Misure di intervalli temporali

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Vittorio Ilario Vecchio
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1 Misure di intervalli temporali Abbiamo visto che il computer ci mette a disposizione un orologio con la precisione di 1 µs (accessibile tramite la routine gettimeofday). Abbiamo usato questo orologio per memorizzare il tempo in cui abbiamo eseguito le misure con il multimetro. È però ancora più utile eseguire misure di intervalli temporali, sia nel caso di fenomeni ripetitivi (ad esempio il periodo di oscillazione di un pendolo, la frequenza di un sistema oscillante) che nel caso di fenomeni singoli o stocastici (il tempo di caduta di un grave, l intervallo tra il passaggio di due raggi cosmici). Laboratorio di Calcolo B 131

2 Reazione ad un evento Come prima cosa dobbiamo essere capaci di comunicare al computer che è successo qualcosa. Un modo di farlo è utilizzare le linee di ingresso della porta parallela: il passaggio da 0 a 1 di una di tali linee sarà l evento di cui vogliamo misurare il timing. Sarà quindi necessario trasformare l evento fisico che ci interessa nella (rapida) transizione di una tensione da 0 a 5 Volts (trasduzione). Dal punto di vista del computer, si dovranno semplicemente leggere i bits della locazione 0x379, cui corrisponde il device /dev/pp1 (in modo analogo, il device /dev/pp0 usato per le 8 linee di output corrisponde all indirizzo di memoria 0x378). Soltanto i bits 3,4,5,6 e 7 sono utili, e corrispondono rispettivamente ai segnali Error, Select, Paper Out, Ack e Busy; noi useremo Ack. Laboratorio di Calcolo B 132

3 L oscillatore Per i nostri esperimenti useremo un oscillatore basato sul circuito integrato 555. Non sono importanti i dettagli del suo funzionamento: basta sapere che il 555 induce continuamente una carica del condensatore C attraverso R A ed R B seguita da una scarica attraverso R B. L uscita rimane al valore 0 V per un tempo t L e quindi a +5 V per un tempo t H. +Vcc RESET t H t L R A R B DISCH TRIG 555 OUT V out THRES V C C t H = (R A +R B )C t L = R B C Laboratorio di Calcolo B 133

4 Il metodo del polling Il metodo del polling è molto intuitivo: si chiede in continuazione al dispositivo se è successo qualcosa (nel nostro caso una transizione 0-1); se la risposta è no si continua, se è sì si analizza l evento (nel nostro caso si misura la distanza temporale dall evento precedente, in modo da determinare il periodo di oscillazione del nostro oscillatore). pstat = open("/dev/pp1", O_RDONLY); for (i=0; i<n_meas; i++) { old = 1; cc = 0; while(1) { read(pstat,&c,1); if ( (c & 0x40)!= 0) { if (old == 0) { if (cc == 0) { gettimeofday(&t,null); cc = 1; else { gettimeofday(&t1,null); dt = delta_t(t1,t); break; old = 1; else { old = 0; Laboratorio di Calcolo B 134

5 Difetti del polling Il polling costituisce una buona tecnica nel caso di una macchina single process single user, ovvero una macchina che non ha null altro da fare che interrogare il dispositivo. Nella realtà però un computer esegue molte operazioni allo stesso tempo, ed alcune di queste (in particolare tutte quelle che hanno a che fare con la gestione dei dispositivi esterni e del sistema) hanno priorità maggiore rispetto ai processi dell utente. Di conseguenza tali processi possono venire interrotti in qualunque momento, anche in funzione del carico della macchina, e ciò degrada la risoluzione della misura temporale. Inoltre il continuo accesso al device consuma tutte le risorse del computer, e gli impedisce di fare qualcosa di utile durante l attesa dell evento. Laboratorio di Calcolo B 135

6 Il kernel e lo scheduler Nei computers multi-process, la CPU esegue un programma detto kernel che ha il compito di gestire il dialogo con i dispositivi esterni (tramite i device drivers) e di coordinare (attraverso lo scheduler) l esecuzione dei processi utente. Lo scheduler attiva a turno i diversi processi che chiedono di usare la CPU, ma prima di farlo attiva un timer; la routine di handling del timer restituisce il controllo allo scheduler, che seleziona un nuovo processo utente. Interrup t Handler Device Scheduler Device Driver Kernel User Process User Process User Process User Process Laboratorio di Calcolo B 136

7 L interrupt Quando un dispositivo deve dialogare con la CPU, attira la sua attenzione utilizzando un segnale digitale detto interrupt. La CPU reagisce eseguendo, il più rapidamente possibile, la routine di interrupt handling definita per quel segnale. L interrupt handler ha le seguenti caratteristiche: Non può essere a sua vola interrotto: gli altri interrupt vengono ritardati, l interrupt in corso di gestione viene disabilitato. L esecuzione dell handler deve essere rapida, per non perdere altri interrupts. Di solito solo le operazioni indispensabili vengono realmente eseguite nell handler (tophalf), mentre quelle meno urgenti vengono eseguite (ed eventualmente accorpate) in una routine interrompibile che viene detta bottom-half; Le routines del kernel possono disabilitare temporaneamente la gestione degli interrupts, con lo scopo di evitare conflitti nella gestione di variabili condivise con gli interrupt handlers; cioè provoca piccoli ritardi nell esecuzione degli handlers (latenza); Laboratorio di Calcolo B 137

8 Un interrupt handler per la porta parallela Il segnale Ack della parallela può anche mandare un interrupt alla CPU. Utilizzerete un device (/dev/ppint) che si comporta nella seguente maniera: In scrittura, riceve il numero di interrupts che devono essere eseguiti ed abilita la porta parallela al loro invio. L interrupt handler che viene installato registra il tempo di arrivo di ciascuno degli interrupts, e li disabilita quando ne ha ricevuto la quantità prevista. In lettura il device restituisce il tempo (à la gettimeofday) di arrivo degli interrupts, permettendo così una misura del periodo. Laboratorio di Calcolo B 138

9 void pp_th_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { if (tv_head < (tv_data + n_timeval) ) { do_gettimeofday(tv_head); /* save the interrupt time */ tv_head++; if (tv_head == (tv_data + n_timeval) ) { outb_p(0x00, pp_base+2); /* disable the interrupts */ /* Queue the bottom-half */ queue_task_irq_off(&pp_task, &tq_immediate); mark_bh(immediate_bh); pp_th_count++; /* record that an interrupt arrived */ /* Install the interrupt handler */ request_irq(pp_irq, pp_th_interrupt, SA_INTERRUPT, pp-th", NULL); Laboratorio di Calcolo B 139

10 Utilizzo di /dev/ppint struct timeval t[250]; char c,tim[17]; pi = open("/dev/ppint",o_rdwr); for (j=0; j<10; j++) { c = 250; write(pi,&c,1); for (i=0; i<250; i++) { read(pi,tim,16); tim[16] = 0; sscanf(tim,"%d.%d",&(t[i].tv_sec),&(t[i].tv_usec)); for (i=1; i<250; i++) { HFILL(101,delta_t(t[i-1],t[i]),0.,1.); close (par); Vengono richieste 250 misure Vengono letti e decodificati i dati Istogramma dei periodi Laboratorio di Calcolo B 140

11 Esercitazione in laboratorio Esercitazione in laboratorio Dovete realizzare un programma che esegua la misura del periodo di un segnale ripetitivo applicato all ingresso ACK della porta parallela con i metodi del polling e dell interrupt. Il programma dovrebbe essere facile da realizzare. Però è importante utilizzarlo bene per capire la differenza tra i due metodi: dovete analizzare un intervallo piuttosto ampio di frequenze di ingresso (diciamo da 100 ms a 5 µs) perché le differenze tra i due metodi diventano maggiori all aumentare della frequenza. Dovete ripetere le misura molte volte e fare degli istogrammi, in modo da essere in grado di stimare non solo valore medio e varianza, ma anche la popolazione delle code (ovvero l errore massimo che potete commettere). Infine dovete ripetere le misure in condizioni di CPU sovraccarica (ad esempio facendo girare contemporaneamente un programma che esegue un calcolo in loop). Laboratorio di Calcolo B 141

12 Consigli per il programma Utilizzate due functions separate per le due misure, e fate in modo che entrambe utilizzino la medesima function per l analisi dei dati (istogrammazione, calcolo di media e varianza, calcolo dell errore massimo). Siccome i tempi vengono sempre restituiti nel formato di gettimeofday avrete anche bisogno di una function che calcoli la differenza tra due tempi espressi in questo formato. Visto che le misure a periodi lunghi prendono molto tempo potrebbe essere una buona idea di aggiornare gli istogrammi e le misure in tempo reale, eventualmente aggiustando in modo dinamico la scala dell istogramma. Laboratorio di Calcolo B 142

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