Un modello di interazione tra CPU e dispositivi di I/O

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1 Idice lezioe: Richiami e otazioi: Abbiamo visto: sistema moolitico (I + E + O) dividiamo I e O da E, e affidiamo loro ua CPU replichiamo gli I e gli O per parallelizzare sigolarmete gli I e O Parallelizzazioe tra Iput e Output o Cotrollo e busy wait Parallelizzazioe tra I/O e E o Iterruzioi (da dispositivo e pollig) Veri vataggi solo co la multiprogrammazioe o Iterruzioi i multiprogrammazioe - U sistema di calcolo è costituito da ua o più CPU, memoria pricipale, memoria secodaria, dispositivi di I/O - Memoria: u vettore M[0:-1] (es. =32MB) a cui la CPU accede tramite le istruzioi "LOAD N1" e "STORE N1" - CPU: la CPU cotiee ua serie di registri che referezia per ome o i maiera implicita. Due registri speciali soo: IR (istructio register) e PC (program couter) Pagia 1 Pagia 2 Pagia 3 - Ciclo di Fetch-Execute: La CPU ripete cotiuamete, i hardware, il ciclo: IR := M[PC] PC := PC + 1 execute(istruz. i IR) util CPU halt U modello di iterazioe tra CPU e dispositivi di I/O Descrizioe del problema e della ecessità di u sistema operativo efficiete CPU Busy Buffer commadi Ready Processore del dispositivo Dispositivo I/O - La CPU iserisce u comado el buffer ed attiva il processore del dispositivo mettedo ad 1 il flag BUSY - Il processore del dispositivo, se o sta eseguedo u comado, ispezioa cotiuamete il flag BUSY - No appea lo trova co il valore ad 1, lo azzera ed iizia l'esecuzioe del comado coteuto el buffer - Al termie dell'esecuzioe il flag READY viee messo a 1 per avvertire la CPU che il comado è stato eseguito - La CPU azzera il flag READY e iserisce u uovo comado el buffer Pagia 4 Pagia 5 Pagia 6

2 Iterazioe tra CPU e dispositivi di I/O - Nel sistema operativo cosiderato la CPU o esegue essu altro lavoro durate l'attesa per il completameto di u comado. - Il modello di comuicazioe può essere espresso più precisamete come segue: CPU I/O Processor ivio comado; esamia BUSY BUSY := 1; util BUSY = 1 esamia READY BUSY := 0; util READY = 1 <esegui comado> READY := 0; READY := 1; util trasmissio_completed util device_halt Iterazioe tra CPU e dispositivi di I/O - Geeralmete il tempo dedicato all'i/o costituisce ua parte fodametale del tempo complessivo di esecuzioe di u programma (cioè del tempo che itercorre tra la lettura del programma e la stampa degli ultimi risultati). - Le prestazioi di u sistema di calcolo possoo essere otevolmete migliorate riducedo il tempo dedicato alle attività di I/O. Pagia 7 Pagia 8 Pagia 9 Esempio di u semplice S.O. (1) Esempio di u semplice S.O. (2) Esempio di u semplice S.O. (3) Card Reader Card Reader Card Si aalizza ora u esempio di sistema operativo che preseta ua maggiore efficieza CPU Mai memory Priter - Sequeza di operazioi: leggi il pacco di schede compila carica esegui stampa i risultati util il calcolatore si ferma - Compito del S.O. e` cotrollare la sequeza di passi e gestire i dispositivi di I/O (lettore di schede e stampate). - Trasforma il calcolatore i ua macchia virtuale capace di compilare ed eseguire ua sequeza di programmi. Pagia 10 Pagia 11 Pagia 12

3 CR e LP possoo essere i ogi istate i uo dei tre stati: LIBERO, PRONTO, OCCUPATO - Lo stato di CR dipede da: iterruttore, comado, pacco di schede (deck) - Lo stato di LP dipede da: iterruttore, comado LP start com stato CR start deck com stato LIBERO ,1 0,1 LIBERO LIBERO LIBERO PRONTO LIBERO OCCUP PRONTO OCCUP. Programmi di cotrollo I/O a) Lettura di u pacco di schede INDCR = idirizzo dell'area di memoria riservata, destiata a coteere le iformazioi sulle schede SL = cotatore del umero di schede lette IC2 = idirizzo correte dell'area di memoria programma di cotrollo CR: fissa INDCR SL := 0 IC2 := INDCR attedi fio a che CR diveta PRONTO ivia comado (IC2) /* leggi scheda */ SL := SL + 1 calcola il uovo idirizzo IC2 attedi metre CR e` OCCUPATO util CR diveta LIBERO Pagia 13 Pagia 14 Pagia 15 b) Stampa di liee Programmi di cotrollo I/O INDLP = idirizzo di iizio dell'area di memoria coteete le liee da stampare LS = cotatore liee da stampare IC1 = idirizzo correte area di memoria programma di cotrollo LP: IC1 := INDLP attedi fio a che LP PRONTA ivia comado(ic1) /* stampa ua liea */ LS := LS - 1 calcola uovo idirizzo IC1 util LS = 0 Osservazioi: Programmi di cotrollo I/O - I etrambi i programmi compaioo delle fasi di attesa che dipedoo dalla diversa velocità della CPU che esegue il programma di cotrollo ei cofroti dei dispositivi. - Si è itrodotta ua forma di sicroizzazioe tra due dispositivi di per sé asicroi. Pagia 16 Pagia 17 Pagia 18

4 Programmi di cotrollo I/O Prestazioi del S.O. (1) - La otevole differeza di velocità tra CPU e dispositivi periferici fa sì che i programmi di cotrollo trascorrao la maggior parte del loro tempo i attesa. - I tempi legati all'accesso alla memoria pricipale per depositare i caratteri della scheda (80) o prelevare i caratteri della liea (120) (a cura dei processori dei dispositivi) soo trascurabili Programmi di cotrollo I/O Prestazioi del S.O. (2) - E' l'attesa dell'esecuzioe fisica del comado da parte del dispositivo che ralleta i programmi di cotrollo di I/O del S.O. - Esempio: LP istruzioi macchia iizializzazioe 2 attesa fio a che LP prota? ivia comado 5 decremeta LS 2 calcola uovo idirizzo 5 test su LS 2 N.B.: tecologia 1976 (oggi: processor clock > 1 GHZ) Pagia 19 Pagia 20 Pagia 21 - Il tempo di esecuzioe medio di ua istruzioe macchia, assumedo u tempo di ciclo di 1 usec, e` circa 2,5 3 usec - Il cotrollo della stampa di ua liea richiede circa 45 usec - Velocita` di stampa: 20 liee / secodo - Tempo di stampa di ua liea: 1/20 sec = usec Prestazioi - Il tempo ecessario per eseguire programmi è: t = I + CLE + O dove: I = somma dei tempi di iput CLE = somma dei tempi per: compile, load, execute O = somma dei tempi di output - Il throughput è: throughput = = t I + CLE + O - Per migliorare il throughput occorre sovrapporre le tre fasi I, CLE, O el tempo - Tale sovrapposizioe richiede che i dispositivi periferici e la CPU operio i modo il più possibile idipedete. Pagia 22 Pagia 23 Pagia 24

5 Sovrapposizioe tra igresso e uscita Sovrapposizioe tra igresso e uscita - throughput di u sistema co sovrapposizioe di I/O: i1 c1 o1 i2 c2 o2 i3 c3 o3 i4 c4 o4 i1 c1 o1 i2 c2 o2 i3 c3 o3 i4 c4 o4 mk = max(ik+1, Ok) k = 1,2,...,-1 - throughput di u sistema seriale: t = CLE + I + O CLE + ( = k= 1 ik + ok ) i1 c1 o1 i2 c2 i3 o2 c3 i4 o3 c4 o4 Fasi di elaborazioe Fasi di I/O Tempo risparmiato tempo di I/O: M = i throughput: --- = t CLE + M mk + o k = 1 Pagia 25 Pagia 26 Pagia 27 Programma di cotrollo I/O (1) Programma di cotrollo I/O (2) Programma IOC - Per raggiugere l'obiettivo della sovrapposizioe dell'igresso di u programma co l'uscita di u altro occorre u uico programma di cotrollo di I/O, IOC (iput-output cotrol). - IOC ivia comadi ad ogi dispositivo PRONTO ed attede solo quado tutti i dispositivi soo OCCUPATI. - Il programma riceve come dati di igresso il umero di liee da stampare e l'idirizzo di memoria i cui soo coteute. - Il programma termia quado tutte le liee soo stampate e CR è vuoto (LIBERO). - A differeza del caso precedete, il programma o attede se uo dei dispositivi è PRONTO, ma lo utilizza. INDLP = idirizzo di iizio area di memoria coteete le liee da stampare INDCR = idirizzo di iizio area di memoria i cui iserire le schede dati IC1 = idirizzo correte relativo a INDLP IC2 = idirizzo correte relativo a INDCR Pagia 28 Pagia 29 Pagia 30

6 programma IOC: fissa INDCR IC1 := INDLP, IC2 := INDCR SL := 0 attedi metre CR ad LP OCCUPATI if CR PRONTO the ivia comado (IC2) SL := SL + 1 calcola il uovo idirizzo IC2 fi if LP PRONTO the ivia comado(ic1) LS := LS - 1 calcola uovo idirizzo IC1 fi util LS = 0 ad CR LIBERO Fuzioameto co sovrapposizioe delle attività di I/0 - Programma di cotrollo del sistema di calcolo da parte del S.O.: LS := 0 fase di I/O fase di elaborazioe util halt if SL > 0 the compile; load; execute fi Osservazioi: - Le due fasi, I/O ed elaborazioe, soo sequezializzate - La fase di attesa della CPU per il completameto delle operazioi di I/O si è ridotta ma è comuque presete (si ha attesa quado etrambi i dispositivi soo occupati) - Si tratta ioltre di u attesa attiva (busy waitig) che disturba l'accesso dei processori dei dispositivi di I/O alla memoria - Per migliorare ulteriormete le prestazioi del sistema è ecessario sovrapporre le fasi di I/O e di elaborazioe Pagia 31 Pagia 32 Pagia 33 Sovrapposizioe attività CPU e I/O (1) Sovrapposizioe attività CPU e I/O (2) Sovrapposizioe attività CPU e I/O (3) - Il coivolgimeto della CPU elle operazioi di I/O è modesto. - Per migliorare le prestazioi occorre che durate le fasi di attesa dei programmi di cotrollo (i cui viee completata l'esecuzioe degli specifici comadi di I/O), la CPU possa eseguire altri programmi. - Occorre cioè sovrapporre ache la attività della CPU co le operazioi di I/O. - Nello schema proposto (programma IOC) la sovrapposizioe o è possibile perchè la CPU si dedica alla esecuzioe dei programmi di cotrollo I/O, rimaedo comuque impegata (i busy waitig) per l'itera durata della più luga tra le operazioi di I/O. - La gestioe delle operazioi di I/O richiede peraltro il cotributo della CPU per l'ivio dei comadi ai dispositivi. - La sovrapposizioe potrebbe essere otteuta iseredo ei programmi, ad itervalli regolari, la richiesta di esecuzioe dei programmi di cotrollo. Questa soluzioe è iaccettabile perchè fa ricadere sul programmatore u compito del S.O. - La soluzioe si ha attraverso il cocetto di iterruzioe, realizzato tramite hardware. Pagia 34 Pagia 35 Pagia 36

7 Iterruzioe da dispositivo (1) - E' u segale hardware iviato da u dispositivo di I/O alla CPU per idicare che u comado è stato eseguito dati comadi iterruzioi D 1 D 2 CPU Memoria D3 D4 Iterruzioe da dispositivo (2) Ciclo base di Fetch-Execute i asseza di iterruzioi : IR := M[PC] PC := PC + 1 execute(istruz. i IR) util CPU halt Modello di comportameto dell'iterruzioe da dispositivo - Si può supporre che ella CPU sia coteuto u vettore di bit (registro di richieste di iterruzioe - IRR) i cui ogi bit memorizza l'iterruzioe di u particolare dispositivo. Pagia 37 Pagia 38 Pagia 39 - Il ciclo di Fetch-Execute diveta: if IRR = 0 the IR := M[PC] PC := PC + 1 else IR := M[0] fi execute(istruz. i IR) util CPU halt - M[0] è l idirizzo i memoria di ua procedura, chiamata iterrupt routie L azioe della iterrupt routie è la seguete: iterrupt procedure: begi salva lo stato del programma iterrotto; ed x := idice del bit che ha causato l'iterruzioe; IRR[x] := 0; /* azzera il bit di richiesta x-esimo */ chiama il programma di cotrollo x-esimo; ripristia lo stato; cotiua il programma iterrotto; Iterrupt da timer e gestioe a pollig dell'i/o (1) - I alterativa alla gestioe ad iterrupt dei sigoli dispositivi, è possibile utilizzare u uico iterrupt periodico geerato da u timer hardware (real-time clock) co frequeza programmabile dal S.O. - La routie di servizio dell'iterrupt adrà ad esamiare le codizioi di attivazioe dei programmi di cotrollo I/O, provvededo evetualmete ad effettuare la chiamata. Pagia 40 Pagia 41 Pagia 42

8 Iterrupt da timer e gestioe a pollig dell'i/o (2) - Le variabili dei programmi di cotrollo I/O o soo iizializzate ad ogi attivazioe del programma, ma vegoo trattate come variabili globali. Ad esempio il programma di cotrollo del CR quado attivato usa il valore correte di SL. - Ogi programma di cotrollo I/O può essere scritto ed eseguito idipedetemete dagli altri, pur mateedo la sovrapposizioe tra elaborazioe e gestioe dell'i/o. timer iterrupt procedure: begi ed salva lo stato del programma iterrotto; if CR READY the call CR_cotrol fi ; if LP READY ad LS > 0 the call LP_cotrol fi ; ripristia lo stato; cotiua il programma iterrotto; LP_cotrol: begi ed Programmi di cotrollo I/O (co timer iterrupt) ivia comado(ic1) LS := LS - 1 calcola uovo idirizzo IC1 CR_cotrol: begi ed ivia comado (IC2) SL := SL + 1 calcola il uovo idirizzo IC2 - Lo schema che fa uso di u uico iterrupt da timer è particolarmete semplice: è sufficiete u uico livello di iterruzioe. Pagia 43 Pagia 44 Pagia 45 E semplice, ma è meo efficiete rispetto all'impiego di iterrupt da dispositivi: - Può accadere che essua delle codizioi di attivazioe sia verificata. Si ha pertato u overhead dovuto (più che alla valutazioe delle codizioi) al salvataggio e ripristio del programma iterrotto. - U dispositivo può rimaere i attesa del comado successivo (al più per u periodo del real-time clock). Pagia 46