Il problema dello I/O e gli Interrupt. Appunti di Sistemi per la cl. 4 sez. D A cura del prof. Ing. Mario Catalano

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1 Il problema dello I/O e gli Interrupt Appunti di Sistemi per la cl. 4 sez. D A cura del prof. Ing. Mario Catalano

2 Il Calcolatore e le periferiche Periferica Decodifica Indirizzi Circuiti di Controllo Registri Dati e Stato BUS Linea Indirizzi Linea Dati Linea Controllo

3 Interfaccia Interfaccia Periferica Registri di Stato Registri di Controllo Registri Dati Mondo Esterno E il modo in cui la periferica si presenta all esterno. In genere è una collezione di registri che permettono di Osservare lo Stato Modificare lo Stato Fornire Dati

4 Protocolli di Comunicazione Un Protocollo è quell insieme di regole che gestiscono la comunicazione tra due entità. Protocollo Sincrono E previsto un segnale di sincronizzazione (clock) che permette di gestire la temporizzazione delle comunicazioni Protocollo Asincrono Tutta la temporizzazione della comunicazione è gestita dal protocollo stesso attraverso lo scambio dei messaggi.

5 HandShake (Protocollo Asincrono) Protocollo di Ingresso Manda la Richiesta Aspetta un Ack (Strobe-In) Leggi il dato Req Strobe-In Protocollo di Uscita Scrivi i dati Manda la Richiesta (Strobe-Out) Aspetta un Ack Strobe-Out Ack

6 Meccanismi di I/O Controllato da programma Il Processore controlla lo stato della periferica in continuazione aspettando un cambiamento dello stato Accesso Diretto in Memoria La periferica è in grado di accedere alla memoria senza l intervento del Processore Interruzioni Il Processore procede nel suo lavoro, quando la periferica cambia stato manda un segnale al processore che interrompe il lavoro corrente e procede a gestire l evento.

7 Processore ed I/O Istruzioni di I/O Istruzioni Specifiche Indirizzamento separato per le periferiche Memory Mapping Lo spazio di memoria visto dal processore è condiviso tra la memoria vera e propria e le periferiche

8 Comunicazione Parallela e Seriale Comunicazione Parallela La comunicazione avviene direttamente con una parola di un byte Comunicazione seriale La comunicazione avviene un bit per volta

9 I problemi della comunicazione seriale (I) La periferica comunica con il processore attraverso una interfaccia. La comunicazione tra interfaccia e processore è sempre parallela La comunicazione tra interfaccia e periferica è la parte seriale. E necessario convertire la comunicazione da parallela a seriale

10 I problemi della comunicazione seriale (II) Il processore comunica all interfaccia il dato ma questo non viene immediatamente comunicato Per comunicare un nuovo dato è necessario aspettare che termini la comunicazione precedente Ampio utilizzo dei buffer

11 Tipi di comunicazione seriale Trasmissione Sincrona Viene mandata una sequenza di inizio comunicazione Vengono mandati i bit Viene mandata una sequenza di fine comunicazione La sincronizzazione avviene grazie ad un segnale di clock Trasmissione Asincrona I bit vengono mandati uno per volta Prima di ciascun byte viene mandata una particolare sequenza di sincronizzazione Non viene utilizzato nessun clock esterno

12 Dal busy-wait alle interruzioni

13 Se il processore aspetta Ipotizzando che il processore aspetta i segnali provenienti dalle periferiche (busywait), qual è il sovraccarico (over-head) che è chiamato a sostenere?

14 Come ridurre tale overhead? Idea : utilizzare un meccanismo per segnalare al processore quando un dispositivo di I/O richiede la sua attenzione=> le interruzioni. Problemi: 1. Evitare che il verificarsi di un interruzione non provochi interferenze indesiderate con il programma interrotto. => Salvataggio del contesto 2. Una CPU può colloquiare con diversi devices, i quali devono essere gestiti tramite routine specifiche => necessità di identificare l origine dell interruzione 3. Gestire richieste concorrenti di interruzione o interruzioni che pervengono al processore mentre è già in corso un interruzione (si dovrà interrompere la routine di servizio del primo interrupt?). =>definizione della gerarchia di priorità.

15 Fasi per la gestione dell'interruzione ) salvare lo stato del processo in esecuzione; ) identificare il programma di servizio relativo all'interruzione; ) eseguire il programma di servizio; ) riprendere le attività lasciate in sospeso.

16 Il contesto su cui opera un programma è costituito da: Il registo PC: contiene l indirizzo dell istruzione da cui dovrà essere ripresa l esecuzione 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.

17 Gestendo l interruzione solo prima della fase di fetch, quando l esecuzione dell istruzione precedente è completamente conclusa, possiamo evitare di memorizzare sia questi registri, che lo stato del microprogramma. Quando si verifica un interruzione 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.

18 *i 4*i+1 4*i+2 4*i+3 Riconoscimento delle interruzioni (IVN) Indirizzo iniziale prog.servizio prima perife. Indirizzo iniziale prog.servizio seconda perife.. Indirizzo iniziale prog.servizio perife. i-esima Periferica Identificativo Periferica x 4 INT IACK identificazione periferica CPU PUSH. POP RTI

19 La gestione dell I/O tramite interrupts solleva il processore dal peso di attendere il verificarsi degli eventi di I/O.

20 I Driver La comunicazione dal punto di vista del processore

21 Il Driver E il programma che gestisce il dialogo tra il processore e la periferica. Implementa il protocollo di comunicazione e gestisce la comunicazione I/O Controllato da programma: Il Driver è un programma come gli altri Interrupt: Il Driver è tipicamente un procedura particolare (ISR)

22 Elementi Fondamentali della Comunicazione Lato Periferica Interfaccia della periferica Protocollo di Comunicazione Lato Processore Meccanismo di Controllo Tipo di istruzioni di I/O Driver

23 Le Interruzioni Nello I/O Controllato da programma il processore passa tutto il tempo ad aspettare una periferica (tipicamente più lenta). Una interruzione è un segnale mandato direttamente dalla periferica al processore per interromperne l esecuzione e lanciare l esecuzione di un programma differente.

24 Elementi Fondamentali Segnale di Interrupt Segnale di interruzione per il processore Segnale di Ack Segnale di riscontro dell interruzione ISR (Procedura di Servizio degli Interrupt) Procedura lanciata quando giunge l interrupt

25 Sequenza di eventi durante un Interrupt Il dispositivo genera il segnale; il Processore interrompe il programma in esecuzione; Registri, PC e SR vengono salvati nello Stack; il Dispositivo viene informato che l interrupt è stato ricevuto (ack); viene eseguita la procedura (ISR); si ripristina il Programma originale.

26 Alcune Problematiche Un Interrupt deve sempre essere servito? Come si individua la periferica che ha mandato il segnale? (e quindi la corretta procedura?) Che succede se un Interrupt giunge mentre un altro Interrupt sta venendo eseguito?

27 Interrupt Innestati Soluzione 1: Non controllo la linea Interrupt fino a quando non ho terminato la procedura attuale Soluzione 2: Memorizzo nello SR che sto eseguendo un Interrupt, la maschera degli interrupt mi dice quali possono avvenire Soluzione 3: Controllo la linea degli Interrupt solo sul fronte di salita.

28 Le priorità La maschera delle interruzioni è un vettore di bit che indica il livello di priorità dell interruzione attualmente in esecuzione ( 0 nessuna interruzione) Ciascun Interrupt viene associato ad un livello di priorità. Tutte gli interrupt che giungono con priorità più bassa non vengono eseguiti. Nella maschera degli interrupt si memorizza il lievllo di priorità attuale. Spesso esiste un livello di priorità non mascherabile

29 Sequenza di eventi durante un Interrupt Il dispositivo genera il segnale; il Processore interrompe il programma in esecuzione; gli Interrupt di priorità più bassa vengono disabilitati; registri, PC e SR vengono salvati nello Stack; il Dispositivo viene informato che l interrupt è stato ricevuto (ack); viene eseguita la procedura (ISR); si ripristina il Programma originale.

30 Presenza di più dispositivi Polling Interrogo Tutti i dispositivi. Interrupt vettorizzato Il Dispositivo mi manda un identificativo in risposta al segnale di ack. Interrupt vettorizzato con raggruppamento I Dispositivi vengono raggruppati. La procedura selezionata attravero il vettore delle interruzioni interroga i dispositivi.

31 Interrupt vettorizzato I (autovettorizzato) Si Manda il segnale di Interrupt assieme ad un codice Il codice è un indice in un Vettore delle Interruzioni Il contenuto del vettore delle interruzioni è l indirizzo di memoria dove si trova la procedura che gestisce l interruzione al codice fornito.

32 Interrupt vettorizzato II (con codice) Si Manda il segnale di Interrupt Il processo risponde con un ack Si manda un codice di interruzione Il codice è un indice in un Vettore delle Interruzioni Il contenuto del vettore delle interruzioni è l indirizzo di memoria dove si trova la procedura che gestisce l interruzione al codice fornito.

33 Interruzioni e 8086 Il 8086 Supporta le interruzioni vettorizzate E possibile operare in entrambi i modi descritti La periferica emette un segnale sul bus oltre a quella di interrupt per segnalare l utilizzo dell interrupt autovettorizzato

34 Richieste Simultanee La priorità fornisce una prima selezione Il Raggruppamento una seconda modalità di selezione: Daisy Chain Quando arriva la richiesta Ack viene mandato al primo dispositivo del gruppo Se questo non ha mandato segnali lo passa al secondo L ultimo dispositivo viene servito sempre per ultimo

35 Daisy Chain Processore Request Associato ad un livello di priorità Ack Dispositivo A Dispositivo B Dispositivo C

36 Driver con Interruzioni Si sviluppa la procedura ISR La si carica in memoria all indirizzo predefinito Si associa la procedura al suo codice e lo si fornisce al dispositivo.