ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI

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3 Graziano Frosini Giuseppe Lettieri ARCHITETTURA DEI CALCOLATORI VOLUME III ASPETTI ARCHITETTURALI AVANZATI E NUCLEO DI SISTEMA OPERATIVO Con riferimento al Personal Computer all ambiente di programmazione DJGPP e a un nucleo appositamente realizzato

4 Copyright MMXI ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: febbraio 2009 II edizione: febbraio 2011

5 Indice Prefazione 9 1 Memoria virtuale 1.1 Memoria virtuale paginata Riesecuzione delle istruzioni Tabella di corrispondenza in memoria virtuale Memoria fisica in memoria virtuale Trasferimento delle pagine in DMA Paginazione nel processore PC Forma dei descrittori di tabella e di pagina Processore PC: tabella di corrispondenza in memoria virtuale Processore PC: memoria fisica in memoria virtuale Considerazioni sulla finestra FM Trasferimento e rimpiazzamento Gestione delle pagine fisiche Rimpiazzamento delle tabelle delle pagine Buffer dei descrittori di pagina Algoritmo di rimpiazzamento del TLB Considerazioni sull utilizzo del DMA 33 2 Multiprogrammazione 2.1 Sistemi multiprogrammati Spazio di indirizzamento di un processo Descrittori di processo nel processore PC Multiprogrammazione e memoria virtuale Memoria fisica in memoria virtuale Tabelle di corrispondenza in memoria virtuale Commutazione hardware tra processi Problema dei processi occupati 47 3 Protezione 3.1 Stati di funzionamento Protezione nel processore PC 51

6 6 Indice Protezione e byte di accesso del direttorio Meccanismo di interruzione e protezione Problema del cavallo di Troia 56 4 Sistemi multiprogrammati 4.1 Processore e processi Nucleo e interruzioni Processi e interruzioni Realizzazioni Realizzazione delle primitive Realizzazione dei processi Processo dummy Codice delle primitive Concetto di atomicità Semafori Realizzazione dei semafori Mutua esclusione Sincronizzazione Memoria dinamica Realizzazione di timer di sistema Autosospensione dei processi Fase di inizializzazione Contenuto dei moduli 92 5 Operazioni di ingresso/uscita 5.1 Primitive di I/O Ingresso/uscita a interruzione di programma Descrittori di operazioni di I/O Sottoprogrammi di utilità Realizzazione di un operazione di lettura Realizzazione di un operazione di scrittura Registro di controllo unico Dispositivi e interfacce a blocchi Descrittori di interfacce a blocchi Sottoprogrammi di utilità Realizzazione delle operazioni di lettura e di scrittura Contenuto dei moduli Gestione della memoria virtuale 6.1 Considerazioni preliminari sulla memoria virtuale Dispositivi a blocchi e memoria virtuale Ampiezza della memoria virtuale totale Descrittori di pagina fisica 132

7 Indice Routine di page-fault Primitive, driver e page-fault Driver per le statistiche Contenuto dei moduli Processi esterni 7.1 Driver e processi esterni Struttura di un processo esterno Struttura della primitiva wfi() Operazioni di lettura con processi esterni Operazioni di scrittura con processi esterni Interfacce a blocchi Contenuto dei moduli Ingresso/uscita in DMA 8.1 Accesso diretto alla memoria Operazioni in DMA Lettura in DMA Scrittura in DMA Interfacce a blocchi che operano anche in DMA Contenuto dei moduli Gestione delle interfacce presenti nei Personal Computer 9.1 Sottoprogramma inviaeoi e primitiva wfi() Gestione dell interfaccia di conteggio Gestione delle interfacce seriali Operazioni di lettura Operazioni di scrittura Gestione della Console Gestione dei dischi rigidi Operazioni di lettura e di scrittura a interruzione e in DMA Partizione dei dischi rigidi Contenuto dei moduli Realizzazione del nucleo su Personal Computer 10.1 Suddivisione dello spazio di indirizzamento Rimpiazzamento delle pagine condivise Forma generalizzata della primitiva activate_p() Fase di inizializzazione Area di swap e creazione dinamica delle pagine Primitiva resident() Costrutti linguistici Contenuto dei moduli 264

8 8 Indice 11 Segmentazione 11.1 Memoria segmentata Segmenti nel processore PC Registri e istruzioni con la segmentazione Traduzione degli indirizzi logici Traduzione degli indirizzi nel processore PC Struttura dei registri selettore Selettore nullo Trasferimento di segmenti Attivazione del modo protetto Meccanismo di interruzione Multiprogrammazione e protezione in ambiente segmentato 12.1 Multiprogrammazione Memoria logica di un processo Struttura dei segmenti TSS Meccanismo automatico di commutazione tra processi Meccanismo di protezione Operazioni sui segmenti Livelli di privilegio Classificazione delle istruzioni Regole di accesso Segmenti codice conformi Variazione del livello di privilegio Restrizione del livello di privilegio Protezione e commutazione automatica di processi Funzionamento di segmentazione e paginazione Modello flat Utilizzo del nucleo 13.1 CD-File Emulatore QEMU Modo reale e modo protetto Avvio del sistema Floppy disk virtuale Programma bootstrap-loader (bldr) Esempio Modifica dei moduli sistema e io Libreria del modulo utente 306