AXO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi

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1 olecnco d Mlano Dparmeno d Eleronca e Informazone prof.ssa Anna Anola prof. Luca Brevegler prof. Guseppe elaga prof.ssa Donaella Scuo prof.ssa Crsna Slvano AXO Archeura de Calcolaor e Ssem Operav esame d lunedì 12 seembre 2011 CON SOLUZIONI Cognome Nome Marcola Frma Isruzon Scrvere solo su fogl dsrbu. Non separare ques fogl. È veao porare all esame lbr, eserczar, appun, calcolarc e elefon cellular. Chunque fosse rovao n possesso d documenazone relava al corso anche se non sreamene anene alle domande propose vedrà annullaa la propra prova. Non è possble lascare l aula conservando l ema della prova n corso. Tempo a dsposzone: 1h:30m (una pare) 3h:00m (compleo). puneggo approssmavo I pare II pare compleo eserczo 1 5 eserczo 2 6 eserczo 3 5 eserczo 4 5 eserczo 5 6 eserczo 6 5 voo fnale ATTENZIONE: alcun esercz sono suddvs n par.

2 eserczo n. 1 hread e parallelsmo S consder l programma C seguene (gl #nclude sono omess): / varabl global / phread_muex_ door = THREAD_MUTEX_INITIALIZER; sem_ go; n val = 0; vod header (vod arg) { / funzone d hread / prnf ( Sared.\n ); sem_pos (&go); phread_muex_lock (&door); sem_wa (&go); / saemen A / phread_muex_unlock (&door); prnf ( Fnshed.\n ); reurn NULL; } / header / vod raler (vod d) { / funzone d hread / n off = 0; / varable locale / phread_muex_lock (&door); / saemen B / sem_wa (&go); phread_muex_unlock (&door); off = 1; / saemen C / sem_pos (&go); val = (n) d; reurn NULL; } / raler / n man (n argc, char argv [ ]) { / hread prncpale / phread_ hr, r1, r2; sem_n (&go, 0, 0); phread_creae (&r1, NULL, &raler, (vod ) 1); phread_creae (&hr, NULL, &header, NULL); phread_creae (&r2, NULL, &raler, (vod ) 2); phread_jon (hr); phread_jon (r1); / saemen D / phread_jon (r2); } / man / AXO prova d venerdì 19 novembre 2010 CON SOLUZIONI pagna 2 d 16

3 S comple la abella predsposa qu soo ndcando lo sao d essenza della varable locale nell sane d empo specfcao da cascuna condzone, così: se la varable ceramene esse, s scrva ESISTE; se ceramene non esse, s scrva NON ESISTE; e se può essere essene o nessene, s scrva UÒ ESISTERE. Ogn casella della abella va rempa n uno de re mod (non va lascaa vuoa). S bad bene alla colonna condzone: con subo dopo saemen X s chede lo sao che la varable assume ra lo saemen X e lo saemen mmedaamene successvo del hread ndcao. condzone off n TR1 varable locale off n TR2 subo dopo sa. A ESISTE UÒ ESISTERE subo dopo sa. C n TR2 UÒ ESISTERE ESISTE subo dopo sa. D NON ESISTE UÒ ESISTERE S comple la abella predsposa qu soo, ndcando valor delle varabl global (sempre essen) nell sane d empo specfcao da cascuna condzone. Il valore della varable va ndcao così: nero, caraere, srnga, quando la varable ha un valore defno; oppure X quando è ndefna se la varable può avere due o pù valor, l s rpor u quan l semaforo può avere valore posvo o nullo (non valore negavo) S bad bene alla colonna condzone: con subo dopo saemen X s chede l valore (o valor) che la varable ha ra lo saemen X e lo saemen mmedaamene successvo del hread ndcao. condzone go varabl global val subo dopo sa. A 0 0 / 1 / 2 subo dopo sa. B n TR1 0 / 1 0 / 2 subo dopo sa. C n TR2 0 0 / 1 Il ssema può andare n sallo (deadlock). Qu s ndchno gl saemen dove s bloccano hread ncors n sallo (non necessaramene u): HR TR1 TR2 s rova a valle d sem_wa (&go) e porebbe perfno essere ermnao sem_wa (&go) phread_muex_lock (&door) S possono scambare ruol d TR1 e TR2. AXO prova d venerdì 19 novembre 2010 CON SOLUZIONI pagna 3 d 16

4 eserczo n. 2 memora vruale Un ssema doao d memora vruale con pagnazone e segmenazone po UNIX è caraerzzao da paramer seguen: la memora fsca ha capacà 32 K bye, la memora logca ha capacà d 64 K bye e la dmensone delle pagne è d 4096 bye. (a) Indcare l numero d pagne fsche e l numero d pagne logche del ssema. n. pagne fsche: 8 n. pagne logche: 16 (b) Nel ssema saranno ava process, Q ed R che eseguono programm X e Y, che condvdono un segmeno da. La dmensone nzale de segmen de due programm è la seguene: CX: 12 K DX: 4 K X: 4 K COND: 4 K CY: 4 K DY: 4 K Y: 4 K COND: 4 K Il segmeno COND è allocao lascando 2 pagne lbere dopo l segmeno da d X e Y. Inserre n abella la sruura n pagne della memora vruale de due programm X e Y (noazone: CX0, CX1, DX0, X0, CY0,, COND0,...). ndrzzo d pagna vruale X Y 0 CX0 CY0 1 CX1 DY0 2 CX2 3 DX0 4 COND 5 6 COND A B C D E F X0 Y0 (c) A un cero sane 0 sono ermna, nell ordne, gl even seguen: vene creao ( fork d ed exec d X) esegue una fork e crea l processo fglo Q Q chama una funzone all ndrzzo vruale assoluo 0A00 hex che al ermne orna al man Q accede a COND Consderando le poes seguen, complare le abelle della suazone al empo 0 relave alla memora fsca e al conenuo della MMU: l lanco n esecuzone d un programma avvene carcando solo la pagna d codce con l sruzone d parenza, la prma pagna da e una pagna d pla, n ques ordne l carcameno d uleror pagne n memora avvene on demand l numero d pagne resden R è par a 4 l ndrzzo esadecmale d parenza d X è 1001 hex (ndrzzo vruale assoluo) l ndrzzo esadecmale d parenza d Y è 0020 hex (ndrzzo vruale assoluo) s ulzza l algormo LRU per la sosuzone d pagne d memora, consderando che almeno una pagna d pla debba sempre rmanere n memora l allocazone delle pagne vrual nelle pagne fsche avvene sempre n sequenza all nzo della sequenza d even la MMU è vuoa, e se è rchesa una nuova rga s ulzz sempre la prma rga lbera AXO prova d venerdì 19 novembre 2010 CON SOLUZIONI pagna 4 d 16

5 suazone al empo 0 memora fsca MMU ndrzzo fsco pagne allocae proc. NV NF vald b 0 C1 = CQ1 C1 / D0 = (DQ0) D0 / / F Q0 Q CQ1 / CQ0 Q (DQ0 / 3) COND / 6 1 / 5 1 / 0 / 1 5 COND Q Q0 / F Q CQ0 / (d) A un cero sane 1 > 0 è ermnaa la seguene sequenza d even: Q esegue una exec e passa a esegure l programma Y accede a COND Q accede a COND ermna Q esegue una fork e crea l processo R. Compleare le abelle con la suazone al empo 1. suazone al empo 1 memora fsca MMU ndrzzo fsco pagne allocae proc NV NF vald b 0 (C1) = (CQ1) R0 / R (C1 / 1) CR0 / 0 0 / 3 1 / 0 / 1 1 (D0) / R (D0 / 3) DR0 / 1 1 / 4 1 / 0 / 1 2 (0) / R (0 / F) COND/4 2 / 6 1 / 0 / 1 3 (Q0) CQ0 = CR0 Q (CQ1 / 1) CQ0 / 0 0 / 3 1 / 0 / 1 4 (CQ0) DQ0 = DR0 Q (COND / 6) DQ0 / 1 5 / 4 1 / 0 / 1 5 (COND) Q0 Q (Q0 / F) Q0 / F 3 / 5 1 / 0 / 1 6 COND Q / / R (CQ / 0) (COND / 6) R0 / F 4 / 6 / 0 1 / 0 / 1 / 0/ 1 7 Q COND / AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 5 d 16

6 eserczo n. 3 commuazone d process S consderno seguen frammen d programma: /* programma man.c */ man ( ) { n pd1, pd2; n fd1, fd2; char w_buf [5000]; char r_buf [8000];... fd1 = open ( /user/doc/fle1, O_RDWR); /* 6 blocch */ wre (fd1, w_buf, 2000); /* 4 blocch */ pd1 = fork ( ); f (pd1 == 0) { /* codce eseguo da Q fglo d */ pd2 = fork ( ); f (pd2 == 0) { /* codce eseguo da R fglo d Q */ fd2 = open ( /user/doc/fle2, O_RDWR); /* 6 blocch */ read (fd1, r_buf, 1000); /* 2 blocch */ wre (fd2, r_buf, 1000); /* 2 blocch */ ex (2); } else { /* codce eseguo da Q fglo d */ pd2 = wa (&saus); ex (1); } /* end f */ } else { /* codce eseguo da */ sleep (2); ex (0); } /* end f */ } /* man.c */ Un processo padre crea un fglo Q che, a sua vola, crea un fglo R. Nel ssema non c sono alr process uene olre a, Q e R. AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 6 d 16

7 Uleror specfche del ssema: 1. process uene hanno assocaa una prorà, l processo dle ha prorà mnma e nel ssema non essono alr process olre a quell uene e a dle 2. quando necessaro, le prorà relave a u procces av nel ssema sono ndcae nella abella d commuazone de process da compleare 3. quando un processo dvena prono e ha prorà maggore d quello n esecuzone, lo scheduler va avao 4. l buffer del drver d sandard oupu ha dmensone d 50 caraer 5. per le operazon su fle che nell eserczo consderao mplcano rasfermeno d blocch: a. l nerruzone d fne DMA è assocaa al rasfermeno d un sngolo blocco del fle (eveno DMA_n per leura d un blocco da fle ed eveno DMA_ou per scrura d un blocco su fle) b. l numero d blocch da rasferre è ndcao esplcamene come commeno nel codce 6. le chamae d ssema wa e wapd nvocano la funzone Sleep_on su un eveno opporuno 7. per compleare la abella delle commuazon, s facca rfermeno alla noazone vsa a lezone DOMANDA S compleno le par mancan della abella d commuazone de process (nelle due pagne seguen). AVVERTENZE Nella abella d commuazone proposa sono prevse rghe da compleare, dove: a) è specfcao l eveno (con nformazon aggunve); qu sono da compleare le par relave allo sao de process e se rcheso a modul del S.O. e del coneso b) è specfcao lo sao de process ragguno dopo l verfcars dell eveno; qu sono da compleare camp relav all eveno (con evenual nformazon aggunve) e se rcheso a modul del S.O. e del coneso NOTA BENE: l eveno n quesone è sempre deermnable unvocamene dallo sao ragguno, dall evoluzone precedene de process, dal codce de programm e dalle uleror specfche d ssema se l eveno è un nerrup è obblgaoro usare la noazone n nerrup, ndcando esaamene l numero d nerruzon che s sono verfcae AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 7 d 16

8 eveno (assocao al nome del processo dove s verfca) nformazon aggunve modul del SO nvoca per gesre l eveno processo dov è geso cascun modulo sao de process dopo la gesone dell eveno Q R esec non esse non esse : wre G_SVC_1 wre Sleep_on_1(E1) Change dle aesa (E1) non esse non esse dle: 4 nerrup da DMA_ou l ulmo è relavo all ulmo blocco da rasferre R_n (DMA_ou) Wake_up reemp_1 Change Sleep_on_2 (E1) wre G_SVC_2/3 dle dle dle dle esec non esse non esse : fork ha esauro l suo quano d empo G_SVC_1 fork G_SVC_2 reemp_1 Change G_SVC_2/3 Q Q prono esec non esse Q: fork Q non ha esauro l suo quano d empo R < < Q G_SVC_1 fork G_SVC_2/3 Q Q Q prono esec prono AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 8 d 16

9 eveno (assocao al nome del processo dove s verfca) nformazon aggunve modul del SO nvoca per gesre l eveno processo dov è geso cascun modulo sao de process dopo la gesone dell eveno Q R Q: nerrup da orologo Q ha esauro l suo quano d empo R < R_n (CK) reemp_1 Change G_SVC 2/3 Q Q Q esec prono rono : sleep Q ha la prorà pù ala G_SVC_1 sleep Sleep_on_1 (E2) Change reemp_2 R_n (CK) Q Q Q aesa (E2) esec prono Q: wa G_SVC_1 wa Sleep_on_1 (E3) Change G_SVC_2/3 aesa (E2) aesa (E3) esec R: wre G_SVC_1 wre Sleep_on_1(E4) Change R R R R dle aesa (E2) aesa (E3) aesa (E4) TABELLA DI COMMUTAZIONE DEI ROCESSI (fne) In rosso sono colorae le par d abella assegnae. AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 9 d 16

10 eserczo n. 4 logca dgale S vuole realzzare un crcuo combnaoro a quaro ngress (a, b, c, d ) e un usca F, caraerzzao da mnermn seguen (0, 2, 3, 5, 7, 11, 14, 15). (a) S scrva la prma forma canonca d F: F (a, b, c, d) =!a!b!c!d +!a!b c!d +!a!b c d +!a b!c d +!a b c d + a!b c d + a b c!d + a b c d (b) S dsegn la mappa d Karnaugh della funzone evdenzando u gl mplcan prm a b / c d (c) S elenchno u gl mplcan prm denfcandol rame mnermn che coprono e rporando la loro forma algebrca A = ( 3, 7, 11, 15 ) = c d essenzale per 11 B = ( 2, 3 ) =!a!b c C = ( 0, 2 ) =!a!b!d essenzale per 0 D = ( 5, 7 ) =!a b d essenzale per 5 E = ( 14, 15 ) = a b c essenzale per 14 (d) S snezz la funzone medane l meodo delle mappe d Karnaugh e s scrva l equazone mnma n ermn d somma d prodo. Qualora essano pù equazon mnme se ne ndchno almeno due (l numero d rghe dae soo non è sgnfcavo): F(a, b, c, d) = c d +!a!b!d +!a b d + a b c In oale esse una sola forma d coso mnmo: gl mplcan prm A, C, D ed E sono essenzal e coprono la funzone per nero, dunque non resano alre scele. AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 10 d 16

11 eserczo n. 5 lnguaggo macchna S chede d radurre n lnguaggo macchna smbolco (lnguaggo assemblaore) la funzone funz rporaa soo. La funzone funz ulzza re alre funzon, delle qual s fornscono le dcharazon: n F (n, n, n) n G (n, n, n) n H (n) // quesa funzone ha una var. loc. nera w Nel radurre non s en d accorpare od omzzare nseme sruzon C ndpenden. La memora ha parole da 16 b, ndrzz da 32 b ed è ndrzzable per bye. Le varabl nere sono da 16 b. Uleror specfche al problema e le convenzon da adoare nella raduzone sono le seguen: paramer d ue le funzon sono passa sulla pla n ordne nverso d elencazone valor resu dalle funzon a rspev chaman sono passa sulla pla, sovrascrvendo l prmo de paramer passa o nello spazo lbero opporunamene lascao le varabl local vengono mplae n ordne d elencazone 1. Compleare la Tabella seguene ndcando nella colonna d snsra l conenuo (n forma smbolca) della pla subo dopo l esecuzone dell sruzone Lnk nella funzone H, nvocaa dalla funzone funz. La abella è nzalzzaa con l conenuo della pla dopo l esecuzone dell sruzone BSR funz da pare d un programma (ndcao come chamane ). Nella colonna d desra s deve ndcare la funzone al cu frame d avazone apparene la cella (come mosrao nel pezzo precomplao, paramer sono consdera pare del frame d avazone della funzone nvocaa). Aenzone: alcune celle possono apparenere a un frame ncompleo, n fase d cosruzone! 2. Scrvere l codce n lnguaggo assemblaore della funzone funz, coerenemene con le specfche e con le rspose a pun preceden (l numero d rghe della abella non è sgnfcavo). Nello scrvere l codce, ulzzare gl spazzamen araverso smbol defn con dreve EQU nvece che semplcemene l loro valore numerco. n funz (n p, n q) { / varabl local / n x = 1; n y = 2; n z = 3; reurn F(x, G(y, H(z), p), q); } / funz / AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 11 d 16

12 AREA DI ATTIVAZIONE DELLA FUNZIONE FUNZ DOO LA LINK d H ndrzz d mem. bass conenuo celle frame d avazone della cella ndrzz d mem. al w F (d funz) C (d funz) z p q z y x F (del chamane) C (del chamane) p q H H H H G F funz funz funz funz funz funz funz chamane d funz AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 12 d 16

13 CODICE MACCHINA DI FUNZ FUNZ: LINK.L F, #-6 // alloca varloc d funz : EQU 8 // spazzameno param p Q: EQU 10 // spazzameno param q X: EQU -4 // spazzameno varloc x Y: EQU -6 // spazzameno varloc y Z: EQU -8 // spazzameno varloc z MOVE.W #1, X (F) // nzalzza varloc x MOVE.W #2, Y (F) // nzalzza varloc y MOVE.W #3, Z (F) // nzalzza varloc z MOVE.W Q (F), -(S) // mpla param q per F MOVE.W (F), -(S) // mpla param p per G MOVE.W Z (F), -(S) // mpla param z per H BSR H // sala a roune H MOVE.W Y (F), -(S) // mpla param y per G BSR G // sala a roune G ADDA.L #4, S // rlasca 1 e 2 param d G MOVE.W X (F), -(S) // mpla param x per F BSR F // sala a roune F ADDA.L #4, S // rlasca 1 e 2 param d F MOVE.W (S)+, Q (F) // spla valusc d F n q UNLK.L F // rmuove varloc x y z d funz RTS // renra a chamane Noa: n quesa soluzone nessuna roune usa regsr, perano non s pone l problema d salvarl n pla. AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 13 d 16

14 eserczo 6 memora cache prma pare S consder un ssema d memora (memora + cache) caraerzzao dalle dmenson seguen: memora d lavoro d 4 Klo bye, ndrzzaa a lvello d sngolo bye cache a ndrzzameno dreo (drec mapped) d 1 Klo bye d da, ndrzzaa per sngolo bye ogn blocco della cache conene 256 bye Consderando la sequenza d rchese alla memora rporaa qu soo, s comple la abella che llusra l comporameno della cache a ndrzzameno dreo nel rspeo delle ndcazon seguen: Nella colonna eso va scro H (h) se l blocco rcheso s rova nella cache, o M (mss) se nvece l blocco dev essere carcao dalla memora. Nella colonna da va rporao l numero del blocco della memora che s rova nel corrspondene blocco della cache. S no che ques valor sono numer decmal (base dec), menre le echee sono numer bnar. er queso movo l'ndrzzo ndvdua un bye compreso nel blocco due = 0 dec, che qund come echea ha l valore bnaro 000. Nella colonna azone va ndcao l blocco cu s accede (n caso d successo, H) o l blocco dove vengono carca da della memora (n caso d fallmeno, M). cache blocco 0 blocco 1 blocco 2 blocco 3 passo ndrzzo rcheso e s o v a l d o e c h. d a v a l d o e c h. d a v a l d o e c h. d a v a l d o e c h. d a azone suazone nzale M carca blocco 14 n blocco_2_cache H acced a blocco_2_cache M carca blocco 1 n blocco_1_cache H acced a blocco_1_cache M M carca blocco 12 n blocco_0_cache carca blocco 3 n blocco_3_cache H acced a blocco_3_cache M carca blocco 9 n blocco_1_cache AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 14 d 16

15 seconda pare S consder una gerarcha d memora composa dalla memora cenrale d 4 Gga bye ndrzzable a bye con parole da 32 b, una memora cache sruzon e una memora cache da da 1 Mega bye cascuna, enrambe a ndrzzameno dreo (drec mappng) con blocch da 512 bye. Il empo d accesso alle cache è par a 1 cclo d clock. Il empo d accesso alla memora cenrale è par a 25 ccl d clock per la prma parola e 5 ccl d clock per le parole a ndrzz successv (memora nerallaccaa). 1. Indcare la sruura degl ndrzz d memora per le memore cache. 2. Calcolare l empo necessaro per carcare un blocco n caso d fallmeno (mss me). 3. Calcolare l empo medo d accesso ad un blocco n memora d un programma n cu n meda l 25% delle sruzon esegue rchede un accesso n leura o scrura a un dao. Il mss rae (frequenza d fallmeno) della cache sruzon è par al 4% menre per la cache da è par allo 8%. Soluzon 1. Sruura dell ndrzzo d memora cache ndrzzo da 32 b 9 b per bye nel blocco 11 b per blocco n cache 12 b per echea 2. Tempo d fallmeno (mss rae) n. d parole per blocco = 512 / 4 = 128 parole Tempo medo per carcare un blocco = = 661 ccl d clock 3. Tempo medo d accesso al ssema d memora T medo d accesso alla memora = 100 / 125 T medo sruzon + 25 / 125 T medo da T medo sruzon = 0, , = 27,4 ccl d clock T medo da = 0, , = 53,8 ccl d clock T medo d accesso alla memora = 0,8 27,4 + 0,2 53,8 = 21, ,76 = 32,68 ccl d clock AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 15 d 16

16 spazo lbero per brua o connuazone AXO esame d lunedì 12 seembre CON SOLUZIONI pagna 16 d 16