabela que contém o endereço de todos os rótulos •
•
(símbolos).
A partir da leitura dos registros do tipo ESD.
Realiza o carregamento do código de
máquina na memória – endereço
inicial de carregamento (IPLA).
Como?
Realiza o ajuste do código.
Como?
A partir da leitura dos registros RLD.
•
•
Inicia a execução do código já carregado.
Como?
A partir da leitura dos registros END.
•
Exemplo
•
Ao final do processamento, o montador gerou os seguintes segmentos:
O segmento Main será
carregado, seguido, então,
pelo segmento PGM.
PASSO 1
GEST
SÍMBOLO
END
MAIN
1000
PGM
101C
DIGIT
102C
PASSO 2
•
O IPLA foi definido como 1000.
Posição
00
02
04
06
08
0A
0C
0E
1000
1039
0000
0000
0C00 000A
6D02
5E00
0600
1010
0030
13C0
0000
001A 4E75
0000
3039
0000
1020
000E
33C0
0000
0010 4E75
0000
0000
•
Exemplo
Ao final do processamento, o montador gerou os seguintes segmentos:
PASSO 1
GEST
SÍMBOLO
END
MAIN
1000
PGM
101C
DIGIT
102C
PASSO 2
Posição
00
02
04
06
08
0A
0C
0E
1000
1039
0000
0000
102C
0C00
000A
6D02
5E00
0600
1010
0030
13C0
0000
101A
001A
4E75
0000
3039
0000
1020
102A
000E
33C0
0000
102C
0010
4E75
0000
0000
Ligador
• O programa ligador recebe como entrada os diversos módulos a
conectar, gerando como saída um único módulo de carregamento.
• Desta forma, o carregador recebe o módulo de carga como entrada,
transfere seu código para a memória e faz apenas os ajustes de
relocação de acordo com o endereço base de memória (IPLA).
• A diferença na criação de um módulo objeto preparado para a ligação
é que o endereço inicial de carga é considerado como sendo 0.
 Todos os endereços passam a ser relativos ao início do módulo de carga.
 A informação para realizar os ajustes de relocação está presente no final
do módulo de carregamento e indica quais posições de memória
precisam ser atualizadas após alocação .
Bibliotecas
• Conforme vimos no capítulo de subrotinas, um programa pode solicitar
diversas rotinas de serviço durante a sua execução.
• Estas rotinas de serviço ajudam a enxugar o código já que evitam que o
programador fique repetindo uma mesma parte do código diversas vezes.
• Muitas dessas rotinas de serviço podem ser utilizadas por programas
diferentes já que, muitas vezes, são rotinas de uso comum que fazem
operações elementares: funções de E/S, operações matemáticas, entre
outras.
• Desta forma, os sistemas operacionais possuem bibliotecas que contém
estas rotinas de serviço já em forma de módulo objeto, eliminando a
necessidade de montá-las.
• A leitura destes módulos objetos podem se dar em dois momentos:
Windows
Biblioteca DLL
(Dynamic Link Library)
- O módulo objeto é lido e as referências
dos símbolos são todas definidas em
tempo de carregamento (antes da
execução).
Linux
Biblioteca ELF
(Executable and Linkable Format)
- O módulo objeto só é lido se
durante a execução seus símbolos
forem referenciados (tempo de
execução).
Bibliotecas
Carregamento e ligação dinâmicos:
• Em tempo de carregamento: Solução DLL
 Quando o módulo de carga primário é carregado, todas as
referências a módulos externos devem ser resolvidas.
 Se o módulo externo já está na memória, o mesmo endereço é utilizado.
Caso contrário, ele é carregado e seu endereço é definido.
 Se algum módulo externo não for localizado, a execução é abortada.
• Em tempo de execução: Solução ELF
 Execução tem início com o módulo de carga primário ainda sem a resolução
das referências externas.
 Apenas quando a referência externa for efetivamente necessária é que o
sistema faz a resolução.
 Se o módulo referenciado já está na memória, o mesmo endereço é
utilizado. Caso contrário, ele é carregado e seu endereço, uma vez definido,
é utilizado na referência.
 Porém, se a referência externa não é feita (e.g., porque houve um desvio no
programa que evitou tal referência), o módulo externo correspondente nem
precisa ser carregado.
 Eventualmente, a aplicação pode executar sem a instalação da biblioteca
dinâmica correspondente.
Conclusões
•
O objetivo da disciplina EA869 foi apresentar como se organizam os sistemas de computação
digital.
•
Após uma contextualização histórica, começamos nosso estudo analisando os possíveis
problemas que um computador pode ou não pode resolver.
•
Estudamos a natureza de um problema, sua computabilidade e complexidade.
•
Em seguida começamos a conhecer como um computador se organiza. Criamos duas arquiteturas e
as diferenciamos conforme sua forma de controle: RISC ou CISC.
•
Definidas as arquiteturas, vimos como as instruções podem ser executadas de forma eficiente
(pipeline) e como códigos podem ser escritos de forma mais enxuta (subrotinas).
•
Seguimos estudando como o processador trata sinais externos – as interrupções – e como se
comunica com dispositivos de entrada e saída (periféricos).
•
Por fim, estudamos os softwares de sistema, os quais são responsáveis por gerenciar o hardware
de um sistema computacional.
•
Falamos brevemente sobre os sistemas operacionais e vimos como um código em Assembly é
traduzido em linguagem de máquina por um montador e instalado na memória com auxílio do
ligador e do carregador.
•
Toda esta teoria foi ilustrada na prática com o uso de um simulador do processador ARM.
•
A última aula desta disciplina se dará no laboratório de computação digital e terá como objetivo
prepará-los para a disciplina de EA871, além de vermos na prática como se programa um
processador ARM.
Fim