Передача параметров при вызове подпрограмм
Что такое подпрограмма
Подпрограмма представляет собой самостоятельную компьютерную программу, включенную в состав более сложной программы (по отношению к подпрограмме она выступает в роли основной или вызывающей программы). В любом месте основной программы можно обратиться к подпрограмме (чаще говорят "вызвать подпрограмму"). Ядро процессора при этом должно перейти на адрес первой команды подпрограммы, а после ее завершения вернуться на адрес команды основной программы, следующей за командой вызова подпрограммы.
В пользу применения подпрограмм в технологии программирования чаще всего выдвигаются два довода — экономия места в оперативной памяти и модульность структуры программы. Подпрограмма, в которой закодирован определенный алгоритм, может вызываться многократно, и таким образом экономится место в оперативной памяти, но в этом смысле подпрограмма мало чем отличается от цикла. Важнее другое — подпрограммы позволяют структурно разбить программу решения сложной задачи на более мелкие модули, решающие отдельные подзадачи. Такая модульность структуры большой программы существенно облегчает ее разработку.
Механизм поддержки работы с подпрограммами должен включать два основных типа команд — команду вызова подпрограммы и команду возврата из подпрограммы. Команда вызова подпрограммы должны обеспечить переход на первую команду вызываемой подпрограммы, а команда возврата — переход на команду вызывающей программы, следующую за командой вызова. Команды относятся к категории команд управления ходом выполнения программы.
|
|
На рис. 17.1а показан пример использования подпрограммы. В данном примере имеется основная программа, которая размещена в оперативной памяти, начиная с адреса 4000. В основной программе существует вызов подпрограммы PROC1, которая размещена в оперативной памяти, начиная с адреса 4500. Когда в процессе выполнения основной программы ядро процессора дойдет до этой команды, оно прервет выполнение основной программы и перейдет на выполнение подпрограммы PROC1, поместив ее начальный адрес 4500 в счетчик команд. В теле подпрограммы PROC1 есть две команды вызова подпрограммы PROC2, которая размещена в оперативной памяти, начиная с адреса 4800. Дойдя до каждой из этих команд, ядро процессора прекратит выполнять подпрограмму PROC1 и перейдет на выполнение подпрограммы PROC2. Встретив в подпрограмме команду RETURN, ядро процессора вернется в вызывающую программу и продолжит ее выполнение с команды, следующей за командой CALL, которая вызвала переход на только что завершенную подпрограмму. Этот процесс схематически показан на рис. 17.1.6.
|
|
Необходимо обратить внимание на следующие моменты:
подпрограмма может быть вызвана из любого места других программных
модулей. Таких вызовов может быть сколько угодно.
одна подпрограмма может быть вызвана из другой, которая, в свою очередь, вызвана третьей. Это называется вложенностью (nesting) вызовов. Глубина вложенности теоретически может быть произвольной.
при выполнении возврата из подпрограммы должен обеспечиваться переход
именно на ту команду вызова, которая запустила завершенный сеанс выполнения подпрограммы.
|
Рис. 17.1. Вложенный вызов подпрограмм:
а — команды вызова и возврата; б — последовательность выполнения команд
Из всего этого следует, что ядро процессора при выполнении команды вызова подпрограммы должно каким-то образом сохранить адрес возврата (т.е. адрес команды вызывающей программы, следующей за выполняемой командой вызова). Существует три места, где можно было бы сохранить адрес возврата:
регистр процессора;
начальный адрес подпрограммы;
верхняя ячейка стека.
Рассмотрим машинную команду CALL X, которая интерпретируется как "вызов подпрограммы, расположенной по адресу X". Если для хранения адреса возврата использовать регистр Rn, то выполнение команды CALL X должно проходить следующим образом (PC — счетчик команд ядра процессора):
|
|
Rn PC + D
PC X
В этой записи D — длина текущей команды. Затем адрес возврата оказывается в регистре Rn, откуда его может извлечь вызванная подпрограмма и сохранить где-либо в оперативной памяти для выполнения в дальнейшем возврата в вызывающую программу.
Если будет принято решение сохранять адрес возврата по начальному адресу вызываемой подпрограммы, то при выполнении команды CALL X ядру процессора нужно будет выполнять следующие операции:
(X) PC + D
PC X + 1
Это довольно удобно, поскольку адрес возврата всегда сохраняется в месте, точно известном подпрограмме (точнее, ее разработчику).
Оба описанных подхода работоспособны и используются на практике. Единственным, но довольно существенным их недостатком является невозможность реализации реентерабельныхподпрограмм. Реентерабельность подпрограммы означает, что она может быть вызвана повторно еще до завершения текущего вызова. Например, это происходит, если внутри подпрограммы вызывается другая подпрограмма, которая, в свою очередь, вызывает первую. Реентерабельными должны быть и подпрограммы, реализующие рекурсивные алгоритмы.
|
|
Более общим, и более надежным, подходом является использование для хранения адреса возврата стека. Когда ядро процессора выполняет команду вызова подпрограммы, адрес возврата помещается в верхнюю ячейку стека, а когда он выполняет команду возврата, извлекает этот адрес из верхней ячейки стека.
Стеки
Стек — это список элементов данных, обычно слов или байтов, доступ к которым ограничен следующим правилом: элементы этого списка могут добавляться только в его конец и удаляться только из конца. Конец списка называется вершиной стека, а его начало — дном. Такую структуру иногда называют магазином. Представьте себе стопку подносов в столовой. Клиенты берут подносы сверху, работники столовой, добавляя чистые подносы, тоже кладут их на верх стопки. Этот механизм хранения хорошо описывается емкой фразой «последним вошел — первым вышел» (Last In First Out, LIFO), означающей, что элемент данных, помещенный в стек последним, удаляется из него первым. Операцию помещения нового элемента в стек часто называют его проталкиванием (push), а операцию извлечения последнего элемента из стека называют его выталкиванием (pop).
Хранящиеся в оперативной памяти компьютера данные могут быть организованы в виде стека, так чтобы последовательные элементы располагались друг за другом. Предположим, что первый элемент хранится по адресу BOTTOM, а когда в стек помещаются новые элементы, они располагаются в порядке уменьшения последовательных адресов. Таким образом, стек растет в направлении уменьшения адресов, что является весьма распространенной практикой.
На рис. 17.2 показано, как располагается в памяти компьютера стек, элементы которого занимают по одному слову.
На «дне» он содержит числовое значение 43, а на вершине — 28. Для отслеживания адреса вершины стека используется регистр ядра процессора, называемый указателем стека (Stack Pointer, SP). Это может быть один из регистров общего назначения или же регистр, специально предназначенный для этой цели.
Рис. 17.2. Стек слов в оперативной памяти
Если предположить, что оперативная память адресуется побайтно и слово имеет длину 32 разряда, операцию проталкивания в стек можно реализовать так:
Subtract #4,SP
Move NEWITEM.(SP),
где команда Subtract вычитает исходный операнд 4 из результирующего операнда, содержащегося в регистре SP, и помещает результат в регистр SP. Эти две команды помещают слово, хранящееся по адресу NEWiTEM, на вершину стека, предварительно уменьшая указатель стека на 4. Операция выталкивания из стека может быть реализована так:
Move (SP),ITEM
Add #4,SP .
Эти две команды перемещают значение, хранившееся на вершине стека, в другое место оперативной памяти, по адресу ITEM, а затем уменьшают указатель стека на 4, чтобы он указывал на тот элемент, который теперь располагается на вершине стека. Результат выполнения каждой из этих операций для стека, показанного на рис. 17. 2, приведен на рис. 17.3.
Рис. 17.3. Результат выполнения операций со стеком
Если в архитектуре поддерживаются режимы автоинкрементной и автодекрементной адресации, для помещения нового элемента в стек достаточно команды
Move NEWITEM,-(SP),
а выталкивание элемента из стека можно выполнить посредством команды
Move (SP)+,ITEM.
Когда стек используется программой, для него обычно выделяется фиксированное количество ячеек оперативной памяти. В этом случае нужно проследить за тем, чтобы программа не пыталась помещать новые элементы в стек, достигший своего максимального размера. Кроме того, она не должна пытаться вытолкнуть элемент из пустого стека, что могло бы произойти в случае логической ошибки.
Предположим, что стек заполняется, начиная с адреса 2000 (BOTTOM) до 1500 и далее. Первоначально в регистр, играющий роль указателя стека, загружается значение 2004. Напомним, что перед помещением в стек нового элемента данных из значения SP каждый раз вычитается 4. Поэтому начальное значение 2004 означает, что первый элемент стека будет иметь адрес 2000. Для предотвращения попыток помещения элемента в полный стек или удаления элемента из пустого стека нужно несколько усложнить реализацию операций проталкивания и выталкивания элемента. Для выполнения каждой из этих операций указаннойвыше команды недостаточно — ее нужно заменить последовательностью команд, приведенной в таблице 17.1.
Команда сравнения Compare src,dst выполняет операцию [src]-[dst] и устанавливает флаги условий в соответствии с полученным результатом. Она не изменяет значения ни одного из операндов. Фрагмент а таблицы 17.1 демонстрирует выталкивание элемента из стека, а фрагмент б этой же таблицы - помещение элемента в стек при реализации контроля пустого и полного стека при выполнении операций проталкивания и выталкивания элемента.
Таблица 17.1
Метка | Команда | Операнды | Комментарий | |
Фрагмент а | ||||
SAFEPOP | Compare | #2000,SP | Проверка того, не содержит ли указатель стека значение больше 2000. Если это так, значит стек пуст, и осуществляется переход к подпрограмме EMPTYERROR, выполняющей соответствующее действие | |
| Branch >0 | EMPTYERROR | ||
| Move | (SP)+, ITEM | В противном случае элемент, расположенный на вершине стека выталкивается, а затем помещается в память по адресу ITEM | |
Фрагмент б | ||||
SAFEPUSH | Compare Branch ≤0 | #1500,SP FULLERROR | Проверка того, не содержит ли указатель стека значение меньше или равное 1500. Если содержит, значит стек полон. В таком случае выполняется переход к подпрограмме FULLERROR, выполняющей соответствующее действие | |
Move | NEWITEM, -(SP) | В противном случае в стек помещается элемент, хранящийся в памяти по адресу NEWITEM | ||
Передача параметров при вызове подпрограмм
Вызывая подпрограмму, программа должна передать ей параметры (операнды), или же их адреса. Закончив свою работу, подпрограмма вернет другие параметры — результаты выполнения. Такой обмен информацией между вызывающей программой и подпрограммой называется передачей параметров. Передача параметров может выполняться несколькими способами. Например, параметры можно помещать в регистры или в оперативную память, откуда подпрограмма сможет их считать. В качестве альтернативы параметры можно поместить в стек, используемый для хранения адресов возврата.
Использование регистров ядра процессора — способ простой и эффективный. В таблице 17.2 показано, как реализовать программу, выполняющую сложение последовательности чисел, в виде подпрограммы с передачей параметров через регистры.
Таблица 17.2
Метка | Команда | Операнды | Комментарий | |
Вызывающая программа | ||||
| Move | N, R1 | R1 играет роль счетчика | |
Move | #NUM,R2 | R2 указывает на последовательность | ||
Call | LISTADD | Вызов подпрограммы | ||
Move | R0,SUM | Сохранение результата | ||
| …….. | |||
Подпрограмма | ||||
LISTADD
LOOP | Clear | R0 | Инициализация суммы значением 0 | |
Add | (R2)+,R0 | Добавление числа из последовательности | ||
Decrement | R1 | Уменьшение счетчика | ||
Branch>0 | LOOP | Если счетчик не равен 0, возврат на цикл | ||
Return | Возврат в вызывающую программу | |||
Длина последовательности п, информация о которой хранится в оперативной памяти по адресу N, и адрес первого числа NUM1 передаются подпрограмме через регистры R1 и R2. Вычисленная подпрограммой сумма возвращается вызывающей программе через регистр R0. Первые две команды загружают в регистры R1 и R2 значения N и NUM1. Команда CALL выполняет переход к подпрограмме, начинающейся по адресу LISTADD. Кроме того, эта команда помещает в стек адрес возврата из подпрограммы. Подпрограмма вычисляет сумму и помещает ее в регистр R0. После возврата из подпрограммы вызывающая программа сохраняет эту сумму в оперативной памяти по адресу SUM.
Если у подпрограммы много параметров, для их передачи может просто не хватить регистров общего назначения. С другой стороны, стек — структура гибкая, в него можно поместить много параметров. Следующий пример показывает, как выполняется передача параметров через стек. В таблице 17.3приведена та же программа, выполняющая сложение последовательности чисел, но реализованная в виде подпрограммы LISTADD. Любая другая программа может вызвать указанную подпрограмму для сложения последовательности чисел. Подпрограмме LISTADD передается адрес первого числа в последовательности и количество ее элементов. Подпрограмма выполняет сложение и возвращает полученную сумму. Ее параметры помещаются в стек процессора, на который указывает регистр SP. Предположим, что до вызова подпрограммы вершина стека располагается на уровне 1 (рис.17.4). Вызывающая программа помещает в стек адрес NUM1 и значение п и вызывает подпрограмму LISTADD. Кроме того, команда CALL помещает в стек адрес возврата из подпрограммы. Теперь вершина стека располагается на уровне 2.
Таблица 17.3
Метка | Команда | Операнды | Комментарий | |
Предполагается, что вершина стека расположена на уровне 1 | ||||
| Move | #NUM1,-(SP) | Помещение параметров в стек | |
| Move | N,-(SP) | ||
| Call | LISTADD | Вызов подпрограммы ( вершина стека на уровне 2) | |
| Move | 4(SP),SUM | Сохранение результата | |
| Add | #8,SP | Восстановление вершины стека ( вершина стека на уровне 1) | |
| ……. | |||
LISTADD | MoveMultyple | R0-R2,-(SP) | Сохранение регистров ( вершина стека на уровне 3) | |
| Move | 16(SP),R1 | Инициализация счетчика значением n | |
| Move | 20(SP),R2 | Инициализация указателя на последовательность чисел | |
| Clear | R0 | Инициализация суммы значением 0 | |
LOOP | Add | (R2)+,R0 | Добавление числа из последовательности чисел | |
| Decrement | R1 | Уменьшение счетчика | |
| Branch>0 | LOOP | Проверка цикла | |
| Move | R0,20(SP) | Помещение результата в стек | |
| MoveMultyple | (SP)+,R0-R2 | Восстановление регистров | |
| Return | Возврат в вызывающую программу | ||
Рис.17.4. Программа, выполняющая сложение последовательности чисел и реализованная как подпрограмма, с передачей параметров через стек
Подпрограмма использует три регистра. Поскольку в них могут содержаться данные, принадлежащие вызывающей программе, их содержимое сохраняется в стеке. Для помещения в стек содержимого регистров от R0 до R2 использована команда MoveMultiple. Подобные команды имеются у многих архитектур. Теперь вершина стека располагается на уровне 3. С помощью индексной адресации подпрограмма считывает из стека параметры п и NUM1. Значение указателя стека при этом не меняется, поскольку на вершине стека по-прежнему располагаются нужные элементы данных. Значение п загружается в регистр R1, который будет играть роль счетчика, а адрес NUM1 — в регистр R2, который будет служить указателем при сканировании списка значений. Регистр R0 должен содержать результат суммирования. Перед возвратом из подпрограммы содержимое регистра R0 помещается в стек, заменяя параметр NUM1, который больше не нужен. Затем из стека восстанавливается содержимое трех регистров, использовавшихся подпрограммой. Теперь верхним элементом стека является адрес возврата, расположенный на уровне 2. После возврата из подпрограммы вызывающая программа сохраняет результат в оперативной памяти по адресу SUM и возвращает вершину стека на ее исходный уровень, уменьшая значение SP на 8.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 146; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!