Основы программирования в паскале

     12.05.03 226 уч. группа.

     Лекция 10.1

     1. Использование динамического  выделения памяти  при программировании  на языке Turbo Pascal 7.0.

     1.1 Динамическая память.

 

  Все глобальные  переменные и типизированные  константы размещаются в одной  непрерывной области оперативной памяти, которая называется сегментом данных.

     Длина сегмента определяется архитектурой процессора 8086 и составляет 64 Килобайта (65536 байт), что может вызвать определённые трудности при описании и обработке  больших массивов данных.

     С другой стороны объём стандартной памяти - 640 Килобайт. Выход - использовать динамическую память. 
  Динамическая память - это оперативная память ЭВМ, предоставляемая Турбо-Паскалевой программе при её работе, за вычетом сегмента данных (64 К), стека (обычно 16 К) и собственно тела программы. 
   По умолчанию размер динамической памяти определяется всей доступной памятью ЭВМ и, как правило, составляет не менее 200 - 300 Кбайт. 
   

     Динамическую  память обычно используют при:

1. обработке больших массивов данных;
2. разработке САПР;
3. временном запоминании данных при работе с графическими и звуковыми средствами ЭВМ.

 

     Размещение  статических переменных в памяти осуществляется компилятором в процессе компиляции. 
 

     Динамические  переменные - размещаются в памяти непосредственно в процессе работы программы.

     При динамическом размещении заранее неизвестны ни тип, ни количество размещаемых данных, к ним нельзя обращаться по именам, как к статическим переменным.

     Турбо-Паскаль  представляет средство управления динамической памятью: указатели. 
  Указатель - это переменная, которая в хранит качестве своего значения адрес байта памяти.

     В 8086 адреса задаются совокупностью двух шестнадцатиразрядных слов - сегмента и смещения.

     Сегмент - участок памяти, имеющий максимальную длину 64 К и начинающийся к физического адреса, кратного 16 (то есть 0, 16, 32, 48 и т.д.).

     Смещение - указывает, сколько байт от начала сегмента нужно пропустить, чтобы обратиться по нужному адресу.

     Фрагмент  памяти в 16 байт называется параграфом.

     Сегмент адресует память с точностью до параграфа, а смещение - с точностью до байта. 
  Каждому сегменту соответствует непрерывная и отдельно адресуемая область памяти. Сегменты могут следовать в памяти один за другим, или с некоторыми интервалами, или, наконец, перекрывать друг друга.

     Таким образом любой указатель по своей  внутренней структуре представляет собой совокупность двух слов (типа Word), трактуемых как сегмент и  смещение. Указатель адресует лишь первый байт типа данных. 
 

      
Справка: процессор 8086. 
8086 имеет 16 - битовые регистры, всего 14 штук, из них:

• 12 - регистры данных и адресов;
• 1 - указатель команд (регистр адреса команды);
• 1 - регистр состояния (регистр флагов).

 

     Регистры  данных и адресов делятся на три  группы:

• регистр данных;
• регистр указателей и индексов;
• регистр сегментов.

     Процессор 8086 всегда генерирует 20-ти бытовые адреса за счёт добавления 16-ти битового смещения к содержимому регистра, умноженному  на 16: 
физический адрес = смещение + 16 * регистр сегмента.

     Вместо  умножения на 16 содержимое регистра сегмента используется так, как если бы оно имело четыре дополнительных нулевых бита:  

       пусть:

        смещение = 10H

        регистр сегмента = 2000H

       тогда:

               0000  0000  0001  0000     (смещение)

         0010  0000  0000  0000 (0000)    (номер  блока)

         0010  0000  0000  0001  0000     (физический адрес)

      

       физический адрес = 20010H 

      

     У 8086 адрес ячейки задаётся номером  блока и смещением, что обусловлено  тем, что команды 8086 и её данные должны располагаться в разных частях памяти (в разных сегментах).

     Если  требуется адресоваться к данным, то потребуется адресация блока памяти, с которого начинается сегмент данных (из регистра сегмента данных) и позиция желаемой ячейки в этом сегменте (смещение).

     В дополнение к области памяти 1 Мбайт, 8086 может адресоваться к внешним устройствам через 65536 (64 К) портов ввода-вывода. Имеются специальные команды ввода-вывода, позволяющие иметь непосредственный доступ к первым 256 (от 0 до 255) портам. Другие команды позволяют получить косвенный доступ к порту с помощью занесения идентифицирующего его номера (0 - 65535) в определенный регистр данных. Подобно ячейке памяти любой порт может быть 8 или 16- битовым.

     Распределение памяти IBM PC.

• 16 - старших  байт - команды начальной загрузки  системы. 
• Первые 1024 ячейки - вектора прерываний.

     Типы  прерываний.

 

  Существуют 2 вида прерываний - одни можно  игнорировать, другие обязательно  обслужить как можно скорее.

     8086 может распознать 256 различных прерываний, каждому из них однозначно  соответствует код типа (целое  число от 0 до 255). Код используется в качестве указателя ячейки в области памяти с младшими адресами (область векторов прерываний).

     1.2 УКАЗАТЕЛИ

     (Операционная  система MS - DOS все адресуемое пространство  делит на сегменты.

     Сегмент - это участок памяти размером 64 К  байт.

     Для задания адреса необходимо определить адрес начала сегмента и смещение относительно начала сегмента.) 

     В TURBO PASCAL определен адресный тип Pointer - указатель.

     Переменные  типа Pointer

      

     var p: Pointer; 

     содержат  адрес какого - либо элемента программы и занимают 4 байта, при этом адрес хранится как два слова, одно из них определяет сегмент, второе - смещение. 

     Переменную  типа указатель можно описать  другим способом.

       type NameType= ^T;

       var p: NameType;

      

     Здесь p - переменная типа указатель, связанная с типом Т с помощью имени типа NameType.

     Описать переменную типа указатель можно  непосредственно в разделе описания переменных:

     var p: ^T; 

     Необходимо  различать переменную типа указатель  и переменную, на которую этот указатель  ссылается.

     Например  если p - ссылка на переменную типа Т, то p^ - обозначение этой самой переменной.

     Для переменных типа указатель введено  стандартное значение NIL, которое  означает, что указатель не ссылается  ни к какому объекту. Константа NIL используется для любых указателей.

     Над указателями не определено никаких операций, кроме проверки на равенство и неравенство.

     Переменные  типа указатель могут быть записаны в левой части оператора присваивания, при этом в правой части может  находиться либо функция определения  адреса Addr(X), либо выражение @ X, где @ - унарная операция взятия адреса, X - имя переменной любого типа, в том числе процедурного.

     Переменные  типа указатель не могут быть элементами списка ввода - вывода.

     1.3 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ

     Статической переменной (статически размещенной) называется описанная явным образом в программе переменная, обращение к ней осуществляется по имени.

       Место в памяти для размещения  статических переменных определяется  при компиляции программы.

     В отличие от таких статических  переменных в программах, написанных на языке ПАСКАЛЬ, могут быть созданы динамические переменные.

     Основное  свойство динамических переменных заключается  в том, что они  создаются и память для них выделяется во время выполнения программы.

     Размещаются динамические переменные в динамической области памяти (heap - области).

     Динамическая  переменная не указывается  явно в описаниях  переменных и к  ней нельзя обратиться по имени.

     Доступ  к таким переменным осуществляется с  помощью указателей и ссылок. 

     См. разд мат-л 1.

      // Работа с динамической областью памяти в TURBO PASCAL реализуется с помощью процедур и функций New, Dispose, GetMem, FreeMem, Mark, Release, MaxAvail, MemAvail, SizeOf.

     Процедура New( var p: Pointer ) выделяет место в динамической области памяти для размещения динамической переменной p^ и ее адрес присваивает указателю p.

     Процедура Dispose( var p: Pointer ) освобождает участок  памяти, выделенный для размещения динамической переменной процедурой New, и значение указателя p становится неопределенным.

     Проуедура GetMem( var p: Pointer; size: Word ) выделяет участок памяти в heap - области, присваивает адрес его начала указателю p, размер участка в байтах задается параметром size.

     Процедура FreeMem( var p: Pointer; size: Word ) освобождает участок  памяти, адрес начала которого определен указателем p, а размер - параметром size. Значение указателя p становится неопределенным.

     Процедура Mark( var p: Pointer ) записывает в указатель p адрес начала участка свободной  динамической памяти на момент ее вызова.

     Процедура Release( var p: Pointer ) освобождает участок динамической памяти, начиная с адреса, записанного в указатель p процедурой Mark, то-есть, очищает ту динамическую память, которая была занята после вызова процедуры Mark.

     Функция MaxAvail: Longint возвращает длину в байтах самого длинного свободного участка динамической памяти.

     Функция MemAvail: Longint полный объем свободной  динамической памяти в байтах.

     Вспомогательная функция SizeOf( X ): Word возвращает объем  в байтах, занимаемый X, причем X может  быть либо именем переменной любого типа, либо именем типа.

     //

     Рассмотрим  некоторые примеры работы с указателями.

     var

          p1, p2: ^Integer;

      

     Здесь p1 и p2 - указатели или пременные  ссылочного типа.

       p1:=NIL;  p2:=NIL; 

     После выполнения этих операторов присваивания указатели p1 и p2 не будут ссылаться ни на какой конкретный объект. 

     New(p1);  New(p2);

     Процедура New(p1) выполняет следующие действия:

• в памяти ЭВМ выделяется участок для размещения величины целого типа;
• адрес этого участка присваивается переменной p1:

      

       

     Аналогично, процедура New(p2) обеспечит выделение участка памяти, адрес которого будет записан в p2:

      

       

     После выполнения операторов присваивания

        p1^:=2;   p2^:=4;

     в выделенные участки  памяти будут записаны значения 2 и 4 соответственно: 

      

     

     В результате выполнения оператора присваивания

         p1^:=p2^;

     в участок памяти, на который ссылается  указатель p1, будет записано значение 4: