Dal busy-wait all’interrupt

Costo aggiuntivo del busy-wait in un sistema di I/O

2. CDROM player (20X)=> trasferisce dati al processore in blocchi da 8 bytes ad un tasso di 3 MB/s. Non è permesso perdere dati.

3. Hard Disk => trasferisce dati in blocchi da 4 longwords con un throughput max di 16 MB/s. Di nuovo non è permesso perdere dati.

Si assuma che per l’interrogazione di un dispositivo, incluso il trasferimento del controllo alla procedura di gestione, l’accesso al dispositivo, ed il ritorno al programma utente, siano necessari 400 cicli e che il processore lavori con una frequenza di clock di 2 GHz.

Si calcoli la frazione di tempo di CPU consumata nei seguenti casi, assumendo che si esegua una interrogazione del dispositvo tramite busy-wait con una frequenza sufficiente a far sì che nessun dato venga mai perso e supponendo che i dispositivi siano potenzialmente sempre al lavoro.

1. Mouse => per non perdere alcun movimento dell’utente deve essereinterrogato almeno 30 volte al secondo.

Soluzione (1)Cicli di clock per secondo per l’interrogazione=

30 * 400=12000 cicli/sec

% cicli di clock del processore utilizzati= 12 * 103 = 0,0012% 1000 * 106

Frequenza di interrogazione=3000 Kb/sec =375K accessi/sec 8 byte/accesso

Cicli per secondo spesi dalla CPU= 375K * 400 = 150*106

% processore utilizzato= 150 * 106 = 7,5% 2000 * 106

CD-ROM PLAYER (20x =>3 MB/sec)

MOUSE

Ignoriamo la discrepanza tra base 2 e base 10

Soluzione (2)

Frequenza di interrogazione=16 Mb/sec =1 M=10 6 accessi/sec 16 byte/accesso

Cicli per secondo spesi= 400 * 106

% processore utilizzato= 400 * 106 = 20% 2000 * 106

HARD DISK

Ignoriamo la discrepanza tra base 2 e base 10

Osservazione: Per il mouse l’ipotesi di costante attività ha senso e l’overhead è accettabile (frequenza di interrogazione necessaria è bas-sa). CD-ROM e HD sono attivati solo quando è esplicitamente richiesto dal sistema operativo, e non costantemente. L’overhead medio è quindiminore a quello da noi calcolato, assumendo che il dispositivo sia sempre attivo. Tuttavia, nel momento in cui il SO inizia una operazione sul dispositivo, questo deve essere interrogato costantementeperché non è possibile sapere a priori quando il dispositivo avvieràeffettivamente il trasferimento.

Come ridurre tale overhead?

Idea : utilizzare un meccanismo per segnalare al processore quando un dispositivo di I/O richiede la sua attenzione=> le

interruzioni.

Problemi:

1. Evitare che il verificarsi di un’interruzione non provochi interferenze indesiderate con il programma interrotto. => Salvataggio del contesto

2. Una CPU può colloquiare con diversi devices, i quali devono essere gestiti tramite routine specifiche => necessità di identificare l’origine dell’interruzione

3. Gestire richieste concorrenti di interruzione o interruzioni che pervengono al processore mentre è già in corso un’interruzione (si dovrà interrompere la routine di servizio del primo interrupt?). =>definizione della gerarchia di priorità.

Fasi per la gestione dell'interruzione

 a)   salvare lo stato del processo in esecuzione; b)   identificare il programma di servizio relativo all'interruzione; c)   eseguire il programma di servizio; d) riprendere le attività lasciate in sospeso.

Context switchIl contesto su cui opera un programma è costituito da:

•Il registo PC: contiene l’indirizzo dell’istruzione da cui dovrà essere ripresa l’esecuzione del programma interrotto

•Il registro di stato

•I registri del modulo ALU, compresi i bit di condizione, che possono contenere valori che il programma interrotto non ha terminato di elaborare. Gestendo l’interruzione solo prima della fase di fetch, quando l’esecuzione dell’istruzione precedente è completamente conclusa, possiamo evitare di memorizzare sia questi registri, che lo stato del microprogramma.

Quando si verifica un’interruzione avviene una commutazione dal contesto del programma interrotto a quello della routine di servizio.

Analogamente il contesto del programma interrotto deve essere ripristinato una volta conclusa la routine di servizio.

Context switch (2)Occorre impedire che si verifichino altre interruzioni mentre sono in corso le operazioni di commutazione, pena possibili incongruenze tra i valori presenti nei registri di un contesto commutato solo parzialmente. Per fare ciò quando, al termine dell’esecuzione di un’istruzione, il segnale IRQ=0 assume valore 1, il flip-flop I viene settato a 0 via firmware. Inoltre il PD32 prevede a salvare nello stack lo SR e il PC. Infine, nel PC è caricato l’indirizzo della routine di servizio del device che ha richiesto l’interruzione.

I

CPU

INT

IRQi+1IRQiIRQi-1

Vcc

Modulo interfaccia i-1

Modulo interfaccia i

Modulo interfaccia i+1

Riconoscimento delle interruzioni (IVN)

Periferica CPU

INTIACK

identificazioneperiferica

Indirizzo0iniziale1

prog.servizio2prima perife.3

Indirizzo4iniziale5

prog.servizio6 seconda perife.7

Indirizzo4*iiniziale4*i+1

...

prog.servizio4*i+2perife. i-esima4*i+3

PUSH …

POPRTI

...

IdentificativoPeriferica x 4

Meccanismo di interruzione multilivello (a polling o vettorizzata)

CO

NT

RO

LL

OR

E IN

TE

RR

UZ

ION

I a PRIO

RIT

A’

QS R

QS R

INT0

LIVELLO 0

P01 P02 P0K

IR IR IR

QS R

QS R

INT1IFF1

LIVELLO 1

P11 P12 P1K

IR IR IR

ACK0

ACK1QS

RQS

R

INTL

LIVELLO L

PL1 PL2 PLK

IR IR IR

ACKL

MFF

1IFFL

MFF

LIFF0

MFF

0

…

Aum

ento

del

la p

rior

itàAumento della priorità

PD32

IRQ

IACK

Alcune Istruzioni per la gestione dell’I/O (Classe 7)

CLEAR dev - - - - - - Viene azzerato il flip-flop STATUS del dev

e senza avviare l'operazione.

SETIM dev - - - - - - Viene abilitato il device dev ad inviare

interruzioni: IM=1

CLRIM dev - - - - - - Viene disabilitato il device dev ad inviare

interruzioni: IM=0JIM dev, D1 - - - - - - Se IM=1 salta alla

destinazione D1JNIM dev, D1 - - - - - - Se IM=0 salta alla

destinazione D1

Scambio di dati da periferica di input e periferica di output

Si vuole realizzare lo scambio dei dati, in formato byte, da una periferica di input e una di output. Lo scambio avverrà attraverso l’uso di un buffer, di un byte, allocato in RAM. La periferica di input caricherà il buffer con il dato “prodotto”, quella di output lo scaricherà “consumandolo”.Si deve inoltre impedire che la periferica di input possa inviare un nuovo dato, fino a che il buffer non sarà vuoto. Analogamente la periferica di output non potrà consumare dati se il buffer è vuoto.

Interrupt da INPU

T

device Inte

rrup

t da

OU

TPU

T de

vice

Salva R0 nello stack

Buffer pienosi

Inibisce INPUT devCLRIM input

Ripristina contestoed esci

Setta flag: buffer pieno

no

INB input,bufferSTART input

Output device haIM abilitato?

sino

Ripristina contestoed esci

SETIM output

Salva R0 nello stack

Buffer vuotosi

no Inibisce OUTPUT devCLRIM output

Ripristina contestoed esci

Resetta flag: buffer vuoto

OUTB buffer,outputSTART output

INPUT device haIM abilitato?

sino

Ripristina contestoed esci

SETIM input

; PROGRAMMA DIMOSTRATIVO SULL'USO DEI DEVICES; Una periferica di input invia dati in un buffer di 1byte con il meccanismo degli; interrupt, la periferica di output preleva il dato dal suddetto buffer; Nel simulatore è necessario installare due periferiche:; INPUT: I/O=I, ind=30h, IVN=2; OUTPUT: I/O=O, ind=56h, IVN=7

org 400h ;INIZIO PROGRAMMA input equ 30h ;indirizzo periferica inputoutput equ 56h ;indiririzzo periferica outputflag db 0 ;flag =0 buffer vuoto, flag=1 buffer pienobuffer equ 500h ;indirizzo buffer di scambio

code ;inizio istruzioniseti ;abilita PD32 ad accettare interruzionisetim input ;abilita periferica di input ad accettare interruzionisetim output ;abilita periferica di output ad accettare interruzionistart input ; avvio produzione del datostart output ; avvio consumo del dato

main: jmp main ; progr. Principale = loop infinito

;DRIVER DI INPUT;Invia dati al buffer se questo e' pieno pone in attesa la periferica;di input 0->IM, sblocca (se in attesa) la periferica di output 1->IM

driver 2, 600h ;Il driver della periferica con IVN=2;inizia dall'ind. 600h

pinput: push r0 ;salva contenuto di R0movb flag,r0 ;carica flag in R0cmpb #1,r0 ;controlla se buffer pienojz inibisci ;se pieno pongo in attesa la periferica di input

accetta: ;altrimenti invia datomovb #1,flag ;pongo il flag=1 (buffer pieno)inb input,buffer ;carico dato nel buffer start input ;abilito device a generare un nuovo datojnim output,sbloccao ;se periferica di output e' in attesa la sbloccojmp fineinp ;termina

inibisci: clrim input ;pone perif. input in attesa (buffer pieno)fineinp: pop r0 ;fine driver

rti ;ritorno da interruzionesbloccao:setim output ;sblocco periferica output

jmp fineinp ;FINE DRIVER DI INPUT

;DRIVER DI OUTPUT;Preleva dati dal buffer se questo e' vuoto pone in attesa la periferica;di output 0->IM, sblocca (se in attesa) la periferica di input 1->IM

driver 7,700h ;Il driver della periferica di IVN=7;inizia dall'indirizzo 700h

poutput:push r0 ;salva contenuto di R0movb flag,r0 ;carica flag in R0cmpb #0,r0 ;il buffer e' vuoto?jz blocca ;se vuoto pongo in attesa la periferica di output

consuma:outb buffer,output ;altrimenti invio dato alla periferica di outputmovb #0,flag ;pongo flag=0 (buffer vuoto)start output ;abilito perif. output a consumare il datojnim input,sblocca ;se perif. di input 'in attesa' la sbloccojmp esci ;termina

blocca: clrim output ;blocco perif. output (buffer vuoto)esci: pop r0 ;termina prog.

rti ;ritorna da interruzionesblocca:setim input ;sblocco input

jmp esci;FINE DRIVER DI OUTPUT

end ;FINE PROGRAMMA

Costo aggiuntivo di un’operazione di I/O gestita tramite interruzioni

Come nel precedente esempio, si ha un processore a 2GHZ e un hard disk che trasferisce dati in blocchi da 4 longwords con un throughput max di 16 MB/s. Si ipotizzi che il costo aggiuntivo per ogni trasferimento, tenendo conto delle interruzioni, è pari a 500 cicli di clock. Si trovi la frazione del processore utilizzata nel caso in cui l’hard disk stia trasferendo dati per il 5% del suo tempo.

Frequenza di interrogazione=16 Mb/sec =1 M=10 6 accessi/sec 16 byte/accesso

Cicli per secondo spesi= 500 * 106

% processore utilizzato= 500 * 106 = 25% 2000 * 106

Frazione del processore utilizzata in media=25 % * 5 %= 1,25%

La gestione dell’I/O tramite interrupts solleva il processore dal peso di attendere

il verificarsi degli eventi di I/O. Il costo aggiuntivo può essere comunque

intollerabile se i dispositivi con cui si interagisce hanno a disposizione una

elevata larghezza di banda.

Un esempio già noto…Una stanza e’ monitorata da 4 sensori di temperatura, i quali sono pilotati da un PD32. Quest’ultimo controlla costantemente che il valor medio della temperatura rilevata nella stanza sia compreso tra i valori [Tmin-Tmax]. Nel caso in cui il valor medio della temperatura non cada in tale intervallo, il microprocessore inviera’ un segnale di allarme su un’apposita periferica (ALARM). Il segnale d’allarme utilizzato e’ il valore 1 codificato con 8 bit. Se la temperatura ritorna all’interno dell’intervallo [Tmin-Tmax], la CPU invia sulla periferica il valore 0.

I sensori ritornano la temperatura misurata come un numero intero ad 8 bit, usando i decimi di gradi Celsius come unita’ di misura.

Scrivere il codice assembly per il controllo dei sensori di temperatura e della periferica di allarme… utilizzando il meccanismo delle interruzioni vettorizzate (piuttosto che il polling + busy wait).

Il codice (1)org 400h ;INIZIO PROGRAMMA

sensore1 equ 0h ; indirizzo sensore1 sensore2 equ 1h ; indirizzo sensore2 sensore3 equ 2h ; indirizzo sensore3 sensore4 equ 3h ; indirizzo sensore4alarm equ 4h ; indiririzzo periferica allarmelowbound equ 200 ; T-min espresso in decimi di gradi Celsiusupbound equ 300 ; T-min espresso in decimi di gradi Celsiusmedia dl 0 ; valore medio della temperatura rilevato baseadd equ 2000h; buffer contenente la temperatura misuratadevice dl 0 ; indirizzo ultimo sensore che ha acquisitoswitch db 0 ; valore da spedire sulla periferica d’allarmestate db 0 ; stato allarme (0=off, 1=on)

code ;inizio istruzionimain:

;...jsr init;...

loop: jmp loop ;trucco per simulare il codice sul PD32, la periferica è libera per eventualielaborazioni

Il codice (2); subroutine di inizializzazione delle periferiche e avvio acquisizioneinit:

push r0push r1; calcola il centro dell'intervallo [Tmin-Tmax] ...movl #lowbound, R0 ;addl #upbound, R0 ;asrl #1, R0 ; e lo memorizza in R0movl #baseadd,R1movl R0, (R1) ; aggiorna i buffer dei 4movl R0, 4(R1) ; sensori con il valor medio movl R0, 8(R1) ; dell’intervallomovl R0, 12(R1) ; movl R0, media ; inizializza la mediamovb #0,state ; state memorizza lo stato (IN=0, OUT=1)SETIM sensore1 ;SETIM sensore2SETIM sensore3SETIM sensore4 ; abilita i sensori a inviare interruzioniCLRIM alarm ; blocca la periferica d’allarme che al momento non serveSETI ; abilita il processore a ricevere interruzioni

Il codice (3)START sensore1;START sensore2;START sensore3;START sensore4; avvia l’acquisizione dei dati dai sensori di temp.pop r1pop r0ret

; fine subroutine init; DRIVERSdriver 0, 1600h ; periferica con IVN 0 ha driver allocato a partire dall’ind 1600h

movl #sensore1, devicejsr GETrti

driver 1, 1650hmovl #sensore2, devicejsr GETrti

driver 2, 1700h …; … e 3

Il codice (4)driver 4, 1800h

OUTB SWITCH, alarm ;invia il valore di switch sul buffer di alarmstart alarm ;avvia il consumo del datoclrim alarm ;disabilita ulteriori interrupts della perifericarti

; SUBROUTINE GET: ACQUISIZIONE DATI DALLA PERIFERICA IL CUI IND. E’ ; E' SPECIFICATO NELLA VARIAB. DEVICE

GET: PUSH r0push r4push r5movl #baseadd, R0movl device,r5asll #2,r5 ; r5=device*4ADDL r5, R0 ; r0=baseadd+device*4asrl #2,r5 ;ripristina R5 all’address del device

INL r5, (R0); preleva il valore e lo mette in RAM nel corrispondente bufferSTART r5 ; avvia nuova acquisizione

JSR NEWMEDIA

Il codice (5)MOVL media, R5 ; carico la media aggiornata in R5movb state, R4 CMPL #upbound , R5 JNC OUT ; upbound <= R5CMPL #lowbound, R5;JC OUT ;lowbound > R5; altrimenti siamo nell'intervallo [TMIN-TMAX]...CMPb #0, R4 ; verifico se lo stato era IN=0 o OUT=1JNZ eraout ;

exit: pop r5pop r4pop r0RET

eraout: MOvb #0 ,switchSETIM alarmmovb #0, statejmp exit

OUT: CMPb #0, R4 ; verifico se lo stato era IN=0 o OUT=1JZ erain ;jmp exit

Il codice (6)erain: MOVb #1 ,switch

SETIM alarmmovb #1, statejmp exit

; aggiorna la media in base ai valori presenti nelle 4 longwords a partire da baseaddNEWMEDIA:

PUSH R0PUSH R1MOVL #baseadd,R1XORL R0,R0ADDL (R1),R0ADDL 4(R1), R0ADDL 8(R1), R0ADDL 12(r1), R0ASRL #2, R0MOVL R0, mediaPOP R1POP R0 RETend