5.8. Спецификация представления

В этой книге неоднократно подчеркивается значение интерпретации про­граммы как абстрактной модели реального мира. Однако для таких программ, как операционные системы, коммуникационные пакеты и встроенное про­граммное обеспечение, необходимо манипулировать данными на физиче­ском уровне их представления в памяти.

Вычисления над битами

В языке С есть булевы операции, которые выполняются побитно над значениями целочисленных типов: «&» (and), «|» (or), «л» (xor), «~» (not).

Булевы операции в Ada — and, or, xor, not — также могут применяться к бу­левым массивам:

type Bool_Array is array(0..31) of Boolean;

Ada

B1: Bool_Array:=(0..15=>True, 16..31 => False);

B2: Bool_Array := (0..15 => False, 16..31 => True);

B1 :=B1 orB2;

Однако само объявление булевых массивов не гарантирует, что они представ­ляются как битовые строки; фактически, булево значение обычно представ­ляется как целое число. Добавление управляющей команды

Ada

pragma Pack(Bool_Array);

требует, чтобы компилятор упаковывал значения массива как можно плот­нее. Поскольку для булева значения необходим только один бит, 32 элемента массива могут храниться в 32-разрядном слове. Хотя таким способом и обес­печиваются требуемые функциональные возможности, однако гибкости, свойственной языку С, достичь не удастся, в частности, из-за невозможно­сти использовать в булевых вычислениях такие восьмеричные или шестнад-цатеричные константы, как OxfOOf OffO. Язык Ada обеспечивает запись для таких констант, но они являются целочисленными значениями, а не булевы­ми массивами, и поэтому не могут использоваться в поразрядных вычисле­ниях.

Эти проблемы решены в языке Ada 95: в нем для поразрядных вычислений могут использоваться модульные типы (см. раздел 4.1):

Ada

type Unsigned_Byte is mod 256;

UI,U2: Unsigned_Byte;

U1 :=U1 andU2;

Поля внутри слов

Аппаратные регистры обычно состоят из нескольких полей. Традиционно до­ступ к таким полям осуществляется с помощью сдвига и маскирования; опе­ратор

field = (i » 4) & 0x7;

извлекает трехбитовое поле, находящееся в четырех битах от правого края слова i. Такой стиль программирования опасен, потому что очень просто сде­лать ошибку в числе сдвигов и в маске. Кроме того, при малейшем измене­нии размещения полей может потребоваться значительное изменение про­граммы.

- Изящное решение этой проблемы впервые было сделано в языке Pascal: использовать обычные записи, но упаковывать несколько полей в одно сло­во. Обычный доступ к полю Rec.Field автоматически переводится компиля­тором в правильные сдвиг и маску.

В языке Pascal размещение полей в слове явно не задается; в других языках такое размещение можно описать явно. Язык С допускает спецификаторы разрядов в поле структуры (при условии, что поля имеют целочисленный тип):

C

typedef struct {

int : 3; /* Заполнитель */

int f1 :1;

int f2 :2;

C

int : 3; /* Заполнитель */

int f3 :2;

int : 4; /* Заполнитель */

int f4 :1;

}reg;

и это позволяет программисту использовать обычную форму предложений присваивания (хотя поля и являются частью слова), а компилятору реализо­вать эти присваивания с помощью сдвигов и масок:

reg r;

C

[с] int i;

i = r.f2;

r.f3 = i;

Язык Ada неуклонно следует принципу: объявления типа должны быть абстрактными. В связи с этим спецификации представления (representation speci­fications) используют свою нотацию и пишутся отдельно от объявления типа. К следующим ниже объявлениям типа:

type Heat is (Off, Low, Medium, High);

type Reg is

Ada

record

F1: Boolean;

F2: Heat;

F3: Heat;

F4: Boolean;

end record;

может быть добавлена такая спецификация:

Ada

for Reg use

record

F1 at 0 range 3..3;

F2 at Orange 4..5;

F3at 1 range 1..2;

F4at 1 range 7..7;

end record;

Конструкция at определяет байт внутри записи, a range определяет отво­димый полю диапазон разрядов, причем мы знаем, что достаточно одного бита для значения Boolean и двух битов для значения Heat. Обратите внима­ние, что заполнители не нужны, потому что определены точные позиции полей.

Если разрядные спецификаторы в языке С и спецификаторы представле­ния в Ada правильно запрограммированы, то обеспечена безошибочность всех последующих обращений.

Порядок байтов в числах

Как правило, адреса памяти растут начиная с нуля. К сожалению, архитекту­ры компьютеров отличаются способом хранения в памяти многобайтовых значений. Предположим, что можно независимо адресовать каждый байт и что каждое слово состоит из четырех байтов. В каком виде будет храниться це­лое число 0x04030201: начиная со старшего конца (big endian), т. е. так, что старший байт имеет меньший адрес, или начиная с младшего конца (little endi­an), т. е. так, что младший байт имеет меньший адрес? На рис. 5.6 показано размещение байтов для двух вариантов.

В компиляторах такие архитектурные особенности компьютеров, ес­тественно, учтены и полностью прозрачны (невидимы) для программиста, если он описывает свои данные на должном уровне абстракции.

Однако при использовании спецификаций представления разница меж­ду двумя соглашениями может сделать программу непереносимой. В языке Ada 95 порядок битов слова может быть задан программистом, так что для переноса программы, использующей спецификации представления, доста­точно заменить всего лишь спецификации.

Производные типы и спецификации представления в языке Ada

Производный тип в языке Ada (раздел 4.6) определен как новый тип, чьи зна­чения и

операции такие же, как у родительского типа. Производный тип мо­жет иметь представление, отличающееся от родительского типа. Например, если определен обычный тип Unpacked_Register:

Ada

type Unpacked_Register is

record

…

end record;

можно получить новый тип и задать спецификацию представления, связан­ную с производным типом:

Ada

type Packed_Register is new Unpacked_Register;

for Packed_Register use

record

…

end record;

Преобразование типов (которое допустимо между любыми типами, получен­ными друг из друга) вызывает изменение представления, а именно упаковку и распаковку полей слов в обычные переменные:

U: Unpacked_Register;

Р: Packed_Register;

Ada

U := Unpacked_Register(P);

Р := Packed_Register(U);

Это средство может сделать программы более надежными, потому что, коль скоро написаны правильные спецификации представления, остальная часть программы становится полностью абстрактной.