Einführung in die Systemprogrammierung

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1 Einführung in die Systemprogrammierung Der Binder Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 28. Mai 2015

2 Herausforderungen durch große Programme Große Programme: die meisten Programmkomponenten ändern sich selten Mehrere Entwickler: unabhängig wachsende Programmkomponenten Notwendige Änderungen am Entwicklungsprozeß: Aufrufkonventionen Wohldefinierte Schnittstellen Design im Team... Modularisierung: Aufspaltung von Funktionalität in mehrere Assembler-Module

3 Objektdateien Repräsentieren übersetzte Module Bestehen aus: Dateikopf (header) Allgemeine Informationen Verzeichnis der enthaltenen Datenblöcke.text-Sektion (Programmcode).data-Sektion (Statische Programmdaten).bss-Sektion: Auf 0 initialisierte statische Programmdaten Nur die Größe der Sektion wird in Objektdatei gespeichert Reine Optimierung Informationen für Debugger Abhängigkeits- und Symbolinformationen

4 Kommunikation zwischen Objektdateien Hauptmodul: main:... jal printf Printf-Modul: printf:... Module müssen miteinender sprechen können: Zugriff auf interessante Stellen (Variablen, Einsprungpunkte) Wir bezeichnen Sprungmarken und andere Programm-Marken (main, printf) als Symbole. Typischerweise drei Typen von Symbolen in Modulen: Lokal: Nur das Modul selbst kann lokale Symbole sehen Global: Alle Module können dieses Symbol sehen Extern: Symbol ist global in anderem Modul

5 Der Binder Auch: linker, link editor Eingbe: Objektdateien Ausgabe: (Meist) ausführbares Programm Führt Auflösung externer Symbole durch Symboltabelle: Liste aller benötigten und exportierten Symbole Relozierungstabelle: Liste aller Punkte im Programm, an denen ein Symbol benötigt wird Kann unbenutzte Sektionen entfernen Traditionelle Binder führen keine Typüberprüfung durch

6 Der Bindeprozeß: Beispiel (1).extern zaehler.extern pluseins.globl main.text main: # Hauptprogramm jal pluseins la $a0, zaehler li $v0, 1 syscall.globl zaehler.globl pluseins.data zaehler: word 0.text pluseins: #Zaehlermodul la $t0, zaehler lw $t1, 0($t0) addi $t1, $t1, 1 sw $t1, 0($t0) jr $ra

7 Der Bindeprozeß: Beispiel (1).extern zaehler.extern pluseins.globl main.text main: # Hauptprogramm jal 0x lui $a0, 0x0000 ori $a0, $a0, 0x0000 li $v0, 1 syscall Symboltabelle: GLOBL main text+0 EXTERN zaehler EXTERN pluseins Relozierungstabelle: pluseins text+0 R_JMPADDR zaehler text+4 R_REFHI zaehler text+8 R_REFLO.globl zaehler.globl pluseins.data zaehler: word 0.text pluseins: #Zaehlermodul lui $t0, 0x0000 ori $t0, $t0, 0x0000 lw $t1, 0($t0) addi $t1, $t1, 1 sw $t1, 0($t0) jr $ra Symboltabelle: GLOBL zaehler data+0 GLOBL pluseins text+0 Relozierungstabelle: zaehler text+0 R_REFHI zaehler text+4 R_REFLO

8 Symboltabelle Merkt sich Definitionen Typ Name Adresse GLOBL main text+0 EXTERN zaehler EXTERN pluseins Typ: Typ des Symbols (Global, Lokal, Statisch) Adresse: Speicheradresse des Symbols Vor dem Binden: Nicht bei EXTERN, sonst relative Adresse im eigenen.text Während Binden: Bei allen Symbolen, absolute Adresse im globalen.text

9 Relozierungstabelle Merkt sich Verwendungen von Symbolen Name Position Relozierungsart pluseins text+0 R_JMPADDR zaehler text+4 R_REFHI zaehler text+8 R_REFLO Position: Speicheradresse der Verwendung des Symbols Relozierungsart: Beschreibung der nötigen Modifizierung des Speichers zum Binden, Architekturabhängig Beispiel bei MIPS: R_REFHI: Kopiere obere 16 Bit der Adresse in untere 16 Bit von Position R_REFLO: Kopiere untere 16 Bit der Adresse in untere 16 Bit von Position R_JMPADDR: Kopiere untere 28 Bit der Adresse, 2 Bit nach rechts geschoben, in untere 26 Bit von Position

10 Der Bindeprozeß: Beispiel (2) Hauptprogramm: text=a04 Symboltabelle: GLOBL main text+0 A04 Wählt Startadresse: hier 0xA04 Sektionen werden zusammengehängt EXTERN zaehler 1B000 A04 main: # Hauptprogramm EXTERN pluseins A18 jal 0x jal 0 Relozierungstabelle: A08 lui $a0, 0x0000 lui pluseins text+0 A04 R_JMPADDRA0C ori $a0, $a0, 0x0000 zaehler text+4 A08 R_REFHI A10 li $v0, 1 zaehler text+8 A0C R_REFLO A14 syscall Zählermodul: text=a18, data=1b000 Symboltabelle: lui $t0, 0x0000 lui GLOBL zaehler data+0 1B000 A1C ori $t0, $t0, 0x0000 A20 lw $t1, 0($t0) GLOBL pluseins text+0 A18 A24 addi $t1, $t1, 1 Relozierungstabelle: A28 sw $t1, 0($t0) zaehler text+0 A18 R_REFHI A2C jr $ra zaehler text+4 A1C R_REFLO 1B000 zaehler: word 0 A18 pluseins: #Zaehlermodul

11 Relozierung Zwei verschiedene Typen von externen Symbolen: Relative Symbole: Programm benötigt relative Speicheradresse (z.b. für b-befehl) Distanz kann nach Zusammenhängen der Sektionen bestimmt werden Absolute Symbole: Programm benötigt absolute Speicheradresse (z.b. für la-befehl oder in Speicheradreßtabellen) Binder muß wissen, an welche Adresse das Programm geladen wird Virtueller Speicher ermöglicht beliebige Ladeadresse Ladeadresse wird vom Binder bestimmt

12 Ausführbare Programme Meist ähnliches Format wie Objektdatei Speichert Ladeadresse Alle externen Symbole aufgelöst Können direkt in Speicher abgebildet und ausgeführt werden

13 Assemblercode bis Ausführung (mit Binder) Assembler- Programm.s.asm Assembler Objektdatei.o.obj Binder Binärprogramm.exe Lader Ausführung. Assembler- Programm.s.asm Assembler Objektdatei.o.obj

14 Zusammenfassung: Binder und Bibliotheken Binder verwendet Relozierungs- und Symboltabelle Assembler generiert Relozierungs- und Symboltabelle Symboltabelle speichert Symbole einer Objektdatei Externe (benötigte) Symbole Exportierte Symbole Statische Symbole (nicht exportiert) Relozierungstabelle speichert Verwendungen von Symbolen in Objektdatei Wo wird die Adresse des Symbols benötigt? In welchem Format wird die Adresse benötigt?