Cargadores y ligadores

INDICE
Pág.
Introducción 2
Cargadores y Ligadores 3
Funciones Básicas del Cargador 3
Características del Cargador Dependientes de la Maquina 5
Relocalización 5
Tablas y Lógica de un Cargador Ligador 6
Características del Cargador Independientes de la Maquina 7
Búsqueda Automática en Biblioteca 7
Opciones del Cargador 7
Programas de Superposiciones 8
Opciones de Diseño del Cargador 9
Editores de Ligado 9
Ligado Dinámico 9
Cargadores de Arranque 10
Ejemplos de Cargadores y Ligadores Reales 11
Editor de Ligado del Sistema/370 11
Ligador del Sistema VAX 11
Cargador del CYBER 12
Anexos 13
Conclusiones 22
Bibliografía 23
INTRODUCCION
En el trabajo que se presenta a continuación damos las definiciones de cargadores y ligadores, también
hacemos referencia a las funciones básicas, características y opciones de diseño de estos programas del
1
sistema; además agregamos algunos ejemplos de cargadores y ligadores reales así como en la parte de anexos
incluimos las tablas, códigos y diagramas sobre los que hacemos referencia.
CARGADORES Y LIGADORES
Un programa objeto contiene instrucciones traducidas y valores de datos del programa fuente, y especifica
direcciones en memoria donde se cargarán estos elementos.
Un cargador es un programa del sistema que realiza la función de carga (llevar el programa objeto a la
memoria para su ejecución). Algunos sistemas tienen un ligador o editor de ligado (combina dos o más
programas objeto independientes y proporciona la información necesaria para realizar referencias entre ellos)
para realizar las operaciones de enlace, y un cargador separado para manejar la relocalización (modificar el
programa objeto de forma que puede cargarse en una dirección diferente de la localidad especificada
originalmente) y la carga. En la mayoría de los casos todos los traductores de programas (esto es,
ensambladores y compiladores) de un sistema en particular producen programas objeto en el mismo formato,
de esta forma puede usarse el cargador o ligador del sistema con independencia del lenguaje de programación
fuente original.
FUNCIONES BÁSICAS DEL CARGADOR
Las funciones más importantes del cargador son colocar un programa objeto en la memoria e iniciar su
ejecución. Se considera un cargador absoluto que podría ser utilizado como el tipo de ensamblador. En la
figura 3.1(a) se muestra un ejemplo del programa objeto de dicho ensamblador.
Como este cargador no necesita realizar las funciones de ligado y relocalización de programas, su operación
es muy simple, pues todas las funciones se realizan en un solo paso. Se revisa el registro de encabezamiento
para comprobar si se ha presentado el programa correcto para la carga (y que tendrá cabida en la memoria
disponible). A medida que se lee cada registro de texto, el código objeto que contiene pasa a la dirección de
memoria indicada. Cuando se encuentra el registro de fin, el cargador salta a la dirección especificada para
iniciar la ejecución del programa cargado. En la figura 3.1(b) se muestra una representación del programa de
la figura 3.1(a) después de la carga. El contenido de las localidades de memoria para las cuales no hay registro
de texto se representa por xxxx. Esto indica que el contenido previo de esas localidades no se altera.
En la figura 3.2 se muestra un algoritmo para la lógica del cargador sencillo analizado. Aunque este proceso
es muy simple, hay un aspecto que merece ser comentado. En el programa objeto de ejemplo los bytes de
código ensamblado se expresan en representación hexadecimal en forma de caracteres. Por ejemplo, el código
de operación de máquina para una instrucción STL se representaría por el par de caracteres 14. Así durante la
carga, cada pareja de bytes del registro del programa objeto debe empaquetarse en un byte. Es muy importante
tener en cuenta que en la figura 3.1(a), cada carácter impreso representa un byte del registro del programa
objeto. Por otra parte en la figura 3.1(b), cada carácter impreso representa un digito hexadecimal de la
memoria (esto es, medio byte).
Este método de representar un programa objeto es eficiente desde el punto de vista del espacio y el tiempo de
ejecución por lo que la mayoría de las máquinas almacenan los programas objeto en forma binaria
almacenándose cada byte en el programa objeto. Lógicamente, con este tipo de representación un byte puede
contener cualquier valor binario. Hay que estar seguro de que las convenciones de archivo y dispositivos no
hacen que algunos bytes del programa objeto sean interpretados como caracteres de control, en la que se
indica el final de un registro con un byte que contiene un 00 hexadecimal, es inapropiada para usar con un
programa objeto binario.
CARACTERÍSTICAS DEL CARGADOR DEPENDIENTES DE LA MAQUINA
2
El cargador absoluto es simple y eficiente; sin embargo, este esquema tiene varias desventajas potenciales.
Una de las más obvias es que el programador necesita especificar (al ensamblar el programa) la dirección real
en la que se cargará la memoria. Si se trata de un computador muy sencillo con poca memoria, esto no crea
muchas dificultades, ya que solo hay espacio para ejecutar un programa a la vez. En maquinas mas grandes y
avanzadas, la situación no es tan fácil porque a menudo se quieren ejecutar a la vez varios programas
independientes compartiendo la memoria.
En esta sección se consideran el diseño e implantación de un cargador más complejo. Este cargador se encarga
de la relocalización y ligado del programa, además de las funciones básicas. La necesidad de relocalizar los
programas es una consecuencia directa del cambio a computadores mas grandes y potentes. La forma de
efectuar la relocalización en un cargador también depende de las características de la maquina.
Relocalización
Los cargadores que permiten la relocalización de programas se denominan cargadores relocalizadores o
relativos.
El primer método se utiliza un registro de modificación para describir cada parte del código objeto que se ha
de cambiar al relocalizar el programa. En la Fig. 3.3 se muestra un programa SIC/XE que se emplea para
ilustrar este primer método de especificación de la relocalización. La mayoría de las instrucciones de este
programa manejan direccionamiento relativo o inmediato. Las únicas partes del programa ensamblado que
contienen direcciones reales son las instrucciones con formato extendido de las líneas 15, 35 y 65.
En la Fig. 3.4 se muestra el código objeto correspondiente al código fuente de la Fig. 3.3. Obsérvese que hay
un registro de modificación para cada valor que se ha de cambiar durante la relocalización (en este caso, 15,
35 y 65). Cada registro de modificación especifica la dirección inicial y la longitud del campo cuyo valor se
va alterar y después describe la modificación a realizar. En este Ejemplo, todas las modificaciones suman el
valor del símbolo COPY, que representa la dirección inicial del programa.
Algunos computadores proporcionan una posibilidad de relocalización por hardware que elimina en parte la
necesidad de que el cargador efectúe la relocalización de programas.
Tablas y Lógica de un Cargador Ligador
El algoritmo de un cargador ligador es mucho más complicado que el del cargador absoluto. La entrada de
este cargador consta de un conjunto de programas objeto que se van a ligar. Una sección de control puede
hacer una referencia externa a un símbolo cuya definición aparece mas adelante en este flujo de entrada. En
ese caso, la operación de ligado requerida no se puede realizar hasta haber asignado una dirección al símbolo
externo implicado. Así pues, un cargador ligador suele dar dos pasos sobre su entrada, al igual que hace un
ensamblador. El paso 1 asigna direcciones a todos los símbolos externos, y el paso 2 realiza la carga, la
relocalización y el ligado.
La principal estructura de datos necesaria para el cargador ligador es una tabla de símbolos externos TABSE.
Esta tabla, análoga a TABSIM del algoritmo del ensamblador, se usa par almacenar el nombre y la dirección
de los símbolos externos en el conjunto de secciones de control que se está cargando. Otras dos variables
importantes son DIRPROG (dirección de carga del programa) y DIRSC (dirección de la sección de control).
DIRPROG es la dirección inicial de la memoria donde se va a cargar el programa ligado, DIRSC contiene la
dirección inicial asignada a la sección de control que está examinando el cargador.
CARACTERISTICAS DEL CARGADOR INDEPENDIENTES DE LA MAQUINA
Con frecuencia se piensa que el cargado y el ligado son funciones de servicio del sistema operativo. La
3
conexión del programador con estos servicios no es tan directa como la que tiene con, por ejemplo, el
ensamblador durante el desarrollo del programa. Por tanto, la mayoría de los cargadores tienen menos
características diferentes que las que se pueden encontrar en un ensamblador típico.
Búsqueda Automática en Biblioteca
En la mayoría de los casos se emplea una biblioteca estándar del sistema, pero se pueden especificar para el
cargador otras bibliotecas, mediante proposiciones de control o parámetros. En algunos sistemas, esta
característica se denomina llamada automática a biblioteca o búsqueda en biblioteca.
Opciones del Cargador
Muchos cargadores tienen un lenguaje especial de mandatos que se utiliza para especificar opciones. En
algunos sistemas, las opciones se especifican como parte de un lenguaje de control de trabajos que procesa el
sistema operativo. Cuando se usa este enfoque el sistema operativo incorpora las opciones especificadas a un
bloque de control que se pone a disposición del cargador cuando se le invoca. Lógicamente, la realización de
tales opciones es la misma, con independencia del medio empleado para seleccionarla. Los cargadores a
menudo incluyen otras opciones; una es la posibilidad de especificar la localidad donde se inicia la ejecución
y otra es la posibilidad de controlar si el cargador debe intentar o no la ejecución del programa si se detectan
errores durante la carga.
Programas de Superposiciones
Este método de implantación reduce la cantidad total de memoria requerida para el ensamblado. En la figura
3.12 (a) se muestra la estructura de superposiciones del programa de ejemplo. Las letras representan nombres
de secciones de control y las líneas, transferencias de control entre estas secciones. La estructura de un
programa de superposiciones se define al cargador utilizando mandatos; en la figura 3.13 se muestra un
conjunto típico de mandatos para definir la estructura de superposiciones mostrada en la figura 3.12 (a). En la
estructura 3.14 (a) se muestra la longitud y la dirección real inicial de cada segmento del programa de
ejemplo, y la dirección real inicial. En la figura 3.14 (b) se muestran 3 de esas posibilidades; las demás se
dejan como ejercicio. En la figura 3.15 (a) se representa el contenido de la memoria en un momento de la
ejecución. Los segmentos 1, 2 y 4 están cargados y se están ejecutando las instrucciones de la sección de
control A. Los segmentos 2 y 4 se cargaron en respuesta a transferencias de control previas. Las áreas de
transferencia de control de los segmentos 2 y 4 contienen a las secciones de control B y H; las otras áreas
contienen instrucciones que invocan a MANSUP.
Por otra parte, supóngase que A ejecuta una llamada a B. El área de transferencia del segmento 6 contiene
instrucciones que invocan a MANSUP, como se ilustra en la figura 3.15 (b). El segmento 4 debe eliminarse
debido a que su segmento padre ha sido eliminado. Entonces el control se pasa al punto de entrada del
segmento 6, completando la transferencia de control a D. [véase fig. 3.15 (c)].
OPCIONES DE DISEÑO DEL CARGADOR
En esta sección se analiza algunas alternativas comunes de organización de las funciones de carga, incluidas
la relocación y ligado. Los cargadores ligadores realizan el ligado y la relocación 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 cuál la función de ligado se realiza en el momento de la ejecución.
Editores de Ligado
La diferencia fundamental entre un editor de ligado y un cargador ligador se ilustra en la figura 3.16. Primero
se ensambla o compila el programa fuente, produciendo un programa objeto (que puede contener varias
4
secciones de control diferentes). Un cargador ligador realiza todas las operaciones de ligado y relocalización,
incluyendo búsqueda automática en bibliotecas, si se especifica, y carga el programa de 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 relocación de
todas las secciones de control relativas al inicio del programa de ligado.
Ligado Dinámico
En esta sección se analiza un esquema que pospone la función de ligado hasta el momento de la ejecución:
una subrutina se carga y liga al resto del programa al llamarla por primera vez. Este tipo de función se suele
denominar ligado dinámico, cargado dinámico o carga por llamada. El ligado dinámico proporciona la
posibilidad de cargar las rutinas sólo cuando y si se necesitan, también evita la necesidad de cargar la
biblioteca completa para cada ejecución. Para realizar la carga y ligado de una subrutina llamada se pueden
utilizar varios mecanismos distintos. En lugar de ejecutar una instrucción JSUB que hace referencia
a un símbolo externo, el programa hace una solicitud de servicio de carga y llamada al sistema operativo. El
parámetro de esta solicitud es el nombre simbólico de la rutina llamada. [Véase fig. 3.17(a)] El sistema
operativo examina sus tablas internas para determinar si la rutina ya se ha cargado o no; en caso necesario, la
rutina se carga desde la biblioteca de un usuario o desde el sistema especificado, como se ilustra en la figura
3.17(b). Entonces el control pasa del sistema operativo a la rutina llamada [Fig. 3.17(c)]. Cuando se completa
el procesamiento de la subrutina llamada, vuelve a quien la llamó. Entones, el sistema operativo devuelve el
control al programa que hizo la solicitud; este proceso se ilustra en la fig. 3.17(d). El control puede pasarse del
cargador dinámico a la rutina llamada, como en la Fig. 3.17(e).
Cargadores de Arranque
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 más registros; de ahí el
término arranque (bootstrap). 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 e inactivo. Esto incluye, por ejemplo, al
propio sistema operativo y a todos los programas independientes que se ejecutan sin sistema operativo.
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.
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 370 puede manejar programas de superposiciones, con diversas características extendidas.
En cada segmento puede haber varios puntos de entrada. Para manejar esta característica, el editor de ligado
crea automáticamente tablas de entradas en todos los segmentos que contienen una llamada que puede causar
5
superposiciones.
El proceso de superposiciones tiene lugar automáticamente al llamar a un segmento.
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. Si no se necesitan las
funciones especializadas del editor de ligado, por razones de eficiencia se recomienda utilizar el cargador.
Ligador del Sistema VAX
El ligador de VAX es un editor de ligado.
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 esta creando
y realizar operaciones con valores de la pila. El lenguaje de mandatos ofrece una gran diversidad de
posibilidades: hay mas de 50 códigos de mandatos posibles.
El ligador de VAX puede generar tres tipos de imágenes. Una imagen ejecutable es aquella adecuada para la
carga y ejecución; una imagen compartible no es ejecutable, pero el ligador puede reprocesarla. El tercer tipo
de imagen que puede crear el ligador es una imagen de sistema, concebida para ser ejecutada directamente en
la maquina VAX, sin los servicios del sistema operativo.
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 de que
disponible VAX.
Cargador de CYBER
El formato del programa objeto utilizado por el cargador de CYBER es un poco más complejo que el descrito
para SIC/XE; sin embargo, dispone de la misma información básica.
La técnica de máscara de bits es especialmente útil en CYBER, por no disponer de direccionamiento relativo.
Una palabra de CYBER puede contener más de una instrucción, por lo que no es posible usar un solo bit de
relocalización por palabra.
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.
ANEXOS
HCOPY 00100000107A
T0010001E1410334820390010362810303010154820613C100300102A0C103900102D
T00101E150C1036482061081033400000454F46000003000000
6
T0020391E041030001030E0205D30205D30203FD8205D3020575490392C205E38203F
T002057 C1010364C0000F1001000041030E02079302064509039DC20792C1036
T002073073820644C000005
E001000
(a) Programa Objeto
(b) Programa cargado en memoria
comienza
lee el registro de encabezamiento
verifica el nombre del programa y la longitud
lee el primer registro de texto
mientras el tipo del registro <> `E' haz
comienza
{si el código objeto está en forma de caracteres, se convierte en una representación interna}
pasa el código objeto a la localidad de memoria especificada
lee el siguiente registro del programa objeto
termina
salta a la dirección especificada en el registro de fin
7
termina
8
9
10
(a)
(b)
Fig. 3.16 Procesamiento de un programa objeto por
medio de (a) cargador ligador y (b) editor de ligado.
Carga y ejecución
MANEJA−ERROR
• (b)
FIGURA 3.17.Cargador y llamada de una
Subrutina por medio de ligado dinámico.
(c) (d) (e)
5
10
0000
0000
COPY
FIRST
STARD
STL
0
RETADR
17202D
11
12
13
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
80
95
100
105
110
115
120
125
130
132
133
135
140
145
150
155
160
165
170
175
180
185
195
200
205
210
212
215
220
0003
0006
000A
000D
0010
0013
0017
001A
001D
0020
0023
0026
002A
002D
0030
0033
0036
1036
1038
103A
103C
1040
1043
1046
1049
104B
104E
1051
1053
1056
1059
105C
105D
105F
1062
1065
CLOOP
ENDFIL
EOF
RETADR
LENGTH
BUFFER
.
.
.
RDREC
RLOOP
EXIT
INPUT
.
.
.
WRREC
WLOOP
LDB
BASE
+JSUB
LDA
COMP
JEQ
+JSUB
J
LDA
STA
LDA
STA
+JSUB
J
BYTE
RESW
RESW
RESB
# LENGH
LENGTH
RDREC
LENGTH
#0
ENDFIL
WRREC
CLOOP
EOF
BUFFER
#3
LENGTH
WRREC
@RETADR
C'EOF'
1
1
1
4096
69202D
CLEAR
CLEAR
CLEAR
+LDT
TD
JEQ
RD
COMPR
JEQ
STCH
TIXR
JLT
STX
RSUB
BYTE
X
A
S
# 4096
INPUT
RLOOP
INPUT
A,S
EXIT
BUFFER,X
T
RLOOP
LENGTH
X'F1'
B410
B400
B440
75101000
E32019
332FFA
DB2013
A004
332008
57C003
B850
3B2FEA
134000
4F0000
F1
CLEAR
LDT
TD
JEQ
X
LENGTH
OUTPUT
WLOOP
B410
774000
E32011
332FFA
4B101036
032026
290000
332007
4B10105D
3F2FEC
032010
0F2016
010003
0F200D
4B10105D
3E2003
454F46
12
225
230
235
240
245
250
255
1068
106B
106E
1070
1073
1076
OUTPUT
LDCH
WD
TIXR
JLT
RSUB
BYTE
END
BUFFER,X
OUTPUT
T
WLOOP
X'05'
FIRST
53C003
DF2008
B850
3B2FEF
4F0000
05
Figura 3.3
H,COPY ,000000,001077
T,000000,1D,17202D,69202D,4B101036,032026,290000,332007,4B10105D,3F2FEC,032010
T,00001S,13,0F2016,010003,0F200D,4B10105D,3E2003,454F46
T,001036,1D,410,B400,B440,75101000,E32019,332FFA,DB2013,A004,332008,57C003,B850
T,001053,1D,B2FEA,134000,4F0000,F1,B410,774000,E32011,332FFA,53C003,DF2008,B850
T,001070,07,3B2FEF,4F0000,05
M,000007,05+COPY
M,000014,05+COPY
M,000027,05+COPY
E,000000
Figura 3.4 (Programa objeto con relocalización por medio de registros de modificación)
CONCLUSIONES
Este trabajo nos ayudo a comprender el significado y la importancia de los conceptos de cargadores y
ligadores .
Hemos visto la necesidad y utilidad de dichos programas y también aprendimos su funcionamiento.
BIBLIOGRAFÍA
Libro : Software de Sistemas.
Autor : Leland L. Beck.
Editorial : Addison.
Software de Sistemas
20
13
Cargadores y Ligadores Unidad III
Figura 3.12
Figura 3.1
Figura 3.13
Figura 3.14
Figura 3.15
Figura 3.15
Biblioteca
Cargador
ligador
Programa(s)
objeto
Memoria
Biblioteca
Editor
De ligado
Programa(s)
objeto
Programas
ligados
Cargador
Relocalizador
Memoria
Cargador
Dinámico
(parte del
14
sistema
operativo)
Programas de usuario
Cargador
Dinámico
)
Programa de usuario
MANEJA− ERROR
Biblioteca
Cargador
Dinámico
)
Programas de usuario
MANEJA− ERROR
Cargador
Dinámico
)
Programas de usuario
MANEJA− ERROR
Cargador
Dinámico
)
Programas de usuario
MANEJA− ERROR
Figura 3.2
Línea
15
Loc
Código Objeto
Proposición fuente
Subrutina que lee un registro en el Buffer
Subrutina que escribe el registro en el Buffer
(b)
16