AXO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi

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1 Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione prof.ssa Anna Antola prof. Luca Breveglieri prof. Giuseppe Pelagatti prof.ssa Donatella Sciuto prof.ssa Cristina Silvano AXO Architettura dei Calcolatori e Sistemi Operativi Prova di venerdì 9 novembre 200 Cognome Nome Matricola Firma Istruzioni Si scriva solo sui fogli distribuiti. Non si separino questi fogli. Per i calcoli si utilizzino le pagine bianche in fondo allo scritto. È vietato portare all esame libri, eserciziari, appunti, calcolatrici e telefoni cellulari. Chiunque fosse trovato in possesso di documentazione relativa al corso anche se non strettamente attinente alle domande proposte vedrà annullata la propria prova. Non è possibile lasciare l aula conservando il tema della prova in corso. Tempo a disposizione: 2 h : 30 m Valore indicativo di domande ed esercizi, voti parziali e voto finale: Esercizio (4 punti) Esercizio 2 (4 punti) Esercizio 3 (4 punti) Esercizio 4 (4 punti) Voto finale: (6 punti) I NUMERI INDICANO I PUNTEGGI APPROSSIMATIVI. CON SOLUZIONI (in corsivo)

2 Esercizio n. modello thread e parallelismo Si consideri il programma C seguente (gli #include sono omessi): int well = 0; pthread_mutex_t cover = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; sem_t sem; void toss (void arg) { int coin = (int) arg; pthread_mutex_lock (&cover); well = well + coin; / statement A / pthread_mutex_unlock (&cover); coin = 0; sem_post (&sem); return NULL; } / end toss / void fish (void arg) { int coin = (int) arg; sem_wait (&sem); pthread_mutex_lock (&cover); well = well - coin; pthread_mutex_unlock (&cover); coin = 2 coin; / statement B / return NULL; } / end fish / void main (...) { pthread_t visitor [2], fisher; sem_init (&sem, 0, 0); pthread_create (&visitor [0], NULL, &toss, (void ) 5); pthread_create (&visitor [], NULL, &toss, (void ) 5); sem_wait (&sem); pthread_create (&fisher, NULL, &fish, (void ) ); pthread_join (visitor [0], NULL); pthread_join (visitor [], NULL); / statement C / pthread_join (fisher); return; } / end main / AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 2 di 4

3 Si completi la tabella sotto riportata, indicando gli stati delle variabili GLOBALI (ovviamente tutte esistenti) negli istanti di tempo specificati. Lo stato di una variabile può essere indicato come: intero, carattere, stringa, quando la variabile ha valore definito X, quando la variabile non è stata ancora inizializzata se la variabile si può trovare in due o più stati, li si riporti tutti quanti Si presti attenzione alla colonna condizione. In particolare, con subito dopo statement X si intende richiedere i valori che le variabili possono assumere tra lo statement X e lo statement immediatamente successivo del thread indicato nella condizione stessa. condizione well variabili globali sem subito dopo stat. A in visitor [0] 5 / 0 0 / subito dopo stat. B in fisher 9 0 subito dopo stat. C in main 0 / 9 / 0 Si completi la tabella sotto predisposta indicando - per ciascuno degli istanti di tempo specificati - se le variabili riportate esistono con certezza. Nei casi in cui la variabile considerata non esiste oppure può non esistere, si lasci in bianco la casella corrispondente. Si presti attenzione alla colonna condizione. In particolare, con subito dopo statement X si intende richiedere i valori che le variabili possono assumere tra lo statement X e lo statement immediatamente successivo del thread indicato nella condizione stessa. condizione variabili locali dei thread coin in visitor [0] coin in fisher subito dopo stat. A in visitor [0] esiste con certezza (può non esistere) subito dopo stat. B in fisher (può non esistere) esiste con certezza subito dopo stat. C in main (non esiste) (può non esistere) AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 3 di 4

4 Esercizio n. 2 nucleo e commutazione tra processi prima parte stati dei processi Si considerino i seguenti frammenti di programma: / programma CODICE_UNO.c / main ( ) {... fd = open ( /info2/file, O_RDWR); / 3 blocchi / pid = fork ( ); if (pid == 0) { / codice eseguito da Q figlio di P /... pid2 = fork ( ); if (pid2 == 0) { / codice eseguito da R figlio di Q / execl ( /acso/cod_mutato, cod_mutato, NULL); write (stdout, err_msg, 50); exit (2); } else { / codice eseguito da Q / write (fd, buffer, 000); / 2 blocchi / close (fd); exit (); } / end if / } else { / codice eseguito da P / pid = wait (&status); close (fd); exit (0); } / end if / } / CODICE_UNO / / programma CODICE_DUE.c / main ( ) {... write (stdout, c, 20); exit (3); } / CODICE_DUE / Dati due processi P e S: il processo P esegue il programma CODICE_UNO e crea il figlio Q; il processo Q crea il figlio R che esegue una mutazione di codice; il codice mutato qui non è riportato il processo S esegue il programma CODICE_DUE Non ci sono altri processi utente nel sistema. AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 4 di 4

5 Ulteriori specifiche del sistema:. i processi utente hanno associata una priorità, 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 va attivato 4. il buffer del driver di standard output ha dimensione di 50 caratteri 5. per tutte le operazioni sui file che implicano trasferimento di blocchi: a) la dimensione di un blocco dati di dati 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 del file (evento DMA_in per lettura di un blocco ed evento DMA_out per scrittura di un blocco su file) 6. per la lettura e scrittura su file: - le operazioni di lettura e scrittura su file accedono sempre a disco, cioè è sempre necessario eseguire trasferimenti in DMA 7. per l apertura del file: a) è sempre necessario trasferire in DMA: - blocco per l accesso allo I-node di ogni cartella o file presente nel nome-percorso (pathname) (tranne che per la cartella radice), e - blocco per il contenuto di ogni cartella presente nel nome-percorso (pathname) b) una volta terminata l operazione di apertura, l area di memoria centrale viene resa disponibile e pertanto una successiva apertura del file richiede il trasferimento tramite DMA 8. l operazione di chiusura di un file (close) implica solo l aggiornamento delle tabelle gestite dal S.O. presenti in memoria centrale 9. le chiamate di sistema wait e waitpid invocano Sleep_on su un evento opportuno 0. per completare la tabella delle commutazioni, si faccia riferimento alla notazione vista a lezione DOMANDA Si completino le parti mancanti della tabella di commutazione dei processi (riportata alle due pagine seguenti). AVVERTENZE Nella tabella di commutazione proposta sono previste righe da completare in cui: a) è specificato l evento (con informazioni aggiuntive); in questo caso sono da completare le parti relative a: moduli del S.O., contesto e stato dei processi b) è specificato lo stato dei processi raggiunto dopo il verificarsi dell evento; in questo caso sono da completare i campi relativi a: evento (con eventuali informazioni aggiuntive), moduli del S.O. e contesto NOTA BENE: l evento in questione è sempre determinabile univocamente dallo stato raggiunto, dall evoluzione precedente dei processi, dal codice dei programmi e dalle ulteriori specifiche di sistema se l evento è un interrupt è obbligatorio usare la notazione n interrupt indicando esattamente il numero di interruzioni che si sono verificate AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 5 di 4

6 evento (è preceduto dal processo nel cui contesto l evento si verifica) informazioni aggiuntive stato dei processi dopo la gestione dell evento P Q R S esec non esiste non esiste pronto P: open open ha inizializzato il DMA in lettura attesa (E) non esiste non esiste esec S: 2 interrupt da DMA_in attesa (E) non esiste non esiste esec S: interrupt da orologio il quanto di tempo di S è scaduto S < P attesa (E) non esiste non esiste esec S: interrupt da DMA_in è relativo all ultimo blocco da trasferire S < P esec non esiste non esiste pronto P: pd = fork il quanto di tempo di P è scaduto S < P = Q pronto esec non esiste pronto Q: pid2 = fork S < P < Q = R pronto esec pronto pronto TABELLA DI COMMUTAZIONE DEI PROCESSI (continua) AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 6 di 4

7 evento (è preceduto dal processo nel cui contesto l evento si verifica) informazioni aggiuntive stato dei processi dopo la gestione dell evento P Q R S Q: interrupt da orologio il quanto di tempo di Q è terminato Q < S < P < R pronto pronto esec pronto R: write write ha trasferiti 50 caratteri nel buffer del driver Q < S < P esec pronto attesa (E2) pronto v. AVVERTENZE P: wait S < Q attesa (E3) esec attesa (E2) pronto Q: exit P < S pronto non esiste attesa (E2) esec v. AVVERTENZE S: 50 interrupt da stampante S < P < R pronto non esiste esec pronto TABELLA DI COMMUTAZIONE DEI PROCESSI (fine) In rosso sono colorate le parti di tabella assegnate. AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 7 di 4

8 seconda parte funzioni del nucleo Si consideri la tabella di commutazione della prima parte: per i due eventi sotto riportati si risponda alle domande in modo coerente con lo svolgimento già effettuato della prima parte. Nelle domande in cui è chiesto di completare lo stato della pila, per indicare gli indirizzi di ritorno memorizzati nella stessa, si usi la notazione indirizzo di ritorno a XXXX dove, al posto di XXXX, va specificato codice utente oppure il nome del modulo di S.O. a cui si ritorna Evento P: open si indichino i moduli del Sistema Operativo eseguiti nel contesto di P (anche parzialmente) per gestire l evento G_SVC_ open Sleep_on_ (E) Change si completi la figura sotto riportata indicando uno stato possibile della pila di sistema di P così come risulta dopo la gestione dell evento considerato indirizzi minori indirizzo ritorno a Sleep_on indirizzo ritorno a open indirizzo ritorno a G_SVC PSR: modo U indirizzi maggiori indirizzo ritorno a codice utente pila di sistema di P AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 8 di 4

9 Evento S: interrupt da DMA_in (è relativo all ultimo blocco da trasferire) si indichino i moduli del Sistema Operativo eseguiti per gestire l evento e il processo (o i processi) nel cui contesto è eseguito ogni modulo moduli di S.O. eseguiti per gestire l evento processo (i) nel cui contesto è eseguito ogni modulo R_int (DMA_in) Wake_up Preempt_ Change Sleep_on_2 (E) open G_SVC 2/3 S S S S - P P P P si completi la figura sotto riportata indicando uno stato possibile della pila di sistema di S così come risulta dopo la gestione dell evento considerato indirizzi minori indirizzo ritorno a Preempt indirizzo ritorno a R_int PSR: modo U indirizzi maggiori indirizzo ritorno a codice utente pila di sistema di S AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 9 di 4

10 Esercizio n. 3 memoria virtuale Un sistema dotato di memoria virtuale con paginazione e segmentazione tipo UNIX è caratterizzato dai Un sistema dotato di memoria virtuale con paginazione e segmentazione tipo UNIX è caratterizzato dai parametri seguenti: la memoria fisica ha capacità 32 K byte, la memoria logica ha capacità di 64 K byte e la dimensione delle pagine è di 4096 byte. (a) Indicare il numero di pagine fisiche e il numero di pagine logiche del sistema. n. pagine fisiche: 8 n. pagine logiche: 6 (b) Nel sistema saranno attivati i processi P e Q che eseguono i programmi X e Y, che condividono un segmento dati. La dimensione iniziale dei segmenti dei due programmi è la seguente: CX: 8 K DX: 4 K PX: 4 K COND: 4 K CY: 2 K DY: 4 K PY: 4 K COND: 4 K Il segmento COND è allocato lasciando 2 pagine libere dopo il segmento dati di X e Y. Inserire in tabella la struttura in pagine della memoria virtuale dei due programmi X e Y (notazione: CX0, CX, DX0, PX0, CY0,, COND0,...). indirizzo di pagina virtuale X Y 0 CX0 CY0 CX CY 2 DX0 CY2 3 DY0 4 5 COND0 6 COND A B C D E F PX0 PY0 (c) A un certo istante t 0 sono terminati, nell ordine, gli eventi seguenti: P viene creato ( fork di P ed exec di X) P esegue una fork e crea il processo figlio Q Q accede alla pagina condivisa COND Q chiama una funzione che si trova nella pagina di codice corrente, la quale funzione esegue un accesso in scrittura a una struttura dati il cui indirizzo virtuale assoluto è 2000 hex P accede alla pagina dati Considerando le ipotesi seguenti, compilare le tabelle della situazione al tempo t 0 relative alla memoria fisica e al contenuto della MMU: il lancio in esecuzione di un programma avviene caricando solo la pagina di codice con l istruzione di partenza, la prima pagina dati e una pagina di pila, in quest ordine il caricamento di ulteriori pagine in memoria avviene on demand il numero di pagine residenti R è pari a 3 l indirizzo esadecimale di partenza di X è AA hex (indirizzo virtuale assoluto) l indirizzo esadecimale di partenza di Y è 2222 hex (indirizzo virtuale assoluto) si utilizza l algoritmo LRU per la sostituzione di pagine di memoria, considerando che almeno una pagina di pila debba sempre rimanere in memoria l allocazione delle pagine virtuali nelle pagine fisiche avviene sempre in sequenza all inizio della sequenza di eventi la MMU è vuota, e se è richiesta una nuova riga si utilizzi sempre la prima riga libera AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 0 di 4

11 situazione al tempo t 0 memoria fisica MMU indirizzo fisico pagine allocate proc. NPV NPF valid bit 0 CP= CQ P CP / 0 DP0 = (DQ0) P DP0 /2 2 PP0 P PP0/F 2 3 PQ0 Q CQ / 0 4 (COND) DQ0 Q (DQ0/2)(COND / 5)DQ0/ 2 ()(4) 4 / 0 / /0/ 5 Q PQ0 /F (d) A un certo istante t > t 0 è terminata la seguente sequenza di eventi: Q esegue una exec e passa a eseguire il programma Y P esegue un accesso a COND Q richiede una nuova pagina di pila Q esegue un accesso a COND Completare le tabelle con la situazione al tempo t. situazione al tempo t memoria fisica MMU indirizzo fisico pagine allocate proc NPV NPF valid bit 0 CP = (CQ) P CP / 0 (DP0) COND P (DP0/2) COND/5 () /0/ 2 PP0 P PP0/F 2 3 (PQ0) CQ2 Q (CQ/) CQ2/2 (0) 3 / 0 / 4 (DQ0) (DQ0) PQ Q (DQ0/2) (DQ0/3) PQ/E (4)(4) 4 /0//0/ 5 (PQ0) Q (PQ0/F) (PQ0/F) COND/6 (3) (5) /0//0/ 6 7 AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina di 4

12 Esercizio n. 4 file system Si consideri un calcolatore dotato di sistema operativo Linux e in cui valgono le seguenti 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 d) Le chiamate di sistema sono DIPENDENTI e rimangono a disposizione in memoria blocchi allocati/letti dalle precedenti chiamare di sistema 2. per l'apertura dei file: e) è sempre necessario accedere a: blocco per l'accesso allo I-node di ogni cartella (catalogo) o file presente nel nome-percorso (pathname), e blocco per il contenuto di ogni cartella (catalogo) presente nel nome-percorso (pathname), I blocchi possono trovarsi in memoria (se già acceduti) o necessitare di trasferimento DMA da disco Su tale calcolatore viene eseguito il seguente programma, che parte come processo P, genera il processo Q che a sua volta genera il processo R (i commenti identificano le chiamate di sistema nel seguente modo: /*Sn*/, con <=n<=7 ): int main(){/* Processo P */... fd = open( /acso/esame/esercizio, O_RDWR ); lseek( fd, 020, 0 ); read( fd, buf, 0 ); write( fd, buf2, 600 ); pid = fork(); if( pid == 0 ){/* Processo Q */ fd2 = open( /acso/esame/esercizio2, O_RDONLY ); read( fd2, buf2, 24 ); lseek( fd2, 000, ); pid2 = fork(); if( pid2 == 0 ){/* Processo R */ fd3 = open( /acso/esame/esercizio3, O_RDWR); write( fd3, buf3, 727 ); read( fd3, buf3, 322 ); close( fd2 ); exit( 0 ); } else{/* Processo Q */ exit( 0 ); } } else{/* Processo P */ close( fd ); } exit( 0 ); } /*S*/ /*S2*/ /*S3*/ /*S4*/ /*S5*/ /*S6*/ /*S7*/ /*S8*/ /*S9*/ /*S0*/ /*S*/ /*S2*/ /*S3*/ /*S4*/ /*S5*/ /*S6*/ /*S7*/ AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 2 di 4

13 Al momento dell'esecuzione, il contenuto del volume è il seguente: I-Lista: <0,dir,4><6,dir,20><7,dir,3><98,norm,{800,80,802, 803, }> <0,norm,{78,79,...}><232,norm,{2733,2734,..}> Blocco 4:...<6,acso>... Blocco 20:...<7,esame>... Blocco 3:...<98,esercizio><0,esercizio2><232,esercizio3>... Nota: lo i-node di root è sempre in memoria e il contenuto dei blocchi dei file normali viene omesso perché non significativo ai fini dell'esercizio. a) Per ciascuna della chiamate di sistema del processo P sotto riportate, si indichi 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. Chiamata di sistema N. di interruzioni di fine DMA fd = open( /acso/esame/esercizio, O_RDWR ) - (Totale 7) lseek( fd, 020, 0 ) - (Totale ) Sequenza di accessi in memoria (MM) o disco I-Lista[0] in MM Blocco 4 I-Lista[6] Blocco 20 I-Lista[7] Blocco 3 I-Lista[98] Blocco 800 I-Lista[98] in MM Blocco 80 read( fd, buf, 0 ) - - (Totale ) write( fd, buf2, 600 ) - - (Totale ) I-Lista[98] in MM Blocco 80 in MM Blocco 802 I-Lista[98] in MM Blocco 802 in MM Blocco 803 b) Durante l'esecuzione è stata osservata la seguente sequenza di chiamate di sistema: S, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S6, S5, S0, S, S2, S3, S4, S7. Si completi il contenuto delle tabelle seguenti, indicando la sequenza dei valori assunti fino alla conclusione di S7 (si scriva L oppure NE per indicare che una cella si è liberata oppure non esiste più): Tabella file aperti Processo P File des. Rif. riga Tabella file aperti Processo Q File des. Rif. riga Tabella file aperti Processo R File des. Tabella globale dei file aperti Rif. riga Riga Posizione corrente N. di proc. Punt. 0 X 0 X 0 X 0 X X X X X X X X X 2 X 2 X 2 X 2 X X X 3 3,L,NE 3 3,NE 3 3,NE 3 0,020,030,630,L,2,3,2,,L 98,L 4 4 4,NE 4 4,L, NE 4 0,24,024,L,2,,L 0,L ,NE 5 0,727,049,L,L 232,L AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 3 di 4

14 spazio libero per minuta AXO prova di venerdì 9 novembre 200 CON SOLUZIONI pagina 4 di 4