Системное программное обеспечение

Лекция 7 Программирование в операционной среде.

План

1. Современные системы программирования.

1.Современные системы программирования

Системой программирования будем называть комплекс программных средств, предназначенных для кодирования, тестирования и отладки программного обеспечения.

Такие комплексы, как правило, включают следующие программные модули.

Текстовые редакторы, служащие для создания текстов исходных

программ.

Компиляторы, предназначенные для перевода исходного текста на входном языке в язык машинных кодов.

Компоновщики, позволяющие объединять несколько объектных модулей, порождаемых компилятором, в одну программу.

Библиотеки прикладных программ, содержащие в себе наиболее часто используемые подпрограммы в виде готовых объектных модулей.

Загрузчики, обеспечивающие подготовку готовой программы к выполнению.

Отладчики, выполняющие программу в заданном режиме (например, пошаговом) с целью поиска, обнаружения и локализации ошибок.

Заметим, что любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.

Редактор текста - это программа для ввода и модификации текста.

Трансляторы предназначены для преобразования программ, написанных на языках программирования, в программы на машинном языке. Программа, подготовленная на каком-либо языке программирования, называется исходным модулем. В качестве входной информации трансляторы применяют исходные модули и формируют в результате своей работы объектные модули, являющиеся входной информацией для редактора связей. Объектный модуль содержит текст программы на машинном языке и дополнительную информацию, обеспечивающую настройку модуля по месту его загрузки и объединение этого модуля с другими независимо оттранслированными модулями в единую программу.

Трансляторы делятся на два класса: компиляторы и интерпретаторы. Компиляторы переводят весь исходный модуль на машинный язык. Интерпретатор последовательно переводит на машинный язык и выполнят операторы исходного модуля

(У интерпретаторов два основных недостатка. Первый - низкая скорость работы интерпретируемых программ.)

Преимущество интерпретатора перед компилятором состоит в том, что программа пользователя имеет одно представление - в виде текста. При компиляции одна и та же программа имеет несколько представлений - в виде текста и в виде выполняемого файла.

Компоновщик, или редактор связей - системная обрабатывающая программа, редактирующая и объединяющая объектные (ранее оттраслированные) модули в единые загрузочные, готовые к выполнению программные модули. Загрузочный модуль может быть помещен ОС в основную память и выполнен.

Отладчик позволяет управлять процессом исполнения программы, является инструментом для поиска и исправления ошибок в программе. Базовый набор функций отладчика включает:

•пошаговое выполнение программы (режим трассировки) с отображением результатов,

•остановка в заранее определенных точках,

•возможность остановки в некотором месте программы при выполнении некоторого условия;

•изображение и изменение значений переменных.

Загрузчик - системная обрабатывающая программа, объединяющая основные функции редактора связей и программы выборки в одном пункте задания. Загрузчик помещает находящиеся в его входном наборе данных объектные и загрузочные модули в оперативную память, объединяет их в единую программу, корректирует перемещаемые адресные константы с учетом фактического адреса загрузки и передает управление в точку входа созданной программы.

Исторически комплексы для разработки ПО развивались от отдельно поставляемых компиляторов, представляющих собой обособленные программные модули, к интегрированным средам программирования, которые первоначально включали в себя редакторы исходных текстов программ и командный язык компиляции. Развитие интегрированных сред разработки ПО привело к появлению развитых средств интерфейса пользователя, сначала текстовых, а потом и графических.

Первой удачной средой называют интегрированную среду программирования Turbo Pascal на основе языка Pascal производства фирмы Borland. Ее широкая популярность определила тот факт, что со временем все разработчики компиляторов обратились к созданию интегрированных средств разработки для своих продуктов.

Эти системы включали помимо встроенного редактора текстов подсистемы работы с файлами, систему помощи, подсистемы управления компиляцией и редактор связей, компилятор, встроенный отладчик.

Дальнейшее развитие средств разработки связано с распространением развитых средств графического интерфейса пользователя. В состав средств разработки ПО сначала были включены библиотеки, поддерживающие развитый графический интерфейс пользователя и взаимодействие с функциями API операционных систем. Позже были включены дополнительные средства, предназначенные для разработки внешнего вида интерфейсных модулей (системы визуального программирования).

Для описания графических элементов программ потребовались соответствующие языки. На их основе сложилось понятие «ресурсов» прикладных программ.

Ресурсами прикладной программы называют множество данных, обеспечивающих внешний вид интерфейса пользователя этой программы и не связанных напрямую с логикой выполнения программы (например, тексты сообщений программы, цветовая гамма элементов интерфейса, надписи на кнопках, заголовки окон и т.п.).

Для формирования структуры ресурсов в свою очередь понадобились редакторы ресурсов, а затем и компиляторы ресурсов. Ресурсы, полученные с выхода компилятора ресурсов, стали обрабатываться компоновщиками и загрузчиками.

Весь этот комплекс программно-технических средств в настоящее время составляет понятие «система программирования». [1]

Примерами современных систем программирования являются

Системы программирования Turbo Pascal, Borland Pascal, Borland Delphi, Borland C++ Builder,

Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++. Новейшими системами программирования являются система, построенная на базе языка С# и системы, ориентированные на концепцию .NET.

Системы программирования языка С под ОС Linux и UNIX (функции загрузчика выполняются самой ОС) долгое время не требовали наличия интегрированной среды и вполне могли быть ограничены командными файлами компиляции. Однако стали появляться и системы программирования, построенные на базе интегрированных сред разработки. В основном они строятся в графической среде на базе стандартного графического интерфейса пользователя на основе среды X Windows.

Основным модулем системы программирования всегда является компилятор. Именно технические характеристики компилятора, прежде всего, влияют на эффективность результирующих программ, порождаемых системой программирования.

Кроме основного компилятора, большинство систем программирования могут содержать в своем составе целый ряд других компиляторов. Так, большинство систем содержат компилятор с языка ассемблера и компилятор с входного языка описания ресурсов. Но они редко непосредственно взаимодействуют с пользователем.

Напомним основные термины и понятия.

Транслятор – это программа, которая переводит входную программу на исходном (входном) языке в эквивалентную ей выходную программу на результирующем (выходном) языке.

Близко по смыслу к этому понятию понятие компилятор.

Компилятор – это транслятор, который осуществляет перевод исходной программы в эквивалентную ей объектную программу на языке машинных команд или языке ассемблера.

Таким образом, компилятор отличается от транслятора тем, что его результирующая программа написана обязательно на языке машинных команд или языке ассемблера. Результирующая программа транслятора в общем случае может быть написана на любом языке (например, транслятор с языка Pascal на язык С).

Таким образом, компиляторы – это вид трансляторов.

Напомним также, что существует еще принципиально отличное понятие «интерпретатор».

Интерпретатор – это программа, которая воспринимает входную программу на исходном языке и выполняет ее. (Интерпретатор не порождает результирующую программу и никакого результирующего кода.)

Основные блоки (фазы) компилятора, их функции

Исходная программа, написанная на некотором языке программирования, есть цепочка знаков. Компилятор в конечном итоге превращает эту цепочку знаков в цепочку битов – объектный код.

В процессе компиляции можно выделить следующие подпроцессы (блоки, этапы).

1.Лексический анализ.

2.Работа с таблицами.

3.Синтаксический анализ, или разбор.

4.Генерация кода, или трансляция в промежуточный код (например, языка ассемблер).

5.Оптимизация кода.

6.Генерация объектного кода.

Замечание. В конкретных компиляторах порядок может несколько отличаться, а некоторые блоки могут объединяться в один. В реальном компиляторе блоки не обязательно разделены.

Лексический анализ

Входом является цепочка символов некоторого алфавита.

Некоторые комбинации символов в программе рассматриваются как единые объекты – лексемы (например, зарезервированные слова, идентификаторы, числовые константы).

Работа лексического анализатора состоит в том, чтобы сгруппировать определенные символы в единые синтаксические объекты – лексемы.

Выходом является последовательность лексем.

Например, в результате лексического анализа следующей цепочки символов

Cost:= (price + tax) * 0.98

будет обнаружено, что cost, price, tax являются лексемами типа идентификатор; 0.98 – лексема типа константа; :=, +, * - являются лексемами.

Работа с таблицами

Информация о лексемах собирается и записывается в одну или несколько таблиц, например, в виде списка лексем и соответствующей информации о них.

Синтаксический анализ

Вход – цепочка лексем.

На этом этапе исследуется цепочка лексем и устанавливается, удовлетворяет ли она структурным условиям, явно сформулированным в определении синтаксиса языка.

Выходом анализатора является дерево, которое представляет синтаксическую структуру, присущую исходной программе.

Генерация кода

Полученное дерево используется для перевода входной программы в программу на машинном языке, но чаще осуществляется перевод на промежуточный язык (ассемблер).

Замечание. На практике чаще одновременно строится и дерево, и код. Существует несколько методов построения промежуточного кода по

синтаксическому дереву. Основным из них является синтаксически управляемый перевод (трансляция).

На двух этапах – синтаксического разбора и в начале этапа подготовки к генерации кода – выполняется семантический анализ. Семантический анализатор проверяет семантические соглашения входного языка, проверяет элементарные семантические (смысловые) нормы языков программирования, напрямую не связанных с входным языком; дополняет внутреннее представление программы в компиляторе операторами и действиями, неявно предусмотренными семантикой входного языка.

Оптимизация кода

Попытка сделать объектные программы более эффективными (т.е. быстрее работающими или более компактными).

Так, для операций, составляющих линейный участок программы, может применяться удаление бесполезных присваиваний, исключение лишних операций, перестановка операций, арифметические преобразования.

Еще одним методом оптимизации кода является оптимизация вычисления логических выражений (не всегда полностью надо выполнять вычисление всего выражения, чтобы знать его результат, иногда по значению одного операнда можно определить значение всего выражения).

Оптимизация передачи параметров в процедуры и функции через стек не является эффективным, если выполняются несложные вычисления над небольшим количеством параметров (всякий раз при вызове процедуры компилятор создает объектный код для размещения фактических параметров в стеке, а при выходе – код для освобождения ячеек). Эффективность результирующей программы повышается при передаче параметров через регистры либо подстановкой кода функции в вызывающий объектный код.

Для оптимизации циклов используются следующие методы: вынесение инвариантных вычислений из циклов (вынесение тех операций, операнды которых не изменяются); замена операций с индуктивными переменными (изменение сложных операций с переменными, значения которых в процессе выполнения цикла образуют арифметическую прогрессию, на более простые операции); слияние и развертывание циклов (слияние двух вложенных циклов в один и замена цикла на линейную последовательность операций).

Литература

Основная:

1.Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. Учебник для вузов.

— СПб.: Питер, 2003. — 396 с.

2.Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. Лабораторный практикум.- СПб.: Питер, 2005.- 284 с.

3.Юров В.И. Assembler. Учебник для вузов. 2-е издание - СПб.: Питер.- 2004.- 637 с.

4.Компаниец Р.И., Маньков Е.В., Филатов Н.Е. Системное программирование: Основы построения трансляторов + FD.- М.: КОРОНА принт.- 2004.- 255 с.

5.Фельдман Ф.К. Системное программирование на персональном компьютере.- 2004.- 512

6.Ахо А.,Сети Р., Ульман Дж. Компиляторы: принципы, технологии и инструменты: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 768 с.

7.Гордеев А.В., Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. —

СПб.: Питер, 2002. — 734 с.

8. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2002. — 544

Дополнительная:

1.Малявко А.А. Теория формальных языков: Учеб. пособие: В 3 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – Ч. 1. – 96 с.

2.Малявко А.А. Теория формальных языков: Учеб. пособие: В 3 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – Ч. 2. – 96 с.

3.Ф.Льюис, Д. Розенкранц, Р.Стирнз. Теоретические основы проектирования компиляторов. М., Мир, 1979.

4.Л. Бек. Введение в системное программирование. М.,Мир, 1988.

5.В.Е.Котов, В.К.Сабельфельд. Теория схем программ. -М.: Наука, 1978

6.Автоматное управление асинхронными процессами в ЭВМ и дискретных системах /Под ред. В.И.Варшавского. -М.:Наука.

7.Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем.- М.: Наука.

1984.

8.Минский М. Вычисления и автоматы. - М.: Мир.- 1971.

9.Котов В.Е. Сети Петри. - М.: Наука. - 1984.-

10.Ахо А.,Хопкрофт Дж., Ульман Дж.Построение и анализ вычислительных алгоритмов. - М.: Мир. -1979.

11.Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. –

М.: Мир, 1984. – 264 с.

Лекция 8 Ассемблеры. Мобильность программного обеспечения.

План

1.Что такое язык ассемблера

2.Трансляторы с языка ассемблера

1.Что такое язык ассемблера

Язык ассемблера — это специфический язык программирования со взаимно однозначным соответствием между его операторами и командами процессора. Язык ассемблера существует для каждого типа процессоров или целого семейства процессоров. Это связано с тем, что команды на языке ассемблера должны иметь взаимно однозначное соответствие с системой машинных команд и должны быть согласованы с архитектурой компьютера. Язык ассемблера для процессоров Intel имеет систему команд, работать с которыми могут различные процессоры производства Intel, такие как 8086, 8088, 80186, 80286, 80386, 80486, Celeron и Pentium.

Ассемблер — это программа, преобразовывающая исходные коды языка ассемблера в машинные команды. Ассемблер может создавать листинг программы с номерами строк, адресами памяти, исходными операторами и таблицей перекрестных ссылок символов и переменных, используемых в программе. Совместно используемая с ассемблером программа, называемая компоновщик, собирает отдельные файлы, созданные ассемблером, в единую исполняемую программу. В блок базовых программ входит также отладчик, позволяющий программисту проверять и трассировать исполняемую программу и контролировать содержимое памяти. Программы на языке ассемблера можно запускать либо в операционнойсистеме MS-DOS (или в режиме эмуляции MSDOS в системах Windows), либо непосредственно в Windows. Наиболее популярны для семейства процессоров Intel ассемблеры MASM (Microsoft Assembler) и TASM (Borland Turbo Assembler). Язык ассемблера называется язы-

ком низкого уровня потому, что он очень близок к машинному языку по своей структуре и выполняемым функциям. Каждая команда языка ассемблера имеет взаимно однозначное соответствие с машинными командами, что отличает его от языков высокого уровня, для которых характерно то, что один оператор транслируется во множество машинных команд

2.Трансляторы с языка ассемблера

Транслятор - это программа, которая переводит исходную программу в эквивалентную ей объектную программу. Исходная программа пишется на некотором исходном языке, объектная программа формируется на объектном

языке. Выполнение программы самого транслятора происходит во время трансляции.

Если исходный язык является языком высокого уровня, например таким, как ФОРТРАН, C и Паскаль, и если объектный язык - ассемблер или некоторый машинный язык, то транслятор называется компилятором. Машинный язык иногда называют кодом машины, поэтому и объектная программа иногда называется объектным кодом.

Трансляция исходной программы в объектную происходит во время компиляции, а фактическое выполнение объектной программы происходит во время выполнения готовой программы. Компьютеры сами по себе способны выполнять только очень ограниченный набор операций, называемых машинными кодами. В старые времена, когда появились первые компьютеры, программы писались в машинных кодах, представляющих собой последовательности двоичных чисел, однозначно воспринимаемых компьютером. В конце 50-х кодов прошлого века появились первые языки программирования, такие как язык ассемблера и Фортран. Для того, чтобы компьютер мог понять программу, написанную на каком-то языке программирования, необходим переводчик (транслятор) такой программы в машинные коды. Отметим, что, если оператор языка ассемблера отображается при трансляции чаще всего1)в одну машинную инструкцию, предложения языков более высокого уровня отображаются, вообще говоря, в несколько машинных инструкций.

Трансляторы бывают двух типов: компиляторы (compiler) и интерпретаторы (interpreter). Процесс компиляции состоит из двух частей: анализа (analysis) и синтеза (synthesis). Анализирующая часть компилятора разбивает исходную программу на составляющие ее элементы (конструкции языка) и создает промежуточное представление исходной программы. Синтезирующая часть из промежуточного представления создает новую программу, которую компьютер в состоянии понять. Такая программа называется объектной программой. Объектная программа может в дальнейшем выполняться без перетрансляции. В качестве промежуточного представления обычно используются деревья, в частности, так называемые деревья разбора. Под деревом разбора понимается дерево, каждый узел которого соответствует некоторой операции, а сыновья этого узла - операндам.В отличие от компилятора, интерпретатор не создает никакой новой программы, а просто выполняет каждое предложение языка программирования. Можно сказать, что результатом работы интерпретатора является "число".

Вообще говоря, интерпретатор, так же, как и компилятор, анализирует программу на входном языке, создает промежуточное представление, а затем выполняет операции, содержащиеся в тексте этой программы. Например, интерпретатор может построить дерево разбора, а затем выполнить операции, которыми помечены узлы этого дерева.

В том случае, если исходный язык достаточно прост (например, если это язык ассемблера или Basic), то никакое промежуточное представление не нужно, и тогда интерпретатор - это простой цикл. Он выбирает очередную

инструкцию языка из входного потока, анализирует и выполняет ее. Затем выбирается следующая инструкция. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут выполнены все инструкции, либо пока не встретится инструкция, означающая окончание процесса интерпретации.

Литература

Основная:

1.Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2003. — 396 с.

2.Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. Лабораторный практикум.- СПб.: Питер, 2005.- 284 с.

3.Юров В.И. Assembler. Учебник для вузов. 2-е издание - СПб.:

Питер.- 2004.- 637 с.

4.Компаниец Р.И., Маньков Е.В., Филатов Н.Е. Системное программирование: Основы построения трансляторов + FD.- М.: КОРОНА принт.- 2004.- 255 с.

5.Фельдман Ф.К. Системное программирование на персональном компьютере.- 2004.- 512

6.Ахо А.,Сети Р., Ульман Дж. Компиляторы: принципы, технологии и инструменты: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 768 с.

7.Гордеев А.В., Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. — СПб.: Питер, 2002. — 734 с.

8.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.:

Питер, 2002. — 544

Дополнительная:

1.Малявко А.А. Теория формальных языков: Учеб. пособие: В 3 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – Ч. 1. – 96 с.

2.Малявко А.А. Теория формальных языков: Учеб. пособие: В 3 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – Ч. 2. – 96 с.

3.Ф.Льюис, Д. Розенкранц, Р.Стирнз. Теоретические основы проектирования компиляторов. М., Мир, 1979.

4.Л. Бек. Введение в системное программирование. М.,Мир, 1988.

5.В.Е.Котов, В.К.Сабельфельд. Теория схем программ. -М.: Наука, 1978

6.Автоматное управление асинхронными процессами в ЭВМ и дискретных системах /Под ред. В.И.Варшавского. -М.:Наука.

7.Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем.- М.: Наука.

1984.

8.Минский М. Вычисления и автоматы. - М.: Мир.- 1971.

9.Котов В.Е. Сети Петри. - М.: Наука. - 1984.-

10.Ахо А.,Хопкрофт Дж., Ульман Дж.Построение и анализ вычислительных алгоритмов. - М.: Мир. -1979.