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Cargadores y Ligadores

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  1. Opciones del cargador
  2. Programas de superposiciones
  3. Opciones de diseño del cargador
  4. Editores de ligado
  5. Ligado dinámico
  6. Cargadores de arranque
  7. Ejemplos de cargadores y ligadores reales
  8. Ligador del sistema vax
  9. Cargador de cyber

1. Opciones del cargador

Muchos cargadores permiten al usuario especificar opciones que modificar el procesamiento estándar descrito. Muchos cargadores tienen un lenguaje especial de mandatos que se utiliza para especificar opciones. Algunas veces existe un archivo independiente de entrada al cargador que contiene esas proposiciones de control. En ocasiones esas mismas proposiciones también pueden estar intercaladas en el flujo primario de entrada entre los programas objeto. En ciertos sistemas el programador puede incluso introducir proposiciones de control del cargador en el programa fuente, y el ensamblador o el compilador retienen esos mandatos como parte del programa objeto.

Una opción típica del cargador permite la selección de fuentes alternativas de entrada, por ejemplo el mandato INCLUDE, puede indicar al cargador que lea el programa objeto designado en una biblioteca y que lo trate como si fuera parte de la entrada primaria del cargador. Otros mandatos permiten al usuario eliminar símbolos externos o secciones de control completas. También es posible cambiar referencias externas dentro del programa que se está cargando y ligando. Por ejemplo, el mandato DELETE, puede indicar al cargador que elimine la sección de control nombrada del conjunto de programas que se está cargando. El mandato CHANGE puede hacer que el símbolo externo nombre1 se cambie a nombre2 siempre que aparezca en los programas objeto. Otra opción común para el cargador implica la inclusión automática de rutinas de biblioteca para satisfacer referencias externas. La mayoría de los cargadores permiten al usuario especificar bibliotecas alternativas para búsqueda, por medio de una proposición del tipo LIBRARY MILIB. Suele buscar en esas bibliotecas especificadas por el usuario antes que en las bibliotecas estándar del sistema. Esto permite al usuario utilizar versiones especiales de esas rutinas estándar.

Los cargadores que realizan la búsqueda automática en bibliotecas para satisfacer referencias externas, a menudo permiten al usuario especificar que no se resuelvan de esa forma algunas referencias. Si se sabe que el análisis estadístico no se va a realizar en una ejecución determinada de este programa, el usuario puede incluir un mandato como NOCALL DEVSTD,PLOT,CORREL para indicar al cargador que no se resuelvan esas referencias externas, evitando así el trabajo extra de cargar y ligar rutinas innecesarias, con el consiguiente ahorro del espacio de memoria que se requeriría.

También se puede especificar que no se resuelva ninguna referencia externa por búsqueda en biblioteca, aunque eso daría como resultado un error si el programa intenta hacer esa referencia externa durante la ejecución. Esta opción es más útil cuando se van a ligar programas, pero no se van a ejecutar de inmediato. En tales casos suele ser conveniente posponer la resolución de referencias externas.

Los cargadores a menudo incluyen otras opciones. Una de las tales opciones es la posibilidad de especificar la localidad donde se inicia la ejecución. Otra es la posibilidad de controlar si el cargador debe intentar o no la ejecución del programa si se detectaran errores durante la carga.

2. Programas de superposiciones

Muchos sistemas que manejan programas de superposición requieren que este proceso sea una estructura de árbol, los nodos de la estructura se denominan segmentos: el segmento raíz se carga cuando comienza la ejecución del programa, y permanece en la memoria hasta que termina el programa. Los otros segmentos se cargan a medida que se llaman.

Puesto que los segmentos del mismo nivel sólo pueden ser llamados desde el nivel superior, no se pueden requerir al mismo tiempo, de modo que se pueden asignar a las mismas localidades de la memoria. Si se carga un segmento debido a una transferencia de control, se superpone a cualquier segmento del mismo nivel que puede estar en memoria. De esta forma, se puede ejecutar todo el programa en una cantidad total menor de memoria, que es la razón principal de utilizar estructuras de superposiciones. En el resto de esta sección se examina con más detalle del proceso de superposiciones por el cargador.

El cargador puede asignar una dirección real o inicial a todos los segmentos del programa de superposiciones una vez que se dispone de la dirección inicial de carga, con lo que se conocen las direcciones para todos los símbolos externos. Esto significa que todas las operaciones de relocalización y ligado se pueden realizar de la forma usual, con una excepción: la transferencia de control del padre a un segmento debe admitir la posibilidad de que el segmento llamado no esté en la memoria. El segmento raíz puede cargarse directamente en la memoria; los otros segmentos se escriben en un archivo de trabajo especial ARCHSEG creado por el cargador.

El proceso de superposiciones en si, esto es, la carga de un segmento cuando se le transfiere el control, se puede manejar de varias formas distintas.

3. Opciones de diseño del cargador

Los cargadores ligadores realizan el ligado y la relocalización en el momento de la carga. Se analizan dos opciones: los editores de ligado, que realizan el ligado antes del momento de la carga, y el ligado dinámico, en el cual la función de ligado se realiza en el momento de la ejecución.

Un editor de ligado realiza el ligado y algo de relocalización; sin embargo, el programa ligado se escribe en un archivo o biblioteca, en lugar de cargarse inmediatamente en la memoria. Este enfoque reduce las operaciones adicionales al ejecutar el programa. Lo único que se necesita en el momento de la carga es una forma muy simple de relocalización.

El ligado dinámico, que utilizan los dispositivos del sistema operativo para cargar subprogramas en el momento en que se llaman por primera vez. Al retardar el proceso de ligado de esta forma, se puede lograr flexibilidad adicional. Sin embargo, este enfoque suele implicar más operaciones que el del cargador ligador.

Los cargadores de arranque que se pueden utilizar para ejecutar programas autónomos, independientes del sistema operativo o del cargador del sistema. También se pueden utilizar para cargar el sistema operativo o el cargador mismo en la memoria.

4. Editores de ligado

La diferencia fundamental entre un editor de ligado y un cargador ligador es: Primero se ensambla o compila el programa fuente, produciendo un programa objeto (que puede contener varias secciones de control diferentes). Un cargador ligador realiza todas las operaciones de ligado y relocalización, incluyendo búsqueda automática en bibliotecas, si se específica, y carga el programa ligado directamente en la memoria para su ejecución. Por otro lado, un editor de ligado produce una versión ligada del programa (llamada a menudo módulo de carga o imagen ejecutable), que se escribe en un archivo o biblioteca para su ejecución posterior.

Cuando el usuario está listo para ejecutar el programa ligado, se puede utilizar un cargador relocalizador simple para cargar el programa en la memoria. La única modificación necesaria al código objeto es la suma de una dirección de carga real a los valores relativos del programa. El editor de ligado realiza la relocalización de todas las secciones de control relativas al inicio del programa ligado. De esta forma, todos los elementos que necesitan modificarse en el momento de la carga tienen valores relativos al inicio del programa ligado; esto significa que el cargado se puede realizar en un paso, sin necesidad de una tabla de símbolos externos, lo que, a su vez, supone muchas menos operaciones que la utilización de un cargador ligador.

Si un programa se va a ejecutar muchas veces sin ser reensamblado, el uso del editor de ligado reduce de manera considerable la sobrecarga requerida. La resolución de referencias externas y la búsqueda en biblioteca se realizan una sola vez (cuando el programa está ligado). Por el contrario, un cargador ligador busca en bibliotecas y resuelve referencias externas cada vez que se ejecuta el programa.

Sin embargo, algunas veces un programa se reensambla en casi todas las ejecuciones. Esta situación puede presentarse en un ambiente de desarrollo y prueba de programas (por ejemplo, programas de estudiantes). También se presenta cuando un programa se usa tan poco que no tiene objeto almacenar una versión ensamblada en una biblioteca. En tales casos, es más eficiente usar un cargador ligador, que evita los pasos de escribir y leer el programa ligado.

El programa ligado producido por el editor de ligado generalmente está en forma adecuada para ser procesado por el cargador relocalizador. Se resuelven todas las referencias externas, y se indica la relocalización con algún mecanismo, como registros de modificación o máscaras de bits. Aunque se haya realizado todo el ligado, a menudo se retiene la información concerniente a las referencias externas en el programa ligado. Esto permite religar posteriormente el programa para reemplazar secciones de control, modificar referencias externas, etc. Si no se conserva esta información; el editor de ligado no puede reprocesar el programa de ligado; sólo puede cargarlo y ejecutarlo.

Si se conoce de antemano la dirección real en la que se cargará el programa, el editor de ligado puede realizar toda la relocalización necesaria. El resultado es un programa ligado que es la imagen exacta de la forma en que aparecerá el programa en la memoria durante la ejecución; el contenido y procesamiento de esa imagen son iguales que para un programa objeto absoluto. Sin embargo, la flexibilidad adicional de poder cargar un programa en cualquier localidad suele compensar la ligera sobrecarga adicional que supone realizar la relocalización en el momento de la carga.

Los editores de ligado pueden realizar varias funciones útiles, además de la simple preparación de un programa objeto para su ejecución.

Los editores de ligado también se pueden utilizar para construir paquetes de subrutinas u otras secciones de control que se suelen utilizar juntas. Esto puede ser útil al tratar con bibliotecas de subrutinas que manejan lenguajes de programación de alto nivel. A veces permiten al usuario especificar que las referencias externas no se resuelvan por búsqueda automática en biblioteca. A menudo incluyen otras opciones y mandatos como los analizados para los cargadores ligadores. Comparados con los cargadores ligadores, los editores de ligado en general tienden a ofrecer mayor flexibilidad y control, con el correspondiente incremento en complejidad y sobrecarga.

5. Ligado dinámico

El ligado dinámico ofrece algunas ventajas sobre los otros tipos de ligado. Proporciona la posibilidad de cargar las rutinas sólo cuando y si se necesitan. SI las subrutinas son grandes o tienen muchas referencias externas, se pueden conseguir ahorros considerables de tiempo y espacio de memoria.

De forma similar, supóngase que en cualquier ejecución un programa usa sólo pocas de una gran cantidad de subrutinas posibles, pero el número exacto de rutinas necesarias no puede predecirse hasta que el programa examina su entrada. Esta situación podría presentarse, con un programa que permita al usuario llamar interactivamente a cualquiera de las subrutinas de una gran biblioteca matemática y estadística. El usuario podría suministrar la entrada de datos desde un terminal de tiempo compartido, y los resultados podrían exhibirse en el terminal. En este caso podrían ser necesarias todas las subrutinas de la biblioteca, pero en cualquier sesión de terminal solo se usarían unas cuantas. El ligado dinámico evita la necesidad de cargar la biblioteca completa para cada ejecución. El ligado dinámico puede incluso hacer innecesario que el programa conozca el conjunto de subrutinas que se podría utilizar. El nombre de la subrutina se trataría simplemente como otro elemento de entrada.

Para realizar la carga de ligado de una subrutina llamada se puede utilizar varios mecanismos distintos. En el método que se analiza aquí, las rutinas que se carguen dinámicamente deben llamarse por medio de una solicitud de servicio al sistema operativo. Este método también podría considerarse como una solicitud a una parte del cargador que se mantiene en la memoria durante la ejecución del programa.

Cuando se utiliza ligado dinámico, la asociación de una dirección real y el nombre simbólico de la rutina llamada no se hace hasta que se ejecuta la proposición llamada.

6. Cargadores de arranque

Con la máquina vacía e inactiva, no hay necesidad de hacer relocalización de programas, tan solo se puede especificar la dirección absoluta del programa que se cargue en primer lugar. En la mayoría de los casos, este programa es el sistema operativo, que ocupa un lugar predefinido en la memoria. Esto significa que se necesitan algunos medios para realizar las funciones de un cargador absoluto. Una opción es que el operador introduzca en la memoria el código objeto de un cargador absoluto, utilizando los interruptores en la consola del computador. Algunos computadores requerían que el operador hiciera exactamente eso. Sin embargo, este proceso es demasiado incómodo y propenso a errores para ser una buena solución del problema.

Otra posibilidad es que el programa del cargador absoluto resida permanentemente en una memoria sólo de lectura (ROM). Cuando se produce una señal de hardware, la máquina empieza a ejecutar este programa de la ROM. En algunos computadores, el programa se ejecuta directamente en la ROM; en otros, el programa se copia de la ROM a la memoria principal y se ejecuta allí. Sin embargo, algunas máquinas no tienen ese almacenamiento sólo de lectura. Además, puede no ser conveniente cambiar un programa en ROM si es necesario hacer modificaciones en el cargador absoluto.

Una solución inmediata es tener una función de hardware incorporada que lea un registro de longitud fija de algún dispositivo en una localidad fija de la memoria; el dispositivo que se utilice puede seleccionarse mediante interruptores de la consola. Una vez completa la operación de lectura, el control se pasa automáticamente a la dirección de la memoria donde se almacenó el registro. Este registro contiene instrucciones de máquina que cargan el programa absoluto que sigue.

Si el proceso de carga requiere más instrucciones de las que pueden leerse en un solo registro, el primer registro causa la lectura de otros y estos, a su vez, pueden originar la lectura aún de mas registros; de ahí el término arranque. El primer registro suele denominarse cargador de arranque, y se coloca al inicio de todos los programas objeto que se van a cargar en un sistema vacío o inactivo. Esto incluye, por ejemplo, al propio sistema operativo y a todos los programas independientes que se ejecutan sin sistema operativo.

7. Ejemplos de cargadores y ligadores reales

Editor de ligado del sistema/370.

El formato de los programas objeto manejado por el editor de ligado del Sistema/370 es muy parecido al analizado para SIC/XE. La técnica de referencia a un número, se usa para mejorar la eficiencia. El programa de salida del editor de ligado se llama módulo de carga, y puede cargarse en la memoria para su ejecución, y suele contener suficiente información para permitir que el editor de ligado los reprocese. El usuario tiene la posibilidad de especificar que un módulo de carga sea "no editable", en cuyo caso puede omitirse gran parte de la información de control, para producir un módulo de carga más pequeño.

El editor de ligado del Sistema 370 puede realizar todas las funciones estándar analizadas, las secciones de control pueden ser eliminadas, reemplazadas o reordenadas. Los símbolos utilizados en referencias externas se pueden cambiar o eliminar. Para facilitar la edición, el editor de ligado se encarga del reemplazo automático de secciones de control. Si se están procesando dos o más secciones de control que tienen el mismo nombre, solo se incluye la primera en el módulo de carga; las otras se eliminan sin ser consideradas como errores. El editor de ligado busca automáticamente en las bibliotecas del sistema o en las especificadas por el usuario para resolver referencias externas. Sin embargo, el usuario puede suprimir la búsqueda de algunas o de todas las referencias externas.

El editor de ligado también almacena otro tipo de información con el módulo de carga, que incluye el traductor de lenguaje empleada para cada sección de control y la fecha de ensamblado o compilación. El editor de ligado también proporciona fechas de edición y modificación para mantener una historia del procesamiento. Cuando se coloca un módulo de carga en una biblioteca, el editor de ligado hace una entrada en el directoria de esa biblioteca que especifica si el módulo puede ser reprocesado por el editor de ligado, si es un programa de superposiciones, si es reutilizable o compartible, y muchos otros atributos, algunos de estos los especifica el usuario, y otros son generados por el editor de ligado a partir de la información reunida durante el procesamiento.

Los programas superposiciones del Sistema/370 se pueden dividir en varias regiones para mejorar la utilización del almacenamiento. Cada región contiene una superposición con estructura de árbol; dentro de una región, se aplican las reglas usuales de referencias entre segmentos; sin embargo, las regiones son independientes entre si. Un segmento de una región es libre de llamar a cualquier segmento de otra región.

La mayoría de los sistemas 370 disponen de un cargador ligador, así como de un editor de ligado. El cargador ofrece menos opciones y posibilidades que las que presenta el editor de ligado. Por ejemplo, el cargador no maneja programas de superposiciones ni produce módulos de carga para almacenarlos en una biblioteca de programas. Sin embargo, debido a su poca complejidad, y como evita la creación de un módulo de carga, el cargador puede reducir el tiempo de edición y carga casi la mitad. Su no se necesitan las funciones especializadas del editor de ligado, por razones de eficiencia se recomienda utilizar el cargador.

8. Ligador del sistema vax

El ligador VAX es un editor de ligado que realiza las mismas funciones básicas alcanzadas con anterioridad. La acción del ligador en la creación de las secciones de imagen está controlada por el ensamblador o compilador por medio de una secuencia de mandatos que forman parte del programa objeto. El ligador usa una pila interna como almacenamiento de trabajo. Los mandatos del programa objeto pueden especificar el apilamiento de valores a partir de diversas fuentes, guardar valores de la pila en la imagen que se está creando y realizar operaciones con valores de pila. El lenguaje de mandatos ofrece una gran diversidad de posibilidades: hay mas de 50 códigos de mandatos posibles.

El ligador VAX puede generar tres tipos de imágenes. Una imagen ejecutable es aquella adecuada para la carga y ejecución; sin embargo, el ligador no puede reprocesar este tipo de imagen. Una imagen compartible no es ejecutable, pero el ligador puede reprocesarla, y se puede utilizar, por ejemplo, como etapa intermedia en el ligado de un programa muy grande. Las imágenes compartibles también hace posible que diferentes programas compartan la misma copia de ciertas instrucciones o área de datos. En el disco, o cargada en la memoria, sólo se mantiene una copia de la imagen compartible. Esta copia es compartida por todos los programas de aplicación que la requieren. De esta forma, el uso de imágenes compartibles puede dar como resultado ahorros de memoria, espacio en disco y paginación E/S.

El tercer tipo de imagen que puede crear el ligado es una imagen de sistema, concebida para ser ejecutada directamente en la máquina VAX, sin los servicios del sistema operativo. Este tipo de imagen solo se utiliza en circunstancias especiales. La estructura y contenido de una imagen de sistema son más sencillo que en cualquiera de los otros dos tipos.

El ligador de VAX realiza las funciones usuales de ligado y relocalización. Además, hace parte del trabajo que en otros sistemas realizan el ensamblador o el compilador.

El ligador de VAX no utiliza programas de superposiciones, debido en parte a la gran memoria virtual que dispone VAX. Los diseñadores del sistema consideraron que el tamaño de esta memoria virtual, junto con los algoritmos para la administración de la memoria, hacían innecesaria la utilización de las superposiciones.

9. Cargador de cyber

Los programas CYBER suelen contener mucho más valores relocalizables que los programas de VAX o del sistema /370.

Una palabra de CYBER puede contener más de una instrucción, por lo que no es posible usar un solo bit de relocalización por palabra. A causa de que en CYBER sólo las instrucciones de 30 bits pueden contener direcciones de memoria, existen cinco posibles de valores relocalizables dentro de una palabra.

  1. Sin relocalización.
  2. Valor relocalizable sólo en la mitad superior de la palabra.
  3. Valor relocalizable sólo en la mitad inferior de la palabra.
  4. Valores relocalizables en las mitades superior e inferior de la palabra.
  5. Valor relocalizable en la mitad de los 30 bits de la palabra.

Cuando se usa la técnica de la máscara de bits, hay un campo de cuatro bits asociado a cada palabra de código objeto. Esos cuatro bits se utilizan para codificar las posibles antes listadas, y también para especificar si la dirección base del programa se suma o resta a cada valor relocalizable.

El cargador de CYBER puede utilizar programas de superposiciones de un tipo más restringido que el descrito. Una estructura de superposiciones está limitada a un máximo de tres niveles. Cada segmento está identificado por un par ordenado de enteros, y un segmento solamente puede tener un punto de entrada.

Cada segmento, excepto el raíz, debe cargarse por medio de una solicitud explicita; no existe la carga automática de segmentos. El programa de aplicación puede solicitar la carga de un segmento por medio de una llamada de servicio al sistema operativo. Como alternativa, en el segmento raíz puede haber un pequeño cargador residente para manejar el proceso de superposición.

Hay también una opción más poderosa que las superposiciones: la segmentación. Un programa segmentado también usa una estructura de árbol; sin embargo, puede haber más de tres niveles, y cada segmento puede tener varios puntos de entrada.

Palabras claves:

Opciones del cargador, programas de superposiciones, opciones de diseño del cargador, editores de ligado, Ligado dinámico, Cargadores de arranque, ejemplos de cargadores y ligadores,

 

 

 

Trabajo enviado y realizado por:

Leopoldo de la Fuente Silva

Estudiante del Instituto Tecnológico de Cd. Victoria



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