Загрузка и выполнение программ на компьютере

Программы пользователя выполняются на компьютере под управлением системного программного обеспечения, реализованного в виде операционной системы (ОС). ОС выполняет достаточно много функций, из которых наиболее важными для системного программиста являются:

1) управление файлами. ОС поддерживает структуру файлов и папок (файловая система) на дисках компьютера. Это физический уровень хранения информации. Прикладные программы создают, изменяют информацию в файлах, но ОС управляет их размещением в дисковой памяти;

2) ввод/вывод информации. Прикладные программы запрашивают ввод исходных данных у системы и предоставляют результаты обработки системе с помощью прерываний. Низкоуровневые операции ввода/вывода (канальные программы) ОС выполняет без вмешательства программиста;

3) загрузка программ. Когда пользователь или прикладная программа запрашивают выполнение другой программы, загрузчик (ОС) выполняет последовательность шагов, описываемую ниже, для получения доступа к программе на диске, размещения ее в оперативной памяти и начала выполнения;

4) управление памятью. Когда загрузчик размещает программу в оперативной памяти, он выделяет достаточный объем памяти для кода программы и ее данных. Программы могут обрабатывать данные в первоначально зарезервированной области, могут освобождать ненужную память или запрашивать дополнительную память. Конкретные физические адреса оперативной памяти определяются ОС без вмешательства программиста;

5) обработка прерываний. ОС позволяет прикладным программам получать доступ к внешним устройствам посредством прерываний – специальных команд, включаемых в прикладную программу.

Теперь подробнее о загрузке программ. Включение питания компьютера приводит к переходу процессора в состояние запуска, очистке памяти (записи нулей в ячейки ОЗУ), проверки четности памяти (фактически минимальная адресуемая единица памяти – байт – содержит не 8, а 9 битов; дополнительный бит является битом четности и принимает такое состояние, чтобы в 9 битах было четное количество двоичных единиц). Кроме того процессор загружает в регистр CS значение FFFF[0]H, и смещение 0 в регистр IP, настраивая компьютер на выполнение программы BIOS, находящейся в ПЗУ по адресу FFFF0H. Эта часть BIOS содержит набор процедур, которые проверяют разные части компьютера, чтобы опознать и инициализировать устройства, присоединенные к нему. После этого BIOS создает 2 области данных:

1) таблицу векторов прерываний, начинающуюся с 0 абсолютного адреса ОЗУ и содержащую 256 4-байтовых адреса программ обработки прерываний (более подробно этот вопрос рассматривается в теме “команды прерывания”);

2) область данных BIOS, начинающуюся с адреса 40[0]Н. В этой области отображается состояние присоединенных к компьютеру устройств.

После создания областей данных, BIOS определяет, доступен ли диск, на котором содержится ОС, и вызывает начальный загрузчик с диска. Начальный загрузчик загружает и передает управление системным файлам. Системные файлы содержат драйвера устройств и другие коды для работы с аппаратурой. При их выполнении инициализируются внутренние системные таблицы и системная часть векторов прерываний.

При выполнении команды прерывания в прикладной программе возможны 2 основных сценария реализации прерывания:

1) прикладная программа обращается к ОС, которая после анализа команды обращается к BIOS, а уже BIOS непосредственно работает с аппаратурой;

2) прикладная программа обращается в BIOS напрямую (например, при работе с дисплеем или клавиатурой).

Существует конечно и вариант прямого обращения прикладной программы к устройству. Но для его реализации нужен опыт как программирования, так и работы с аппаратурой.

Отработав, системные файлы приводят компьютер в состояние ожидания запросов пользователя. Одним из таких запросов является выполнение прикладной программы. Существуют 2 типа исполняемых файлов – СОМ и ЕХЕ. Программы типа СОМ состоят из единственного сегмента, содержащего код, данные и стек. Такие программы создаются для утилит или резидентных программ (программ, остающихся в оперативной памяти при выполнении других программ). На таких программах мы останавливаться не будем. Прикладные программы пользователя, как правило, хранятся в виде ЕХЕ-файлов. Они состоят из отдельных сегментов кода, данных и стека. При вызове на выполнение ЕХЕ-программы загрузчик выполняет следующие шаги:

1) находит программу на диске;

2) создает 256-байтовый (100Н) префикс сегмента программы (PSP) в доступной оперативной памяти на границе параграфа (с начального адреса, кратного 16);

3) загружает программу в память, непосредственно после PSP;

4) загружает адрес PSP в регистры DS и ES;

5) загружает адрес сегмента кода в регистр CS и устанавливает регистр IP в 0 (это состояние соответствует первой инструкции программы, подлежащей выполнению);

6) загружает адрес стека в регистр SS и записывает в регистр SP значение, равное размеру стека;

7) передает управление исполняемой программе, конкретно по адресу CS:IP (адрес записан в виде сегмент:смещение).

Из вышеописанного следует, что загрузчик инициализирует сегментные регистры стека и кода автоматически. Но заметьте, что адрес PSP загрузчик сохраняет в регистрах DS и ES, однако для выполнения программы требуется наличие в этих регистрах адреса данных. В теме “режимы адресации” подробно описываются команды принудительной загрузки сегментного регистра данных.

Поясним вопросы адресации инструкций (команд программы) и данных на примерах.

Пусть программа на ассемблере содержит нижеприведенные команды, причем команды эти записаны в самом начале программы.

 

 

Смещение команды	Команда	Комментарий
0000	PUSH DS	поместить в стек номер блока адреса возврата
0001	MOV AX,0	обнулить регистр АХ
0004	PUSH AX	поместить в стек значение адреса возврата=0
0005	MOV AX,DSEG	инициировать адрес сегмента данных
0008	MOV DS,AX

Пусть после загрузки регистр кода CS инициализирован значением 05ВЕ[0]Н.

Пусть сегмент данных содержит нижеприведенные переменные, первая из которых записана в самом начале сегмента.

Смещение переменной	Идентификатор (имя) переменной	Описание переменной	Комментарий
0000	CHAR	DB?	Неинициализированный байт
0001	SOURCE	DB 10,20,30	Вектор десятичных значений
0004	DEST	DW 3 DUP(?)	Зарезервированные слова
000А	MESS	DB ‘Name?,$’	Текст запроса
0010	REZ	DD?	Зарезервированное двойное слово

 

Если Вы будете просматривать дамп памяти с такой информацией, то увидите примерно такую картину:

0000 00 0А 14 1Е 00 00 00 00 ________

0008 00 00 4Е 61 4D 45 3F 20 __Name?

0010 00 00 00 00                                      ____

(Цветное выделение сделано мною для пояснений!)

Здесь голубым цветом выделены поля значений смещения, розовым цветом – поля значений переменных и зарезервированных слов или байтов в шестнадцатеричном виде, зеленым цветом – те же поля переменных, но в символьном виде (Числовые значения, такие как 20 десятичное, равное 14 шестнадцатеричному, в символьном виде либо отображаются нечисловыми и небуквенными символами, либо не отображаются вовсе. Я эти символы заменила в примере подчеркиванием _).

Из приведенного примера очевидно, что память для переменных выделяется в соответствии с их описанием в сегменте данных: в том порядке, как они описываются, и столько байтов, каков размер переменных. В машинных командах программы ассемблер будет заменять имена переменных их смещениями относительно начала сегмента кодов, так, в команде

LEA DX,MESS имя переменной MESS будет заменено значением 000А.

Если регистр данных DS инициализирован значением 0СС2[0], то физический адрес переменной MESS будет равен: 0СС20+0000А=0СС2А.

Вопросы для самопроверки

1. Укажите длину следующих элементов данных: а) параграфа, б) слова, в) сегмента, г) байта, д) двойного слова, е) килобайта.

2. Какова самая малая единица памяти компьютера и какие значения она может принимать?

3. Поясните следующие термины: сегмент, смещение, граница адреса сегмента.

4. Определите абсолютные адреса, формируемые следующими значениями: SS=2AB4, CS=2BC3, IP=3F, SP=24. Все значения адресов указаны в шестнадцатеричной системе счисления.

5. Опишите сегмент данных и в нем переменные для трех целочисленных сторон треугольника. Предусмотрите текст запроса для ввода сторон с клавиатуры, а также сообщение о том, что введенные стороны не могут быть сторонами треугольника.

6. Укажите различия между компилятором и ассемблером.

7. Что такое зарезервированное слово в Ассемблере? Приведите примеры.

8. Какие два типа идентификаторов есть в ассемблере?

9. Из приведенных идентификаторов переменных, определенных в сегменте данных, найдите неверные и поясните характер ошибки: а)$50, б)AT&T, в)@$_A, г)23АС, д)DX, е)MOV.

10. Формат директива SEGMENT таков:

имя SEGMENT выравнивание совмещение ‘класс’.

Объясните назначение параметров а) выравнивание, б)совмещение, в)‘класс’.

11. Какие предложения относятся к концу а)процедуры, б)сегмента, в)программы?

12. Укажите предложение ASSUME, если имена сегментов стека, данных и кода соответственно – STKSEG, DATSEG, CODSEG?

13. Укажите длины в байтах для переменных, описанных в сегменте кода директивами а)DD, б)DW, в)DB.

14. Опишите символьную строку с именем IS и текстом “Internet service”.

15. Определите следующие числовые значения в элементах данных ITEM1, ITEM2,…ITEM5:

а) 1-байтовый элемент, содержащий шестнадцатеричное значение, эквивалентное десятичному 71;

б) 2-байтовый элемент, содержащий неопределенное значение;

в) 4-байтовый элемент, содержащий шестнадцатеричное значение, эквивалентное десятичному числу 7524;

г) однобайтовый элемент, содержащий двоичное значение, эквивалентное десятичному 47;

д) последовательность из 16 нулевых слов.

16. Покажите, какой шестнадцатеричный объектный код соответствует а)DB 82, б) DB ‘82’, в)DB 4DUP(‘5’).

17. Определите шестнадцатеричный объектный код, сохраняемый ассемблером для а)DB 72, б)DW 2ABE, в)DD 1EB6C3.. Все значения переменных указаны в шестнадцатеричной системе счисления.