ACSO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi

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1 olitecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione prof.ssa Cristina Silvano ACSO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi rova di venerdì 26 Febbraio 200 Cognome Nome Matricola Firma Istruzioni Scrivere solo sui fogli distribuiti. Non separare questi fogli. È vietato portare all esame libri, eserciziari, appunti, calcolatrici e telefoni cellulari. A Chiunque fosse trovato in possesso di documentazione relativa al corso anche se non strettamente attinente alle domande proposte vedrà annullata la prova. Non è possibile lasciare l aula conservando il tema della prova in corso. Tempo a disposizione: 2 ore. Valore indicativo di domande ed esercizi, voti parziali e voto finale: RIMA ARTE DEL CORSO Esercizio (5 punti) Esercizio 2 (6 punti) Esercizio 3 (5 punti) Totale (6 punti) SECONDA ARTE DEL CORSO Esercizi 4 (5 punti) Esercizio 5 (6 punti) Esercizi 6 (5 punti) Totale (6 punti) ESAME COMLETO: ARTE RIMA + ARTE SECONDA I NUMERI INDICANO I UNTEGGI AROSSIMATIVI. ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina di 6

2 RIMA ARTE DEL CORSO Esercizio : modello thread e parallelismo Si consideri il programma C seguente (gli include necessari sono omessi): pthread_mutex_t exclude = THREAD_MUTEX_INITIALIZER; sem_t sync; int counter = ; void *th_fun( void *arg ) int v = (int) arg; int v2; pthread_mutex_lock( &exclude ); v2 = counter; counter += v; /* STATEMENT S */ pthread_mutex_unlock( &exclude ); return ( void * ) v2; } void *th2_fun( void *arg ) int v3 = (int) arg; sem_wait( &sync ); pthread_mutex_lock( &exclude ); counter += v3; /* STATEMENT S2 */ pthread_mutex_unlock( &exclude ); counter = 0; return NULL; } int main( int argc, char **argv ) pthread_t th, th2; int pc; sem_init( &sync, 0, 0 ); pthread_create( &th, NULL, th_fun, (void *) ); pthread_create( &th2, NULL, th2_fun, (void *) 0); pthread_join( th, (void*) &pc ); sem_post( &sync ); /* STATEMENT S3 */ pthread_join( th2, NULL ); return pc; } Si completi la tabella seguente, indicando gli stati delle variabili negli istanti di tempo specificati. Una variabile può essere di tipo intero, carattere o stringa. Lo stato di una variabile va indicato come segue: valore dell intero, del carattere o della stringa, quando la variabile esiste e ha un solo valore NE, quando la variabile non esiste (in quanto non esiste il thread) X, quando la variabile esiste ma non è stata ancora inizializzata quando la variabile si può trovare in due stati differenti, si deve scegliere e indicare esplicitamente una tra le quattro combinazioni seguenti, le quali esauriscono l insieme di possibilità: o valore / valore2 ha due valori ben definiti o valore / NE ha un valore ben definito oppure non esiste o valore / X ha un valore ben definito oppure non è stata inizializzata o X / NE non è stata inizializzata o non esiste U, quando la variabile si può trovare in tre o più stati in qualsiasi combinazione ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 2 di 6

3 Si presti attenzione alla colonna condizione. In particolare, con la dicitura subito dopo statement X si richiedono gli stati che le variabili possono assumere tra lo statement X e lo statement immediatamente successivo del thread indicato nella condizione stessa. Condizione Variabile v (th_fun) Variabile v2 (th_fun) Variabile v3 (th2_fun) Variabile globale counter Semaforo globale sync Variabile pc (main) Subito dopo statement S in th_fun U (ovvero) 0/NE/X 2 0 X Subito dopo statement S2 in th2_fun NE NE Subito dopo statement S3 in main NE NE U (ovvero) 0/NE/X 0/2 0/ Si indichi, nello spazio seguente, a) la definizione di deadlock nel contesto dei thread e del parallelismo e b) si indichi se, eventualmente, è possibile che venga a crearsi un deadlock nel codice di cui sopra: SAZIO ER LA RISOSTA: (OVVIAMENTE NON E OSSIBILE CHE VENGA A CREARSI UN DEADLOCK OICHE NON VI SONO ATTESE CIRCOLARI). ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 3 di 6

4 Esercizio 2: nucleo e commutazione tra processi Si consideri il seguente frammento di programma: #define len 00 #define len2 200 #define len3 50 main ( ) int pid, pid2; int fd; char buf[len2];... pid = fork(); fd = open ( /dir/file2, O_RDWR); if(pid == 0) /* codice di figlio del processo */ read (fd, buf, len);... exit (); } else /* codice eseguito da */ pid2 = fork(); if(pid2 == 0) /* codice eseguito da R figlio di */ read(fd, buf, len2);... exit(); } else /* codice eseguito da */ pid2 = waitpid (pid2, &status, 0); read (fd, buf, len3); pid = waitpid (pid, &status, 0); read (fd, buf, len3); } /* end if */ } /* end if */ } /* main.c */ Specifiche del sistema. Il processo crea i processi ed R; il processo idle ha priorità minima e non esistono altri processi nel sistema. 2. Le priorità relative a tutti i proccesi attivi nel.sistema sono indicate, quando necessario, nella tabella di commutazione dei processi da completare. 3. Si ricorda che quando un processo diventa pronto e ha priorità maggiore di quello in esecuzione, lo scheduler deve venire attivato 4. le chiamate di sistema wait e waitpid invocano Sleep_on su un evento opportuno per completare la tabella delle commutazioni, si faccia riferimento alla notazione vista a lezione ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 4 di 6

5 Domanda Si completino le parti mancanti della seguente tabella di commutazione dei processi. Nella tabella è specificato l evento e alcune informazioni aggiuntive. In questo caso sono da completare le parti relative a moduli del S.O., contesto e stato dei processi. Evento (preceduto dal contesto del processo in cui si verifica) Informazioni aggiuntive : fork non ha esaurito il suo quanto di tempo : open si mette in attesa di interrupt DMA_in : interrupt non ha DMA_in esaurito il suo quanto di associato alla tempo. > open di : read legge i dati; la open di ha quindi avuto successo, ma i dati devono essere caricati : fork non ha esaurito il suo quanto di tempo : waitpid si mette in attesa di pid2 Moduli del S.O. per gestire l evento G_SVC_ fork G_SVC_2/3 G_SVC_ open Sleep_on(E)_ Change G_SVC_2/3 R_Int_(DMA_in)_ Wake_up(E) R_Int(DMA_in)_2 G_SVC_ read Sleep_on(E2)_ Change G_SVC_2/3 G_SVC_ fork G_SVC_2/3 G_SVC_ waitpid Sleep_on (E3)_ Change G_SVC_2/3 R_Int_(DMA_in)_ Wake_up(E2) R_Int(DMA_in)_2 R: interrupt R non ha DMA_in esaurito il suo quanto di associato alla tempo. R> read di R: exit > G_SVC_ Wake_up(E3) exit Sleep_on(E3)_2 G_SVC_2/3 rocesso nel cui contesto l evento si verifica R R R R R R R R Stato dei processi dopo la gestione dell evento. R Esec U pronto Non esiste Attesa(E) Esec U Non esiste ronto Esec U Non esiste Esec U Attesa(E2) Non esiste Esec U Attesa(E2) pronto Attesa(E3) Attesa(E2) Esec U Attesa(E3) ronto Esec U Esec U ronto Non esiste ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 5 di 6

6 : interrupt da orologio ha esaurito il suo quanto di tempo R_Int (CK)_ reempt_ Change Sleep_on(E2)_2 G_SVC_2/3 : exit G_SVC_ exit preempt_2 R_Int(CK)_2 ronto Esec U Non esiste Esec U Non esiste Non Esiste ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 6 di 6

7 Esercizio 3: File system Si consideri un calcolatore dotato di sistema operativo Linux e in cui valgono le seguenti ulteriori specifiche:. per tutte le operazioni su file: a) la dimensione di un blocco trasferito in DMA da o su file è di 52 byte b) l interruzione di fine DMA è associata al trasferimento di un singolo blocco c) il sistema deve garantire che, per tutti i file aperti, il blocco contenente la posizione corrente sia in memoria 2. per la lettura e scrittura su file: d) le operazioni di lettura e scrittura su file accedono sempre a disco, cioè è sempre necessario eseguire trasferimenti in DMA 3. per l apertura del file: DOMANDA e) è sempre necessario trasferire in DMA: - blocco per l accesso allo I-node di ogni cartella (catalogo) o file presente nel nome-percorso (pathname) (tranne che per la cartella radice), e - blocco per il contenuto di ogni cartella (catalogo) presente nel nome-percorso (pathname) f) Le chiamate di sistema sono DIENDENTI e rimangono a disposizione in memoria blocchi allocati/letti dalle precedenti chiamate di sistema er ciascuna delle chiamate di sistema sotto riportate si indichi la posizione corrente nel file dopo la chiamata, il numero totale di interruzioni di fine DMA che si verificano affinché l operazione possa essere completata, la sequenza di accessi agli i-node e ai blocchi (del tipo: I-Lista[X] oppure Blocco Y) in memoria principale (MM) o su disco (vedi anche le prime due righe di esempio di soluzione in tabella) Chiamata di sistema osizione corrente nel file dopo la chiamata di sistema n. di interruzioni di fine DMA Sequenza di accessi in memoria (MM) o disco. fd=open( /cat/cat2/file, O_RDONLY) 0 fd2=open( /cat/cat3/file2, O_RDONLY) 0 - (totale 7) (totale 4) I-lista[0] in MM Blocco 4 I-lista[6] Blocco 9 I-Lista[0] Blocco 2 I-Lista[60] Blocco 56 I-lista[0] in MM Blocco 4 in MM I-lista[6] in MM Blocco 9 in MM I-Lista[7] Blocco 8 I-Lista[86] Blocco 70 ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 7 di 6

8 read (fd, buf, 3) 3 read (fd2, buf2, 6) 6 read(fd2, buf3, 00) 06 totale 0 totale (totale 2) I-Lista [60] in MM Blocco 56 in MM I-Lista [86] in MM Blocco 70 in MM I-Lista[86] in MM Blocco 70 in MM Blocco 72 Blocco 80 Il contenuto del volume durante l esecuzione è il seguente: I-Lista:<0,dir,4>,<6,dir,9>,<7,dir,8>,<0,dir,2>,<60,norm,56}>, <86,norm,70,72,80}>,<92,norm,90}> Blocco 4: < 6, cat> Blocco 9: < 7, cat3 > <0, cat2> Blocco 2: < 60, file> Blocco 8: < 92, file3> <86, file2> Blocco 56: BLOCCO_FILE Blocco 70: BLOCCO_FILE2 Blocco 72: BLOCCO2_FILE2 Blocco 80: BLOCCO3_FILE2 Blocco 90: BLOCCO_FILE3 Nota: er facilitare la comprensione dell esercizio, i blocchi dati dei file sono stati indicati come: BLOCCOn_FILEi Nota bene: lo i-node associato al catalogo radice / ha 0 come i-number; la i-lista contiene terne <i-number, tipo_file, indice_blocchi}>; i cataloghi contengono coppie < i-number, nome_file>. (a) Lettura in memoria dello I-node della radice. Letture da disco: blocco 4 di dati della cartella radice /, blocco di i-nodo 6 della cartella cat, blocco 9 di dati della cartella cat, blocco di i-nodo 0 della cartella cat2, blocco 2 di dati della cartella cat2, blocco di i-nodo 60 del file file, blocco 56 primo blocco di dati del file file ; totale 7 blocchi ovvero 7 interruzioni di fine DMA (b) Lettura in memoria dello I-node della radice, del blocco 4 di dati della cartella radice /, del blocco di i- nodo 6 della cartella cat, del blocco 9 di dati della cartella cat. Letture da disco: blocco di i-nodo 7 della cartella cat3, blocco 8 di dati della cartella cat3, blocco di i-nodo 86 del file file2, blocco 70 primo blocco di dati del file file2 ; totale 4 blocchi letti effettivamente da disco ovvero 4 interruzioni di fine DMA (c) la chiamata legge 3 byte dal file con descrittore fd e dopo la lettura la posizione corrente varrà 3 (che cade sempre nel primo blocco); essa deve pertanto leggere l i-node 60 del file e il primo blocco del file che risiedono già in memoria, ovvero non necessita di accessi al disco. (d) la chiamata legge 6 byte dal file con descrittore fd2 e dopo la lettura la posizione corrente varrà 6 (che cade sempre nel primo blocco); essa deve pertanto leggere l i-node 86 e il primo blocco del file che risiedono già in memoria, ovvero non necessita di accessi al disco. (e) la chiamata legge 00 byte dal file con descrittore fd2 a partire dalla posizione corrente 6 (che cade nel primo blocco) e dopo la lettura la posizione corrente varrà 06 (che cade nel terzo blocco); essa deve pertanto leggere l i-node 86 e il primo blocco del file che risiedono già in memoria, e successivamente deve leggere i successivi blocchi del file che risiedono su disco usando i rispettivi puntatori disponibili nello i-node 86 del file già caricato in memoria. Gli accessi dal secondo al terzo blocco avvengono per accesso diretto tramite i puntatori. In totale è stato necessario accedere a 2 blocchi su disco corrispondenti a 2 interruzioni di fine DMA. ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 8 di 6

9 SECONDA ARTE DEL CORSO Esercizio 4: Logica digitale rima parte Si vuole realizzare un circuito combinatorio a quattro ingressi (a, b, c, d) e un uscita F, caratterizzato dai mintermini seguenti 0, 2, 6, 7, 8, 9, 2, 3, 4, 5}. Si chiede di svolgere i punti seguenti: (a) Si scriva la prima forma canonica di F: F(a, b, c, d) = SOLUZIONE: 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 + a b c!d + a b c d (b) Si semplifichi la funzione F mediante il metodo delle mappe di Karnaugh e se ne scriva l equazione minima in termini di somma di prodotti. ualora esistano più equazioni minime le si indichino tutte. Si disegni anche la mappa mettendo in evidenza gli implicanti utilizzati per le equazioni minime (il numero di righe date sotto non è significativo): F(a, b, c, d) = F(a, b, c, d) = F(a, b, c, d) = SOLUZIONE: F( a, b c, d) = b c + a!c +!a!b!d (copertura minima unica) a b / c d ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 9 di 6

10 Seconda parte Si minimizzi l espressione algebrica sotto riportata utilizzando le proprietà e i teoremi dell algebra di commutazione mostrando ogni passaggio effettuato: G(a, b, c, d) = a b + a b!c d e + a b c d e +!a!b +!a!b!c d e +!a!b c d e + a b!d e Espressione trasformata Teorema utilizzato a b + a b!c d e + a b c d e +!a!b +!a!b!c d e +!a!b c d e + a b!d e a b ( +!c d e + c d e +!d e) +!a!b ( +!c d e + c d e) a b + +!a!b r. Distrib. r. Assorb. ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 0 di 6

11 Esercizio 5: Conversione da C ad assembly Si chiede di tradurre in linguaggio macchina simbolico (linguaggio assemblatore) M68000 la funzione f riportata qui sotto. Nel tradurre non si tenti di accorpare od ottimizzare insieme istruzioni C indipendenti. La memoria ha parole da 6 bit, indirizzi da 32 bit ed è indirizzabile per byte. Le variabili intere sono da 6 bit. Ulteriori specifiche al problema e le convenzioni da adottare nella traduzione sono le seguenti: i parametri di tutte le funzioni sono passati sulla pila in ordine inverso di elencazione; i valori restituiti dalle funzioni ai rispettivi chiamanti sono passati sulla pila, sovrascrivendo il primo dei parametri passati o nello spazio libero opportunamente lasciato; le variabili locali vengono impilate in ordine di elencazione; le funzioni devono sempre salvare i registri che utilizzano; la funzione read(int fd, char *buf, int size) riceve un descrittore di file fd intero, un puntatore a carattere buf ed il numero di caratteri da leggere size e ritorna il numero di caratteri letti in un numero intero sullo stack. Si chiede di:. Riportare, nelle tabelle predisposte, il contenuto dell area di attivazione della funzione f così come risulta subito dopo l esecuzione della relativa istruzione LINK presente nella funzione. Si mostri anche dove puntano i registri S e F e quanto valgono gli spiazzamenti in byte degli elementi che costituiscono l area stessa. Si noti che lo stack cresce verso indirizzi di memoria inferiori. 2. Derivare l albero sintattico dell espressione read(stdin, buf, b+a) ipotizzando che tutte le operazioni aritmetiche vengano effettuate con i valori nei registri e il passaggio dei parametri a funzione via stack. Effettuare la numerazione dei nodi dell albero utilizzando l algoritmo di visita noto e l allocazione dei registri necessari. 3. Scrivere il codice in linguaggio assemblatore M68000 della funzione f coerente con le specifiche e con le risposte ai punti precedenti (il numero di righe non è significativo). 4. Nello scrivere il codice in linguaggio assemblatore M68000, utilizzare gli spiazzamenti attraverso simboli definiti con direttive EU invece che semplicemente il loro valore numerico. #define stdin 2 int f(char *buf, int a, int b) while(read(stdin, buf, b+a)) if(buf[0]==0) return 0; } return ; } ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina di 6

12 AREA DI ATTIVAZIONE DELLA FUNZIONE F DOO LA LINK: contenuto celle spiazzamento in bytes rispetto a frame pointer OLD FRAME OINTER 0 INDIRIZZO DI RITORNO 4 BUF 8 A 2 B 4 CELLA GIA IENA Indirizzi di memoria alti CELLA GIA IENA ALBERO SINTATTICO read(stdin, buf, b+a) ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 2 di 6

13 CODICE MACCHINA DI F STDIN: EU 0 BUF: EU 8 A: EU 2 B: EU 4 F: LINK #0, F MOVEM.L D0-D3/A0, -(S) WHILE: MOVE.W A(F), D0 MOVE.W B(F), D ADD.W D0, D MOVE.W D, -(S) MOVE.L BUF(F), D2 MOVE.L D2, -(S) MOVE.W #STDIN, -(S) BSR READ ADDA #6, S MOVE.W (S)+, D3 TST.W D3 BE ENDWHILE BODY: MOVE.W BUF(F), A0 MOVE.B (A0), D0 BNE WHILE MOVE.W #0, B(F) MOVEM.L (S)+, D0-D3/A0 UNLINK F RTS ENDWHILE MOVE.W #, B(F) MOVEM.L (S)+, D0-D3/A0 UNLINK F RTS ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 3 di 6

14 Esercizio 6: Microprogrammazione RIMA ARTE Lo schema riportato qui a destra illustra l architettura di processore a bus singolo di riferimento. Si scriva la sequenza di passi di controllo dell'istruzione seguente: JSR destinazione che si vuole aggiungere all'instruction Set Architecture del processore. Essa realizza il salto a sotto-programma, per cui impila l'indirizzo di ritorno e salta all'indirizzo specificato nell'etichetta destinazione, la cui rappresentazione richiede 4 byte, pertanto l'ingombro complessivo dell'istruzione è di 8 byte. Si supponga l unità di controllo sia di tipo cablato. SI COMILI LA TABELLA SEGUENTE (il numero di righe non è significativo) ASSO ORDINI Operazioni (in RTL) MARin, Cout, Zin, select 4, add, read MAR <- [C], Z <- [C] + 4, leggi da memoria 2 Cin, Zout, Vin, WMFC C <- [Z], V <- [Z], attendi MFC 3 IRin, MDRout IR <- [MDR] MARin, Cout, Zin, select 4, add, read 4 MAR <- [C], Z <- [C] + 4, leggi da memoria 5 TEMin, Zout, WMFC TEM <- [Z], attendi MFC 6 Cin, MDRout C <- [MDR] 7 Zin, Sout, select 4, sub Z <- [S] Sin, Zout, MARin S <- [Z], MAR <- [Z] 9 MDRin, TEMout, write, WMFC MDR <- [TEM], scrivi, attendi MFC 0 ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 4 di 6

15 2 3 4 SECONDA ARTE Si consideri l'architettura a 3 bus presente in figura a destra. Riscrivere, nella tabella seguente, i passi di controllo dell'istruzione JSR considerando questa ulteriore architettura. I registri S e TEM sono presenti nel banco di registri. SI COMILI LA TABELLA SEGUENTE (il numero di righe non è significativo) ASSO ORDINI Operazioni (in RTL) MARin, R=B, Cout, increment C, read, WMFC MAR <- [C], C <- [C] + 4, leggi, attendi MFC 2 IRin, R=B, MDRoutB IR <- [MDR] 3 MARin, R=B, Cout, increment C, read MAR <- [C], C <- [C] + 4, leggi 4 TEMin, R=B, Cout, WMFC TEM <- [C], attendi MFC 5 Cin, R=B, MDRoutB C <- [MDR] 6 Sin, MARin, SoutB, select 4, sub S,MAR <- [S] MDRin, R=B, TEMoutB, write, WMFC MDR <- [TEM], scrivi, attendi MFC ACSO rova del 26 Febbraio 200 agina 5 di 6

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