Una stanza e

1
Esercizio Temperatura

• Una stanza e monitorata da 4 sensori di
  temperatura, i quali sono pilotati da un PD32.
  Questultimo 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 unapposita periferica,
  detta ALARM. Il segnale dallarme utilizzato e
  il valore 1 codificato con 8 bit. Se la
  temperatura ritorna allinterno dellintervallo
  Tmin-Tmax, la CPU invia sulla periferica ALARM
  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.

2
ASF Esercizio
newTemp, T_media NON in Tmin-Tmax/ -
newTemp,T_media NON in Tmin-Tmax / Alarm_ON
T_media in Tmin-Tmax
T_media fuori da Tmin-Tmax
newTemp, T_media in Tmin-Tmax / -
newTemp,T_media in Tmin-Tmax / Alarm_OFF
Legenda per le transizioni
Input, Condizione / Output
3
Esercizio Temperatura
T_mediaTs1Ts2Ts3Ts4 (TminTmax)/2 StatoIN_
RANGE
controlla dev.succ
Polling
dev i ready?
NO
SI
Input da dev_i new_T_si
StatoOUT
StatoIN
Ricalcola media T_mediaT_media(new_T_si-old_T_
si)/4
SI
SI
T_media in_range?
Stato IN
Stato OUT
SI
NO
NO
NO
OUTPUT ALARM ON
OUTPUT ALARM OFF
4
Dal busy-wait allinterrupt
Tecniche di interazione con periferiche di I/O
finora studiate sono Polling Busy-waiting Entra
mbe nella categoria sincrona. Adesso
analizzeremo per la categoria asincrona, la
metodologia ad interrupt Interrupt
interruzione. La periferica, una volta avviata,
procederà in maniera autonoma fino a che non avrà
completato la sua elaborazione ed interromperà il
processore per avvertire che ha terminato. IL
PROCESSORE DOPO AVER AVVIATO LA PERIFERICA
CONTINUA LA SUA NORMALE ESECUZIONE.
5
Dal busy-wait allinterrupt
Si assuma che per linterrogazione di un
dispositivo, incluso il trasferimento del
controllo alla procedura di gestione, laccesso
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 gt per non perdere alcun
movimento dellutente deve essere interrogato
almeno 30 volte al secondo.
2. CDROM player (20X)gt trasferisce dati al
processore in blocchi da 8 bytes ad un tasso
di 3 MB/s. Non è permesso perdere dati. 3. Hard
Disk gt trasferisce dati in blocchi da 4
longwords con un throughput max di 16 MB/s.
Di nuovo non è permesso perdere dati.
6
Soluzione 1
MOUSE
Cicli di clock per secondo per linterrogazione
30 40012000 cicli/sec
cicli di clock del processore utilizzati 12
103 0,0012 1000 106
CD-ROM PLAYER (20x gt3 MB/sec)
Frequenza di interrogazione3000 Kb/sec
375K accessi/sec 8 byte/accesso
Cicli per secondo spesi dalla CPU 375K 400
150106 processore utilizzato 150 106
7,5 2000 106
Ignoriamo la discrepanza tra base 2 e base 10
7
Soluzione 2
HARD DISK
Frequenza di interrogazione16 Mb/sec 1
M10 6 accessi/sec 16 byte/accesso
Ignoriamo la discrepanza tra base 2 e base 10
Cicli per secondo spesi 400 106 processore
utilizzato 400 106 20 2000
106
Osservazione Per il mouse lipotesi 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. Loverhead 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.
8
Ridurre overhead

• Idea utilizzare un meccanismo per segnalare al
  processore quando un dispositivo di I/O richiede
  la sua attenzionegt le interruzioni.
• Problemi
• Evitare che il verificarsi di uninterruzione non
  provochi interferenze indesiderate con il
  programma interrotto. gt Salvataggio del contesto
• Una CPU può colloquiare con diversi devices, i
  quali devono essere gestiti tramite routine
  specifiche gt necessità di identificare lorigine
  dellinterruzione
• 3. Gestire richieste concorrenti di interruzione
  o interruzioni che pervengono al processore
  mentre è già in corso uninterruzione (si dovrà
  interrompere la routine di servizio del primo
  interrupt?). gtdefinizione della gerarchia di
  priorità.

9
Fasi per la gestione dellinterrupt

•  
• Salvare lo stato del processo in esecuzione
• Identificare il programma di servizio relativo
  all'interruzione (driver)
• Eseguire il programma di servizio
• Riprendere le attività lasciate in sospeso.

10
Context switch

• Il contesto su cui opera un programma è
  costituito da
• Il registo PC contiene lindirizzo
  dellistruzione da cui dovrà essere ripresa
  lesecuzione 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 linterruzione solo prima
  della fase di fetch, quando lesecuzione
  dellistruzione precedente è completamente
  conclusa, possiamo evitare di memorizzare sia
  questi registri, che lo stato del microprogramma.
• Quando si verifica uninterruzione 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.

11
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 dellesecuzione di unistruzione, il
segnale IRQ0 assume valore 1, il flip-flop I
viene settato a 0 via firmware. Inoltre il PD32
provvede a salvare nello stack lo SR e il PC.
Infine, nel PC è caricato lindirizzo della
routine di servizio del device che ha richiesto
linterruzione.
Vcc
INT
IRQi1
IRQi
IRQi-1
I
Modulo interfaccia i-1
Modulo interfaccia i
Modulo interfaccia i1
12
Riconoscimento interruzioni (IVN)
INT
Periferica
CPU
IACK
identificazione periferica
PUSH
3
. . .
4
Indirizzo
5
iniziale
Identificativo Periferica x 4
6
prog.servizio
POP
7
seconda perife.
RTI
. . .
4i
Indirizzo
4i1
iniziale
4i2
prog.servizio
4i3
perife. i-esima
13
Priorità nella gestione interrupt

• Introdurre una gerarchia per la gestione delle
  interruzioni consiste essenzialmente nel definire
  dei meccanismi per
• Stabilire quale dispositivo debba essere servito
  per primo nel caso di richieste contemporanee.
• Consentire che il servizio di una interruzione
  possa essere a sua volta interrotto da
  dispositivi più prioritari.
• Tali meccanismi possono essere implementati via
  hardware (vedi controllore interruzione a
  priorità) o, nel caso in cui non via un supporto
  hardware dedicato, via software.

14
Priorità tra dispositivi
SERVIZIO
LIVELLO 2
FINE
INTERR.
SERVIZIO
LIVELLO 1
FINE
PRIORITA CRESCENTE
SERVIZIO
RIPRESA SERVIZIO
LIVELLO 0
FINE
INTERR.
PROGRAMMA PRINCIPALE
RIPRESA PROGRAMMA PRINCIPALE
t
IR0
IR2
IR1
15
Implementazione gerarchia
Gestire la gerarchia di priorità delle
interruzioni via software
16
1) Stabilire quale dispositivo debba essere
servito per primo nel caso di richieste
contemporanee.
Gestione priorità / 1
Soluzione Hardware si utilizza il segnale di
IACK propagato in daisy-chain per il
riconoscimento dellorigine dellinterruzione.
Così facendo si introduce una priorità che è
funzione della distanza dal processore (la
periferica più vicina ha priorità max). Una
soluzione alternativa implementabile via software
è di interrogare una dopo laltro le periferiche
(polling). Lordine di interrogazione definisce
la priorità nella gestione delle interruzioni.
17
2) Consentire che il servizio di una interruzione
possa essere a sua volta interrotto da
dispositivi più prioritari.

• Abbiamo già studiato una soluzione hw a tale
  scopo.
• Una possibile alternativa implementabile
  completamente tramite
• software prevede che
• Ogni routine di servizio che prevede di essere
  interrotta (di priorità non max) debba rendere il
  processore nuovamente interrompibile (SETI).
• Per inibire i dispositivi a priorità minore,
  prima della SETI devono essere opportunamente
  mascherati i flip-flop IM dei devices presenti,
  cosi da stabilire da quali di questi, la routine
  di servizio possa essere interrotta.
• Lo stato di interrompibilità, definito dai valori
  dei registri IM dei dispositivi al momento
  dellinterruzione, fa parte del contesto del
  programma e va ripristinato prima della RTI.
• Prima di rendere interrompibile il processore
  deve essere rimossa la causa dellinterruzione
  stessa, per evitare lo stack overflow. Si può
  raggiungere questo scopo impedendo alla
  periferica di generare altre interruzioni con
  CLRIM. Anche resettando il flip-flop di status
  (START,CLEAR) , rimuoviamo la causa
  dellinterruzione, ma non inibiamo la periferica
  a generarne altri. Di conseguenza possono sorgere
  problemi nel caso in cui un driver sia interrotto
  da una nuova richiesta di interruzione a cui è
  associato lo stesso driver! Conflitti sui dati e
  sul codice!

18
2) Consentire che il servizio di una interruzione
possa essere a sua volta interrotto da
dispositivi più prioritari.
Gestione priorità / 3
5) Il ripristino del contesto deve avvenire con
il processore non interrompibile, per evitare le
incongruenze che potrebbero sorgere a causa di
una commutazione incompleta. Ad esempio, si
consideri il driver periferica di priorità
media (interrompibile solo da device con
priorità alta e non da device con priorità
bassa) codice del driver per device con
priorità media SET I il processore è
interrompibile fine codice, inizio
ripristino contesto setim dev_low_priority pop
altre op. ripristino contesto pop rti
Se arriva uninterruzione da parte del device a
bassa priorità, questa viene subito servita ed è
violata la gerarchia di priorità!
19
Gestione priorità / Esempio
3 rilevatori di movimento sono connessi al PD32.
Quando viene rilevato un movimento, i sensori
generano una richiesta di interruzione. Si vuole
servire le interruzioni provenienti dai sensori
con la seguente priorità
Sensore0 Sensore1 Sensore2
Priorità crescente
Driver sensore 1 SETIM Sensore2 CLRIM
Sensore1 CLRIM Sensore0 SETI . . CLRI SETI
M Sensore0 SETIM Sensore1 RTI
Driver sensore 2 . . RTI
Driver sensore 0 SETIM Sensore1 SETIM
Sensore2 CLRIM Sensore0 SETI . . CLRI SETI
M Sensore0 RTI
20
Interruzioni PD32
21
Riassumendo interruzioni PD32

• Periferica attiva il segnale di interruzione sul
  Control Bus di I/O
• Prima della fase di fetch il PD32 si preoccupa
  di controllare se ci sono richieste pendenti di
  interruzione
• Legge lIVN della periferica che ha lanciato
  linterruzione, lo moltiplica per 4 ed accedere
  allarea di memoria in cui è memorizzata la
  routine di servizio (driver)
• Allattivazione del driver viene fatto un cambio
  di contesto, salvando SR e PC. Viene effettuata
  listruzione CLRI inibendo la ricezione di
  eventuali nuove interruzioni
• Allesecuzione del comando RTI al termine della
  routine viene fatta automaticamente un ripristino
  di PC e SR

22
Progettiamo la nuova periferica per le
interruzioni tenendo presente il F/F di
mascheramento
23
Generica interfaccia di Input
24
Scambio di dati da periferica di input e
periferica di output
Esercizio Interruzioni
Si vuole realizzare lo scambio dei dati, in
formato byte, tra una periferica di input e una
di output. Lo scambio avverrà attraverso luso 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.
25
Interrupt da OUTPUT device
Interrupt da INPUT device
Salva R0 nello stack
Salva R0 nello stack
si
si
Buffer vuoto
Buffer pieno
no
no
Inibisce OUTPUT dev CLRIM output
Inibisce INPUT dev CLRIM input
Resetta flag buffer vuoto
Setta flag buffer pieno
Ripristina contesto ed esci
Ripristina contesto ed esci
OUTB buffer,output START output
INB input,buffer START input
INPUT device ha IM abilitato?
Output device ha IM abilitato?
no
no
si
SETIM input
si
SETIM output
Ripristina contesto ed esci
Ripristina contesto ed esci
26
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/OI, ind30h, IVN2
OUTPUT I/OO, ind56h, IVN7 org 400h INIZIO
PROGRAMMA input equ 30h indirizzo periferica
input output equ 56h indiririzzo periferica
output flag db 0 flag 0 buffer vuoto, flag1
buffer pieno buffer equ 500h indirizzo buffer di
scambio code inizio istruzioni seti abilita
PD32 ad accettare interruzioni setim
input abilita periferica di input ad accettare
interruzioni setim output abilita periferica di
output ad accettare interruzioni start input
avvio produzione del dato start output avvio
consumo del dato main jmp main progr.
Principale loop infinito
27
DRIVER DI INPUT Invia dati al buffer se questo
e' pieno pone in attesa la periferica di input
0-gtIM, sblocca (se in attesa) la periferica di
output 1-gtIM driver 2, 600h Il driver della
periferica con IVN2 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 flag1 (buffer pieno) inb
input,buffer carico dato nel buffer start
input abilito device a generare un nuovo
dato jnim output,sbloccato 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 sbloccatosetim output sblocco
periferica output jmp fineinp FINE DRIVER DI
INPUT
28
DRIVER DI OUTPUT Preleva dati dal buffer se
questo e' vuoto pone in attesa la periferica di
output 0-gtIM, sblocca (se in attesa) la
periferica di input 1-gtIM driver 7,700h Il
driver della periferica di IVN7 inizia
dall'indirizzo 700h poutputpush 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 flag0 (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 clr
im output blocco perif. output (buffer
vuoto) esci pop r0 termina prog. rti rit
orna da interruzione sbloccasetim
input sblocco input jmp esci FINE DRIVER DI
OUTPUT end FINE PROGRAMMA
29
Costo aggiuntivo di unoperazione 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 lhard disk stia trasferendo dati per
il 5 del suo tempo.
Frequenza di interrogazione16 Mb/sec 1
M10 6 accessi/sec 16 byte/accesso
Cicli per secondo spesi 500 106 processore
utilizzato 500 106 25 2000
106
Frazione del processore utilizzata in media25
5 1,25
30
La gestione dellI/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.
31
Un esempio già noto
Una stanza e monitorata da 4 sensori di
temperatura, i quali sono pilotati da un PD32.
Questultimo 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 unapposita periferica
(ALARM). Il segnale dallarme utilizzato e il
valore 1 codificato con 8 bit. Se la temperatura
ritorna allinterno dellintervallo 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).
32
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 dallarme state db
0 stato allarme (0off, 1on) code inizio
istruzioni main ... jsr init ... loop jmp
loop trucco per simulare il codice sul PD32, la
periferica è libera per eventuali elaborazioni
33
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)
dellintervallo movl R0, 12(R1) movl R0,
media inizializza la media movb 0,state
state memorizza lo stato (IN0, OUT1) SETIM
sensore1 SETIM sensore2 SETIM
sensore3 SETIM sensore4 abilita i sensori a
inviare interruzioni CLRIM alarm blocca la
periferica dallarme che al momento non
serve SETI abilita il processore a ricevere
interruzioni
34
Il codice (3)
START sensore1 START sensore2 START
sensore3 START sensore4 avvia lacquisizione
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 dallind 1600h movl
sensore1, device jsr GET rti driver 1,
1650h movl sensore2, device jsr
GET rti driver 2, 1700h e 3
35
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 r5device4 ADDL r5,
R0 r0baseadddevice4 asrl 2,r5 ripristina
R5 alladdress del device INL
r5, (R0) preleva il valore e lo mette in RAM
nel corrispondente buffer START r5 avvia
nuova acquisizione JSR NEWMEDIA
36
Il codice (5)
MOVL media, R5 carico la media aggiornata in
R5 movb state, R4 CMPL upbound , R5 JNC
OUT upbound lt R5 CMPL lowbound, R5 JC
OUT lowbound gt R5 altrimenti siamo
nell'intervallo TMIN-TMAX... CMPb 0, R4
verifico se lo stato era IN0 o OUT1 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 IN0 o OUT1 JZ
erain jmp exit
37
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