Теория информационных систем. Страница 23.

На практике содействие программиста загрузчику состоит в том, что программист старается без необходимости не использовать в адресных полях и в качестве значений адресных регистров произвольные значения (необходимость в этом может возникать при адресации системных структур данных или внешних устройств, расположенных по фиксированным адресам). Вместо этого, программист применяет ассемблерные символы, соответствующие адресам.

Ассемблер при каждой ссылке на такой символ генерирует не только "заготовку" адреса в коде, но и запись в таблице перемещений (relocation table). Эта запись хранит место ссылки на такой символ в коде или данных. Если в ссылке используется только часть адреса, как в командах sethi %10, %hi(addr) процессора SPARC, или move ax, segment addr Процессора 8086, мы запоминаем и этот факт.

В качестве "заготовки" адреса обычно используется смешение адресуемого объекта от начала программы. При настройке программы на реальный адрес загрузки нам, таким образом, необходимо пройти по всем объектам, перечисленным в таблице перемещений, и переместить каждую из ссылок — сформировать из заготовки адрес.

Файл, содержащий таблицу перемещений, гораздо сложнее абсолютного загружаемого модуля и носит название относительного или перемещаемого загрузочного модуля. Именно такой формат имеют ехе-файлы в системе MS DOS (пример 3.5).

Наиболее поучительна в этом отношении система RT-11, в которой существуют загружаемые модули обоих типов. Обычные программы имеют расширение sav, представляют собой абсолютные загружаемые модули и грузятся всегда с адреса 01000. Ниже этого магического адреса находятся векторы прерываний и стек программы. Сама операционная система вместе с драйверами размещается в верхних адресах памяти. Естественно, вы не можете загрузить одновременно два sav-файла.

Однако, если вам обязательно нужно исполнять одновременно две программы, вы можете собрать вторую из них в виде относительного модуля: файла с расширением rel. Такая программа будет загружаться в верхние адреса памяти, каждый раз разные, в зависимости от конфигурации ядра системы, количества загруженных драйверов устройств и других rel-модулей (рис. 3.5).

Впрочем, если уж мы полагаемся на содействие программиста, можно пойти в этом направлении дальше: мы объявляем один или несколько регистров процессора базовыми (несколько регистров могут использоваться для адресации различных сегментов программы, например, один — для кода, другой — для статических данных, третий — для стека) и договариваемся, что значения этих регистров программист принимает как данность и никогда сам не модифицирует, зато все адреса в программе он вычисляет на основе значений этих регистров (рис. 3.6).

В этом случае для перемещения программы нам нужно только изменить значения базовых регистров, и программа даже не узнает, что загружена с Другого адреса. Статически инициализованными указателями в этом случае пользоваться либо невозможно, либо необходимо всегда прибавлять к ним значения базовых регистров.

Именно так происходит загрузка corn-файлов в системе MS DOS. Система вьщеляет свободную память, настраивает для программы базовые регистры DS и CS, которые почему-то называются сегментными, и передает управление на стартовый адрес. Ничего больше делать не надо.

Позиционно-независимый код

За всеми этими разговорами мы чуть было не забыли о третьем способе формирования адреса в программе. Это относительная адресация, когда адрес получается сложением адресного поля команды и адреса самой этой команды — значения счетчика команд. Код, в котором используется только такая адресация, можно загружать с любого адреса без всякой перенастройки. Такой код называется позиционно-независимым (position-independent).

Позиционно-независимые программы очень удобны для загрузки, но, к сожалению, при их написании следует соблюдать довольно жесткие ограничения, накладываемые на используемые в программе методы адресации. Например, нельзя пользоваться статически инициализованными переменными указательного типа, нельзя делать на ассемблере фокусы, вроде того, который был приведен в примере 3.5, и т. д. Возникают сложности при сборке программы из нескольких модулей.

К тому же, на многих процессорах, например, на Intel 8080/8085 или многих современных RISC-процессорах, описанная выше реализация позиционно-независимого кода вообще невозможна, так как эти процессоры не поддерживают соответствующий режим адресации для данных. На процессорах гарвардской архитектуры адресовать данные относительно счетчика команд вообще невозможно — команды находятся в другом адресном пространстве.

Поэтому такой стиль программирования используют только в особых случаях. Например, многие вирусы для MS DOS и драйверы для RT-I1 написаны именно таким образом.

Любопытное наблюдение

В эпоху RT-11 хакеры писали драйверы. Сейчас они пишут вирусы. Еще любопытнее, что для некоторых персональных платформ, например, для Amiga, вирусов почти нет. Хакеры считают более интересным писать игры или демонстрационные программы для Amiga. Похоже, общение с IBM PC порождает у программиста какие-то агрессивные комплексы. Наблюдение это принадлежит не автору: см. [КомпьютерПресс 1993].