Dal busy-wait
all’interrupt
Costo aggiuntivo del busy-wait in un sistema di I/O
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 essere
interrogato almeno 30 volte al secondo.
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.
Soluzione (1)
MOUSE
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
CD-ROM PLAYER (20x =>3 MB/sec)
Frequenza di interrogazione=3000 Kb/sec
8 byte/accesso
=375K accessi/sec
Cicli per secondo spesi dalla CPU= 375K * 400 = 150*106
% processore utilizzato= 150 * 106 = 7,5%
Ignoriamo la
2000 * 106
discrepanza tra
base 2 e base 10
HARD DISK
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
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 bassa). CD-ROM e HD sono attivati solo quando è esplicitamente richiesto
dal sistema operativo, e non costantemente. L’overhead medio è quindi
minore 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 costantemente
perché non è possibile sapere a priori quando il dispositivo avvierà
effettivamente 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
all'interruzione;
il
programma
di
c) eseguire il programma di servizio;
d) riprendere le attività lasciate in sospeso.
servizio
relativo
Context switch
Il 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.
Vcc
CPU
INT
IRQi-1
IRQi
IRQi+1
I
Modulo
interfaccia i-1
Modulo
interfaccia i
Modulo
interfaccia i+1
Riconoscimento delle interruzioni (IVN)
Periferica
Indirizzo
0
iniziale
1
2 prog.servizio
3 prima perife.
Indirizzo
4
iniziale
5
6 prog.servizio
7 seconda perife.
.
.
.
Indirizzo
4*i
iniziale
4*i+1
4*i+2 prog.servizio
4*i+3 perife. i-esima
INT
IACK
identificazione
periferica
CPU
PUSH …
.
.
.
Identificativo
Periferica x 4
POP
RTI
Meccanismo di interruzione multilivello
(a polling o vettorizzata)
Aumento della priorità
LIVELLO L
R
ACKL
MFFL
PLK
IFFL
PL2
IR
Q
S
PL1
IR
R
IR
Q
S
Aumento della priorità
…
INTL
CONTROLLORE INTERRUZIONI a PRIORITA’
R
ACK1
INT1
MFF1
P1K
IFF1
P12
Q
S
P11
IR
IR
R
IR
Q
S
LIVELLO 1
R
ACK0
INT0
MFF0
P0K
IFF0
P02
Q
S
P01
IR
IR
R
IR
Q
S
LIVELLO 0
IRQ
IACK
PD
32
Alcune Istruzioni per la gestione
dell’I/O (Classe 7)
CLEAR
dev
------
Viene azzerato il flipflop STATUS del dev
e senza avviare
l'operazione.
SETIM
dev
------
Viene abilitato il
device dev ad inviare
interruzioni: IM=1
CLRIM
dev
------
JIM
dev, D1
------
JNIM
dev, D1
------
Viene disabilitato il
device dev ad inviare
interruzioni: IM=0
Se IM=1 salta alla
destinazione 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.
Salva R0 nello stack
Salva R0 nello stack
si
si
Buffer vuoto
Buffer pieno
no
Setta flag:
buffer pieno
INB input,buffer
START input
Output device ha
IM abilitato?
si
Ripristina contesto
ed esci
Inibisce INPUT dev
CLRIM input
Ripristina contesto
ed esci
no
SETIM output
no
Resetta flag:
buffer vuoto
OUTB buffer,output
START output
INPUT device ha
IM abilitato?
si
Ripristina contesto
ed esci
Inibisce OUTPUT dev
CLRIM output
Ripristina contesto
ed esci
no
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 input
output equ 56h
;indiririzzo periferica output
flag
db 0
;flag =0 buffer vuoto, flag=1 buffer pieno
buffer equ 500h
;indirizzo buffer di scambio
main:
code
seti
setim input
setim output
start input
start output
jmp main
;inizio istruzioni
;abilita PD32 ad accettare interruzioni
;abilita periferica di input ad accettare interruzioni
;abilita periferica di output ad accettare interruzioni
; avvio produzione del dato
; avvio consumo del dato
; 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 R0
movb flag,r0
;carica flag in R0
cmpb #1,r0
;controlla se buffer pieno
jz inibisci
;se pieno pongo in attesa la periferica di input
accetta:
;altrimenti invia dato
movb #1,flag
;pongo il flag=1 (buffer pieno)
inb input,buffer
;carico dato nel buffer
start input
;abilito device a generare un nuovo dato
jnim output,sbloccao
;se periferica di output e' in attesa la sblocco
jmp fineinp
;termina
inibisci: clrim input
;pone perif. input in attesa (buffer pieno)
fineinp: pop r0
;fine driver
rti
;ritorno da interruzione
sbloccao: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 R0
movb flag,r0
;carica flag in R0
cmpb #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 output
movb #0,flag
;pongo flag=0 (buffer vuoto)
start output
;abilito perif. output a consumare il dato
jnim input,sblocca
;se perif. di input 'in attesa' la sblocco
jmp esci
;termina
blocca: clrim output
;blocco perif. output (buffer vuoto)
esci:
pop r0
;termina prog.
rti
;ritorna da interruzione
sblocca: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 sensore4
alarm equ 4h
; indiririzzo periferica allarme
lowbound equ 200 ; T-min espresso in decimi di gradi Celsius
upbound equ 300 ; T-min espresso in decimi di gradi Celsius
media dl 0
; valore medio della temperatura rilevato
baseadd equ 2000h; buffer contenente la temperatura misurata
device dl 0
; indirizzo ultimo sensore che ha acquisito
switch db 0
; valore da spedire sulla periferica d’allarme
state
db 0
; stato allarme (0=off, 1=on)
code
main:
loop:
;inizio istruzioni
;...
jsr init
;...
jmp loop ;trucco per simulare il codice sul PD32, la periferica è libera per eventuali
elaborazioni
Il codice (2)
; subroutine di inizializzazione delle periferiche e avvio acquisizione
init:
push r0
push r1
; calcola il centro dell'intervallo [Tmin-Tmax] ...
movl #lowbound, R0
;
addl #upbound, R0
;
asrl #1, R0
; e lo memorizza in R0
movl #baseadd,R1
movl R0, (R1)
; aggiorna i buffer dei 4
movl R0, 4(R1)
; sensori con il valor medio
movl R0, 8(R1)
; dell’intervallo
movl R0, 12(R1) ;
movl R0, media
; inizializza la media
movb #0,state
; state memorizza lo stato (IN=0, OUT=1)
SETIM sensore1 ;
SETIM sensore2
SETIM sensore3
SETIM sensore4 ; abilita i sensori a inviare interruzioni
CLRIM alarm
; blocca la periferica d’allarme che al momento non serve
SETI
; 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 r1
pop r0
ret
; fine subroutine init
; DRIVERS
driver 0, 1600h ; periferica con IVN 0 ha driver allocato a partire dall’ind 1600h
movl #sensore1, device
jsr GET
rti
driver 1, 1650h
movl #sensore2, device
jsr GET
rti
driver 2, 1700h …; … e 3
Il codice (4)
driver 4, 1800h
OUTB SWITCH, alarm
;invia il valore di switch sul buffer di alarm
start alarm
;avvia il consumo del dato
clrim alarm
;disabilita ulteriori interrupts della periferica
rti
; SUBROUTINE GET: ACQUISIZIONE DATI DALLA PERIFERICA IL CUI IND. E’
; E' SPECIFICATO NELLA VARIAB. DEVICE
GET:
PUSH r0
push r4
push r5
movl #baseadd, R0
movl device,r5
asll #2,r5 ; r5=device*4
ADDL r5, R0 ; r0=baseadd+device*4
asrl #2,r5 ;ripristina R5 all’address del device
INL r5, (R0); preleva il valore e lo mette in RAM nel corrispondente buffer
START r5 ; avvia nuova acquisizione
JSR NEWMEDIA
Il codice (5)
MOVL media, R5 ; carico la media aggiornata in R5
movb state, R4
CMPL #upbound , R5
JNC OUT
; upbound <= R5
CMPL #lowbound, R5;
JC OUT ;lowbound > R5
; altrimenti siamo nell'intervallo [TMIN-TMAX]...
CMPb #0, R4
; verifico se lo stato era IN=0 o OUT=1
JNZ eraout
;
exit:
pop r5
pop r4
pop r0
RET
eraout: MOvb #0 ,switch
SETIM alarm
movb #0, state
jmp exit
OUT:
CMPb #0, R4
; verifico se lo stato era IN=0 o OUT=1
JZ erain ;
jmp exit
Il codice (6)
erain: MOVb #1 ,switch
SETIM alarm
movb #1, state
jmp exit
; aggiorna la media in base ai valori presenti nelle 4 longwords a partire da baseadd
NEWMEDIA:
PUSH R0
PUSH R1
MOVL #baseadd,R1
XORL R0,R0
ADDL (R1),R0
ADDL 4(R1), R0
ADDL 8(R1), R0
ADDL 12(r1), R0
ASRL #2, R0
MOVL R0, media
POP R1
POP R0
RET
end