CONCEPTO DE CARGADORES Y LIGADORES
La mayor parte de los programas se componen de más de un procedimiento.
Los compiladores y ensambladores suelen traducir un procedimiento a la vez y guardan en memoria secundaria el resultado de esta traducción. Antes de que pueda ejecutarse el programa, todos los procedimientos traducidos deben recuperarse y ligarse correctamente. Si no se dispone de memoria virtual, el programa enlazado debe cargarse explícitamente en memoria.
Los programas que realizan estas funciones reciben varios nombres, como cargador (loader), cargador montado (linking loader) y editor de enlaces (linkage editor).
La traducción completa de un programa fuente se efectúa en dos pasos:
Compilación o ensamblaje de los procedimientos fuente Encadenamiento (linking) o montaje de los módulos objeto. Cargador:
Es un programa especial, parte del sistema operativo que tiene como propósito colocar en la memoria las instrucciones y datos de un programa o información codificada en lenguaje máquina, para que entonces la computadora pueda procesarla. Un cargador es un programa que realiza la función de carga, pero muchos cargadores también incluyen relocalización y ligado.
Algunos sistemas tienen un ligador para realizar las operaciones de enlace, y un cargador separado para manejar la relocalización y la carga. Los procesos de ensamblado y carga están íntimamente relacionados.
Ligador:
Es un programa que enlaza todos los programas o módulos obteniendo lo que denominamos programa ejecutable. Es un programa que enlaza distintos módulos o programas que poseen subprogramas. Además incorporan las denominadas rutinas de librerías en caso de solicitarlas el propio programa.
La generación de un módulo ejecutable a partir de una colección de procedimientos traducidos independientemente requiere un ligador.
FUNCION DE UN CARGADOR Y UN LIGADOR
Las funciones de un cargador son:
Colocar un programa objeto en la memoria e iniciar su ejecución.
Si tenemos un cargador que 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 se ha presentado el programa correcto para la carga (entrando 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 al dirección especificada para iniciar la ejecución del programa cargado. Un programa objeto contiene instrucciones traducidas y valores de datos del programa fuente, y específica direcciones en memoria donde se cargarán estos elementos.
Las funciones de un cargador son relativamente sencillas y consisten en extraer información de algún medio exterior de la memoria (por ejemplo: CD Discos) y chocarlo en celdas sucesivas de la memoria a partir de una celda pre especificada. El cargador realiza la última etapa del proceso de traducción: cargar el programa en memoria donde puede ser ejecutado.
Una opción típica del cargador permite la selección de fuentes alternativas de entrada. 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, La mayoría de los cargadores permiten al usuario especificar alternativas para búsqueda por medio de una proposición de tipo LIBRARY.
Las funciones de un ligador:
Los editores de ligado pueden efectuar varias funciones últimas a demás de la simple preparación de un programa objeto para su ejecución estos también se pueden utilizar para construir paquetes de subrutinas u otras secciones que suelen utilizar juntas. Esto puede ser útil al tratar con bibliotecas de subrutinas que manejan lenguajes de programación de alto nivel. Comparados con los cargadores de ligadores los editores de ligado en general tienden a ofrecer mayor flexibilidad y control con el correspondiente incremento e complejidad y sobrecarga.
La tarea principal del enlazador es resolver referencias externas lleva a cabo la siguiente etapa del proceso de traducción enlazando los módulos ensambladores y los acervos para formar un programa completo. En algunos sistemas el cargador simplemente copia el programa ejecutable a las posiciones de memorias apropiadas.
Sus principales funciones son:
Enlazar código intermedio compilado independientemente en un solo módulo de carga resolviendo las diferencias entre Tokens. Incorpora las denominadas rutinas de librerías en caso de solicitarlas el propio programa. Su función es reducir procedimientos traducidos por separado y enlazarlos para que se ejecuten como una unidad llamada programa binario ejecutable.
TIPOS DE CARGADORES Y LIGADORES
TIPOS DE CARGADORES:
• Cargadores iniciales.- Indican a la computadora la forma de poner, dentro de la memoria principal, unos datos que están guardados en un periférico de memoria externa (cinta, disco, etc.). Sirven para cargar en la memoria pequeños programas que inician el funcionamiento de una computadora. Algunas computadoras de carácter general no tienen en memoria ningún programa de forma permanente y cuando se desconectan pierden toda la información de su memoria interna. Al volverlos a conectar no son capaces de controlar ningún periférico (teclado, discos, etc.). Esto se hace así para que sea el usuario el que ponga los programas que le interese ejecutar.
• Cargadores absolutos.- Como ya se menciono el programa cargador pone en memoria las instrucciones guardadas en sistemas externos. Independientemente de que sea un cargador inicial o no, si dichas instrucciones se almacenan siempre en ele mismo espacio de memoria (cada vez que se ejecuta el programa cargador), se dice que es un cargador absoluto. • Cargadores con reubicación.- En ocasiones, un mismo programa necesita ejecutarse en diferentes posiciones de memoria. Para esto la traducción debe estar realizada en forma adecuada, es decir, no utilizando referencias absolutas a direcciones de memoria, sino referencias relativas a una dirección especial llamada dirección de reubicación.
El cálculo de las direcciones reubicables lo realiza el propio cargador a medida que va guardando las instrucciones en el espacio de memoria que le indique el usuario o el propio sistema operativo de la máquina.
A los cargadores que permiten estas operaciones se les denominan cargadores con reubicación.
• Cargadores ligadores.- Conocidos también por su término inglés Link editor o simplemente Linker, es muy común también referirse a él por la castellanización del nombre inglés, «lincador». A la acción de montar se le llama asimismo vulgarmente «lincar».
Montar un programa consiste en añadir al programa objeto obtenido en la traducción las rutinas externas a las que hace referencia dicho programa. El ensamblador debe permitir dichas referencias y las rutinas deben estar a su vez en lenguaje máquina guardadas en algún elemento accesible por el montador. Generalmente, dichas rutinas se encuentran guardadas en un fichero especial al que suele denominarse librería, porque están almacenadas todas las rutinas externas susceptibles de ser utilizadas por los diferentes programas del usuario. Allí va el programa ligador cuando esta realizando el montaje de un programa a buscarlas y las adjunta al programa objeto.
CARGADORES BOOTSTRAP. El programa cargador, una vez situado en la memoria del computador, cargará el programa de aplicación y los datos. Pero, previamente, se ha debido cargar el cargador en la memoria y esto se puede realizar por uno de los métodos siguientes: Entrada Manual: Mediante el teclado, el usuario teclea en la máquina el cargador bootstrap. Después de esto, el cargador se carga a sí mismo en la memoria del computador. A partir de este momento, es el cargador el encargado de cargar el programa de aplicación en la memoria.
Entrada por ROM: Es posible tener las instrucciones de inicialización almacenadas permanentemente en alguna porción de la ROM, en lugar de introducirlas manualmente por teclado o por el panel frontal. Cuando se requiere el programa de bootstrap, el operador simplemente dirige al computador, mediante los conmutadores del panel, a ejecutar las instrucciones memorizadas en ROM: Al estar el programa almacenado en ROM se elimina también la posibilidad de borrados accidentales.
CARGADORES ABSOLUTOS. Este es un programa que carga cada instrucción del programa objeto en una posición fija y preestablecida. Por tanto, cada instrucción tiene una dirección absoluta. El cargador absoluto lee simplemente la línea de código objeto que contiene la dirección de inicio de las instrucciones y datos, y carga las palabras (o bytes) sucesivas en posiciones de memoria sucesivas.
El cargador absoluto tiene un serio inconveniente cuando se utiliza en sistemas computadores grandes.
Esto significa que los programas y datos se deben almacenar cada vez en posiciones de memoria distintas. Si se utilizan cargadores absolutos, el programa objeto se tendrá que modificar para que refleje la nueva posición de inicio de memoria. Esta es una actividad larga y sujeta a errores. En tales situaciones, se utilizan cargadores relocatables. Los cargadores absolutos están diseñados generalmente para verificar cada instrucción que leen. Si se detecta una instrucción ilegal, se interrumpe el proceso de carga.
CARGADORES RELOCATABLES. Este cargador evita el principal inconveniente del cargador absoluto. El cargador relocatable es un programa más sofisticado, tiene las características del cargador absoluto, y además permite al usuario seleccionar y especificar las posiciones de memoria en las que se debe almacenar las palabras de instrucciones y datos. De esta forma, el mismo programa se puede cargar en distintas zonas de la memoria sin necesidad de reensamblarlo o recompilarlo. Durante el ensamblado o compilación del programa objeto, éste empieza con la dirección. Las sucesivas instrucciones quedan asignadas a posiciones de memoria consecutivas. No obstante, las direcciones no son absolutas, es decir, no representan las verdaderas posiciones de memoria en las que se está almacenando el programa.
Se trata de direcciones relativas. El programador inserta la dirección se añade a cada una de las posiciones de memoria asignadas en el programa, obteniéndose
Las direcciones reales de las instrucciones y datos del programa. El cargador relocatable ofrece algunas ventajas.
TIPOS DE LIGADORES:
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 especifica, 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 un archivo o biblioteca para su ejecución posterior. Cuando el usuario esta listo para ejecutar el programa ligado, se puede utilizar un cargador relocalizador simple para cargar el programa en la memoria. El editor de ligado realiza relocalización de todas las secciones de control relativas al inicio del programa ligado.
LIGADOR DINAMICO. El ligador 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.
Cuando se utiliza el ligador 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. 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 ensamblador o compilador por medio de una secuencia de mandatos que forman parte del programa objeto.
El lenguaje de mandatos ofrece una gran diversidad de posibilidades: hay más 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 tapa intermedia en el ligado de un programa muy grande. Las imágenes compartibles también hacen posibles que diferentes
Programas compartan la misma copia de ciertas instrucciones o área de datos. El tercer tipo de imagen que puede crear el ligado es una imagen de sistema, concebida para ser ejecutada directamente en la máquina VAX.
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 PROCESO DE CARGA ABSOLUTA
Los cargadores absolutos existen en sistemas de los que los compiladores generan código absoluto (no relocalizables).De esta forma se obliga a que el programa se obliga a cargar las mismas posiciones son relativamente pero no permiten tener multiprogramación.
La carga absoluta necesita que el modulo de carga ocupe siempre la misma posición de memoria principal. Así pues, todas las referencias del modulo de carga para el cargador deben ser direcciones especificas o absolutas en memoria principal.
La asignación de direcciones específica a la referencia de memoria de un programa puede ser realizada tanto por el programador en tiempo de compilación o ensamblaje. Con este método se tienen varias desventajas las cuales son: ¤ Todos los programadores tendrán que conocer la estrategia de asignación deseada para situar los módulos en memoria principal.
¤ Si se hace alguna modificación en el programa que se suponga inserciones o borrados en el cuerpo modulo tendrán que cambiarse las direcciones por consiguiente es expresar simbólicamente y que se resuelvan en el momento de la compilación o ensamblaje.
Cuando se prepara el modulo para la entrada a un cargador absoluto, el ensamblador o el compilador convertirá todas esas diferencias a direcciones.
Se denomina cargador absoluto porque carga el programa ejecutable en una posición fija. En algunas cargadores absolutos la dirección de carga esta
denominada por un campo en el encabezado del archivo ejecutable .Aunque esta estrategia es un poco mas general que el empleo de una constante predefinida, la posición usada para el programa se sigue determinando al ensamblar y enlazar el programa. En esencia el cargador copia los segmentos de texto y datos de un archivo ejecutable a la memoria de la maquina. A continuación se presenta el pseudo código para un cargador sencillo
/***definir la estructura del registro de encabezado ***/ struct enc_ejec{ unsigned int dir_ini; /* las otras partes del encabezado del archivo ejecutable */ }; /***prototipos para las funciones usadas por el cargador***/ struct enc_ejec leer_enc( FILE *); char leer_byte ( FILE *); /***--------el cargador ---------***/ char *carga (File *arch_ejec); { struct enc enc_ejec encabezado ; char *dire_byte; /* leer encabezado del archivo */* encabezado = leer enc(arch_ejec); /*copiar a la memoria los segmentos de texto y datos */ dir_byte = DIR_CARGA; while(leof(arch_ejec)){ dir_byte=leer (arch_ejec); dir_byte= dir_byte+1 ; } return (char*) encabezado dir_ini); }
En este código, el cargador comienza leyendo la porción de encabezado contiene la dirección de inicio , ósea la dirección de la primera instrucción que ese ejecuta la .Después de leer el encabezado el cargador entra a u lazo en el cual se copian a la memoria de la maquina los demás bytes del archivo ejecutable (los segmentos de texto y datos ).Por ultimo , el cargador devuelve el valor del campo de dirección inicial del encabezado. Supuestamente, este valor se usa como destino de una instrucción de ramificación (o de salto o subrutina) cuando se ejecuta el programa.
Hay dos aspectos del programa cargador que requiera una mayor explicación: la variable dir_ byte el campo dir_ini. Comenzaremos por la variable dir_byte , que se declara como apuntadores a un carácter, ósea, es la dirección de un carácter. Es razonable suponer que la almacena un carácter usando un byte de memoria y que, por consiguiente, la variable dir_byte contiene la dirección de un byte de memoria .Inicialmente, esta variable se asigna igual a la constante DIR_CARGA. En cada interacción el lazo while, a la posición de memoria identificada por dir_byte se le asigna el siguiente byte del archivo ejecutable; después se incrementa en un valor de dir_byte. De esta manera, el contenido del archivo ejecutable se copia a posiciones consecutivas de la memoria de DIR_CARGA
EL PROCESO DE CARGA RELOCALIZABLE
En la relocalización dinámica se establece la correspondencia entre las direcciones usadas en el programa a y direcciones físicas cada vez que se utilizan durante la ejecución del programa. Las direcciones 1ógicas generadas por el ensamblador y el enlazador no se alteran durante la carga. Comenzaremos por ver un sencillo método en el cual el programa se carga en posiciones contiguas de la memoria; es decir, el programa no esta disperso por la memoria. En la figura 1.2 se presenta un cargador sencillo que puede usarse con la relocalización dinámica. En este caso, el cargador lee el encabezado del archivo ejecutable y determina la cantidad de espacio necesaria para el programa. Después asigna espacio suficiente para el programa y copia el archivo ejecutable a memoria. Cuando se carga el programa en la memoria, el cargador establece la correspondencia necesaria para el programa, pasando la dirección de carga y el tamaño del programa a una rutina llamada establecer_ correspondencia. AI leer este código, observe que la función de carga devuelve un entero sin signo en lugar de un apuntador. Esto refleja el hecho de que la dirección inicial es una dirección 1ógica y no una dirección física.
Pseudo código para un cargador sencillo (relocalización dinámica)
Struct enc_ejc{ Unsigned int dir_ini; Unsigned int tamaño_texto, tamaño_datos, tamaño_bss; /*otros campos del registro de encabezado*/ }; /***prototipo para las funciones usadas por el cargador***/ struct enc_leer_enc(FILE*); char leer_byte(FILE*); char*obtener_memoria(unsigned int); void establecer_correspondencia(char*unsigned int); /***el cargador***/ unsigned int*carga (FILE*arch_ejec) { struct enc_ejec encabezado; char*dir-byte, *dir_carga; unsigned int tamaño_prog; encabezado=leer_rnc(arch_ejec); /*determinar el tamaño del programa y asignar el espacio*/ tamaño_prog=encabezado.tamaño_texto + encabezado. Tamaño_datos+ encabezado.tamaño_bss; dir_carga=obtener_memoria (tamaño_prg); /*copiar los segmentos de texto y datos*/ dir_byte =dir_carga; while(!eof(arch_ejec){
- dir_byte=leer_byte(arch_ejec);
dir_byte=dir_byte+1; } /*establecer la correspondencia de direcciones*/ establecer_correspondencia(dir_carga,tamaño_prog); return ((char*)encabezado.dir_ini); }
Con esto llegamos al hardware de correspondencia de direcciones, ilustrado en la figura 1.3. Cuando la UCP tiene que realizar un acceso a memoria (lectura o escritura), presenta al hardware de correspondencia de memoria el resultado del cálculo de la dirección efectiva. El hardware de correspondencia de direcciones traduce la dirección 1ógica a una dirección física.
Perspectiva operacional de la correspondencia de direcciones.
LIGADURA DE SUBRUTINAS
El enlace de una subrutina es la estructura con que se comparte la información entere el involucrado. El involucrado proporciona la dirección de retorno al involucrado como parte del enlace de subrutina .El involucrado establece lo que resta del enlacen de subrutina en el programa el cual puede establecer estar vació. Ligar un programa consiste en añadir al programa objeto u programa ejecutable .El ensamblador debe permitir dichas referencias y las rutinas deben esta a su vez en lenguaje maquina guardadas en alguna elemento accesible por el montador .Dichas subrutinas se encuentran guardadas en algún elemento accesible por el que se suele denominarse librería porque ahí están almacenados todas las rutinas externas susceptibles de ser utilizadas por los diferentes programas del usuario ahí va el programa ligado cuando esta realizando el montaje de un programa a buscarlas y las adjunta sal programa objeto as esto a este proceso se le llama ligadura de rutinas y subrutinas.
Los siguientes puntos son razones para un programa en subprogramas:
1. Vincular entre lenguajes es decir combinar el poder computacional de un lenguaje de alto nivel con el eficiente procesamiento del lenguaje ensamblador.
2. Facilitar el desarrollo de proyectos largos en los cuales equipos diferentes proceden sus módulos separadamente.
3. Incrustar partes de un programa durante su ejecución a causa del gran tamaño del programa. Cuando se utilizan subrutinas en unos programas, el código ejecutable de cada una de ellas debe encontrarse en memoria al tiempo de ejecución. Para esto antes de cargar un programa debe ligarse su código objeto de cada una de las subrutinas involucradas por el obtenido así por un programa ejecutable que tiene tanto el código del modulo involucrado como el código de los módulos involucrados.
