| ΗΥ-225: Οργάνωση Υπολογιστών
Ανοιξη 2001 |
Τμ. Επ. Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης |
Σαν απλοϊκό παράδειγμα, γιά τους σκοπούς αυτής της άσκησης, θεωρείστε ότι μιλάμε γιά ένα σύστημα κύριας μνήμης και συσκευών Ε/Ε που βλέπει φυσικές διευθύνσεις λέξεων (όχι bytes, δήλαδή έχουν ήδη αφαιρεθεί τα 2-3 LS bits της διεύθυνσης του επεξεργαστή) μεγέθους (οι φυσικές διευθύνσεις λέξεων) 11 bits. Τον αντίστοιχο χώρο φυσικών διευθύνσεων, μεγέθους 2048 λέξεων, αποφασίζουμε να μοιράσουμε ως εξής:
(α) Σχεδιάστε, χρησιμοποιόντας πύλες AND και NOT, τον αποκωδικοποιητή διευθύνσεων που επιλέγει τη συσκευή που πρέπει να ενεργοποιηθεί κάθε φορά. Είσοδος του αποκωδικοποιητή είναι τα 11 σύρματα φυσικής διεύθυνσης λέξεων από τον επεξεργαστή (μετά τη μετάφραση της εικονικής διεύθυνσης από το TLB) --ή όσα από αυτά χρειάζεστε. Ο αποκωδικοποιητής έχει 21 σύρματα εξόδου: 1 γιά την κύρια μνήμη, 1 γιά την μεγάλη συσκευή Ε/Ε, 3 γιά τις μεσαίες συσκευές Ε/Ε, και 16 γιά τις μικρές συσκευές Ε/Ε. Εσείς σχεδιάστε το κύκλωμα που γεννά τις πρώτες 8 από αυτές τις 21 εξόδους, δείχνοντας προσεκτικά ποιά σύρματα εισόδου και ποιάς πολικότητας χρησιμοποιείτε σε κάθε πύλη AND.
(β) Σε ποιά λέξη μνήμης (π.χ. "#135", αρχίζοντας από την "#0") ή σε ποιόν καταχωρητή (π.χ. "#5", αρχίζοντας από τον "#0") ποιάς συσκευής (π.χ. "μικρής #3", αρχίζοντας από την "μικρή #0") αναφέρεται κάθε μιά από τις εξής φυσικές διευθύνσεις λέξεων που δίδονται στο δεκαεξαδικό σύστημα: 000, 00A, 0FF, 1FF, 200, 3FF, 400, 4FF, 500, 5FF, 600, 640, 680, 6C0, 700, 740, 760, 780, 7A0, 7C0, 7F0, 7F4, 7F8, 7FC, 7FF.
Επειδή οι μονάδες Ε/Ε δεν συμπεριφέρονται σαν πραγματική μνήμη, οι τιμές που διαβάζουμε ή γράφουμε στις διευθύνσεις τους πρέπει να μην κρατιόνται στην κρυφή μνήμη, ειδάλως θα διαβάζουμε παλιές τιμές ή αυτά που γράφουμε δεν θα φτάνουν όλα ή αμέσως στις συσκευές Ε/Ε. Αυτό, το να παρακάμπτουν δηλαδή οι προσπελάσεις αυτές την κρυφή μνήμη, επιτυγχάνεται συνήθως με το να αναγνωρίζει η κρυφή μνήμη την ειδική μορφή των φυσικών διευθύνσεων των συσκευών Ε/Ε.
Ένα άλλο σύστημα επικοινωνίας επεξεργαστή-συσκευών Ε/Ε, διαφορετικό από την απεικόνιση μνήμης των μονάδων Ε/Ε, είναι η ύπαρξη ειδικών εντολών εισόδου/εξόδου (I/O instructions) στο ρεπερτόριο εντολών του επεξεργαστή. Οι εντολές εισόδου μοιάζουν με τις load και οι εντολές εξόδου μοιάζουν με τις store, όμως οι εντολές Ε/Ε είναι "προνομιούχες" (priviledged), δηλαδή επιτρέπεται να εκτελούνται μόνο σε "kernel mode", και οι εντολές Ε/Ε ειδοποιούν την κρυφή μνήμη να μην παρέμβει. Κατά τα άλλα, στις αρτηρίες Ε/Ε, οι εντολές Ε/Ε μαλλον καταλήγει να δίνουν διευθύνσεις εντελώς ανάλογες προς αυτές που δίνουν οι εντολές load/store στα συστήματα με απεικόνιση μνήμης των μονάδων Ε/Ε.
Σε αυτή την άσκηση, θεωρείστε ότι η "μικρή" συσκευή Ε/Ε #7 της άσκησης 11.1 είναι μιά συσκευή εισόδου από πληκτρολόγιο, ότι ο καταχωρητής #0 αυτής της συσκευής είναι ο "καταχωρητής κατάστασης", και ότι ο καταχωρητής της #1 είναι ο "καταχωρητής δεδομένων". Μόλις έλθει νέος χαρακτήρας από το πληκτρολόγιο, η συσκευή θέτει τον καταχωρητή κατάστασης στην τιμή 1, και θέτει τον καταχωρητή δεδομένων στην τιμή που αποτελεί τον κώδικα ASCII του χαρακτήρα που ήλθε. Ανάγνωση (από πλευράς επεξεργαστή) του καταχωρητή κατάστασης δεν έχει παρενέργειες, ενώ ανάγνωση του καταχωρητή δεδομένων προκαλεί μηδενισμό του καταχωρητή κατάστασης (μέχρι να έλθει ο επόμενος χαρακτήρας --έτσι ξεχωρίζουμε, αν πατηθεί το ίδιο πλήκτρο πολλές φορές, πόσες φορές πατήθηκε).
(α) Γράψτε μιά διαδικασία (procedure) "read_s7_busywait_char()" σε C (ή, στην ανάγκη, σε ψευδοκώδικα στυλ C) η οποία επιστρέφει τον επόμενο χαρακτήρα από το πληκτρολόγιο αυτό. Οπως λέει και το όνομά της, η διαδικασία αυτή θα κάνει "busy wait", δηλαδή θα περιμένει να έλθει ο επόμενος χαρακτήρας απασχολώντας εν τω μεταξύ τον επεξεργαστή με το να ελέγχει συνεχώς, ξανά και ξανά, εάν ήλθε χαρακτήρας (ανάγνωση του καταχωρητή κατάστασης) --φυσικά, πρόκειται γιά πολύ κακό στυλ προγραμματισμού, αλλά από κάπου πρέπει να ξεκινήσουμε.... Η διαδικασία θα επιστρέφει τον χαρακτήρα (char) που ήλθε. Θεωρείστε ότι η διαδικασία θα τρέχει σε kernel mode (θα είναι μέρος του λειτουργικού συστήματος), και ότι, όταν θα τρέχει, η μετάφραση εικονικών διευθύνσεων σε φυσικές θα είναι η συνάρτηση ταυτότητας, δηλαδή η φυσική διεύθυνση θα ισούται με την εικονική που την γέννησε. Χρησιμοποιήστε type casting, από τις σταθερές ακέραιες ποσότητες των διευθύνσεων που ξέρετε, γιά να αρχικοποιήστε τους pointers (κατάλληλου είδους) που θα χρειαστείτε γιά προσπέλαση στους καταχωρητές της συσκευής.
(β) Η παραπάνω διαδικασία (α) είναι πολύ κακιά, διότι δεν αφήνει τον επεξεργαστή να κάνει τίποτα άλλο όσην ώρα αυτός περιμένει να πληκτρολογηθεί ο επόμενος χαρακτήρας. Οπως είπαμε και στο μάθημα, ένας καλύτερος τρόπος είναι να εκτελεί ο επεξεργαστής διάφορα προγράμματα, και, περιοδικά, όποτε έρχεται διακοπή από το ρολόϊ πραγματικού χρόνου (συνήθως 50 με 100 Hz --άλλο από το ρολόϊ του επεξεργαστή, των πολλών εκατοντάδων MHz), μεταξύ άλλων περιοδικών εργασιών, να ελέγχει και εάν ήλθε κάποιος νέος χαρακτήρας από το πληκτρολόγιο (αρκεί οι χαρακτήρες να μην έρχονται πιό γρήγορα από τις διακοπές, πράγμα που ισχύει για πληκτρολόγιο και 50-100 Hz ρυθμό διακοπών). Ο τρόπος αυτός λέγεται δειγματοληψία (polling), διότι ο επεξεργαστής παίρνει ένα "δείγμα" από την κατάσταση του πληκτρολογίου κάθε 10 με 20 ms (50-100 Hz). Γράψτε μιά νέα διαδικασία "read_s7_polling_char()", ανάλογη με την προηγούμενη, αλλά αυτή τη φορά χωρίς αναμονή. Εάν έχει έλθει νέος χαρακτήρας από το προηγούμενο κάλεσμα στην read_s7_polling_char(), τότε θα επιστρέφει αυτόν τον χαρακτήρα, αλλοιώς (αν δεν έχει έλθει νέος χαρακτήρας) θα επιστρέφει (αμέσως) '\0'.
Ενας εναλλακτικός τρόπος εισόδου/εξόδου είναι Ε/Ε βάσει διακοπών (interrupt-driven I/O): η περιφερειακή συσκευή διακόπτει (interrupt) τον επεξεργαστή όταν υπάρχουν νέα δεδομένα εισόδου γι' αυτόν, ή όταν είναι έτοιμη να δεχτεί νέα δεδομένα εξόδου από αυτόν. Ετσι, δεν σπαταλιέται χρόνος για δειγματοληψία χωρίς λόγο της συσκευής, όσο αυτή δεν είναι ακόμα έτοιμη. Το κόστος, πάντως, της Ε/Ε βάσει διακοπών είναι ειδική φροντίδα (overhead) που απαιτεί η κάθε διακοπή, δεδομένου ότι αυτή αλλάζει τη διεργασία που τρέχει, τα περιεχόμενα της κρυφής μνήμης και του TLB, και απαιτεί δαπανηρή καταγραφή στοιχείων (book-keeping) γιά να λειτουργήσει σωστά. Αντ' αυτού, η δειγμτοληψία μπορεί να έχει το πλεονέκτημα, ανάλογα με την περίπτωση, ότι δειγματοληπτεί "μιά και καλή" πολλές συσκευές Ε/Ε γιά κάθε μιά διακοπή από το ρολόϊ (batch processing), αντί να υφίσταται "κάθε τρείς και λίγο" το κόστος μιάς επιπλέον διακοπής από μιάν άλλη συσκευή. Γιά να αποφασίσουμε τι μας συμφέρει μας ενδιαφέρουν τρείς παράμετροι:
Θεωρείστε, σε αυτήν την άσκηση, ότι το ρολόϊ του επεξεργαστή είναι 400 MHz (άσχετο με το ρολόϊ πραγματικού χρόνου που μας δίνει περιοδικές διακοπές), ότι η ειδική φροντίδα (overhead) γιά κάθε διακοπή είναι δύο χιλιάδες (2000) κύκλοι του ρολογιού του επεξεργαστή, και ότι το κόστος δειγματοληψίας μιάς συσκευής Ε/Ε είναι διακόσιοι (200) κύκλοι του ρολογιού του επεξεργαστή (η κύρια αιτία αυτής της καθυστέρησης είναι το ότι οι αρτηρίες Ε/Ε (I/O buses) είναι πολύ πιό αργές από τους (γρήγορους) σημερινούς επεξεργαστές). Θέλουμε να υπολογίσουμε τι ποσοστό του συνολικού χρόνου του επεξεργαστή θα απορροφά η Ε/Ε στις παρακάτω περιπτώσεις, όταν αυτή γίνεται βάσει δειγματοληψίας ή βάσει διακοπών.
(α) Εστω ένας υπολογιστής ο οποίος λαμβάνει και καταγράφει σήματα από 40 απομακρυσμένα σημεία. Κάθε μιά από τις 40 γραμμές εισόδους ενδέχεται να φέρνει νέες εισόδους κάθε 1 ms, δηλαδή με μέγιστο ρυθμό 1 KHz. Εαν χρησιμοποιήσουμε δειγματοληψία, επομένως, το ρολόϊ πρέπει να μας δίνει 1 διακοπή ανά 1 ms. Σε κάθε διακοπή, δειγματοληπτούμε 40 συσκευές. Πόσους κύκλους ρολογιού (του επεξεργαστή) ξοδεύουμε σε κάθε διακοπή, (i) γιά την ίδια τη διακοπή, και (ii) γιά τις 40 δειγματοληψίες; Δεδομένου ότι αυτό επαναλαμβάνεται 1000 φορές το δευτερόλεπτο, πόσους κύκλους ρολογιού ανά s ξοδεύουμε γιά Ε/Ε; Τι ποσοστό της συνολικής υπολογιστικής δυναμικότητας του επεξεργαστή αντιπροσωπεύουν αυτοί οι κύκλοι;
(β) Εστω ότι στο σύστημα (α), παρ' ότι νέες είσοδοι μπορεί να έρχονται σχετικά κοντά η μία με την άλλη (κάθε 1 ms), όμως ο μέσος ρυθμός άφιξής τους είναι σημαντικά αραιότερος: κατά μέσον όρο έρχονται 50 νέες είσοδοι ανά δευτερόλεπτο ανά γραμμή εισόδου. Συνολικά, γιά όλες τις γραμμές, πόσες είναι οι νέες είσοδοι ανά s; Εστω ότι κάνουμε Ε/Ε βάσει διακοπών, και ότι κάθε νέα είσοδος (από οιαδήποτε γραμμή) προκαλεί μία διακοπή. Πόσες διακοπές ανά δευτερόλεπτο θα έχουμε, κατά μέσον όρο; Πόσους κύκλους ρολογιού θα ξοδεύει ο επεξεργαστής γιά να τις εξυπηρετήσει; Τι ποσοστό της συνολικής υπολογιστικής του δυναμικότητας αντιπροσωπεύουν αυτοί; Συμφέρει η δειγματοληψία (α) ή οι διακοπές (β);
(γ) Εστω τώρα ότι στο σύστημα (α) αυξάνεται ο μέσος ρυθμός άφιξης νέων εισόδων, από 50 ανά γραμμή ανά δευτερόλεπτο που ήταν στο (β) σε 500 ανά γραμμή ανά δευτερόλεπτο (δηλαδή πλησιάζει περισσότερο στο μέγιστο ρυθμό, που είναι 1 KHz). Το κόστος της δειγματοληψίας δεν αλλάζει, αφού αυτή ούτως ή άλλως επισκέπτεται την κάθε γραμμή 1000 φορές το δευτερόλεπτο. Ομως, στη μέθοδο βάσει διακοπών, αυξάνει το μέσο πλήθος διακοπών ανά δευτερόλεπτο. Πώς αλλάζουν οι απαντήσεις σας της ερώτησης (β) εδώ; Συμφέρει η δειγματοληψία ή οι διακοπές, τώρα;
(δ) Στις περιπτώσεις (β) και (γ), κινδυνεύουμε να χάσουμε κάποια νέα είσοδο αν "πέσουν μαζεμένες" νέες είσοδοι από όλες τις γραμμές; Εστω ότι αμέσως μετά την έλευση μιάς νέας εισόδου από τη γραμμή Α, μας έρχονται νέες είσοδοι και από τις 39 άλλες γραμμές. Γιά να εξυπηρετήσει ο επεξεργαστής τις 40 αυτές διακοπές (τη μία μετά την άλλη), πόσους κύκλους επεξεργαστή χρειάζεται; Πόσος χρόνος είναι αυτός; Το νωρίτερο που μπορεί να έλθει η επόμενη είσοδος από τη γραμμή Α είναι 1 ms μετά την προηγούμενη, όπως είπαμε στο (α). Θα έχει προλάβει ο επεξεργαστής να εξυπηρετήσει τις παραπάνω 40 διακοπές πριν έλθει η επόμενη αυτή είσοδος από τη γραμμή Α, ή θα την χάσει αυτή την επόμενη είσοδο;
(ε) Εστω τώρα ότι αντί των 40 εισόδων του (α) ο υπολογιστής μας έχει 10 εισόδους, αλλά αυτές είναι γρηγορότερες. Εστω ότι κάθε είσοδος είναι μιά γραμμή δικτύου του 1 Mbit/s, δηλαδή περίπου 120 KBytes/s. Εστω ότι κάθε συσκευή εισόδου μπορεί να κρατήσει (έχει buffer γιά να κρατήσει) 1 πακέτο, αλλά όχι παραπάνω. Οταν κάνουμε Ε/Ε βάσει διακοπών, κάθε συσκευή μας δίνει 1 διακοπή γιά κάθε 1 αφικνούμενο πακέτο. Εστω ότι τα μικρότερα δυνατά πακέτα είναι μεγέθους 40 Bytes καθένα (όπως στο πρωτόκολλο του διαδικτύου, το IP). Αρα, ο μέγιστος δυνατός ρυθμός άφιξης πακέτων είναι 120 KBytes/s διά 40 Bytes ανά πακέτο = 30 K πακέτα/s ανά γραμμή. Εστω, δε, ότι ο μέσος ρυθμός άφιξης πακέτων είναι 8 K πακέτα/s ανά γραμμή. Με αυτά τα νούμερα, ξανα-απαντήστε τις ερωτήσεις (α) και (β). Αποτελούν τώρα αυτές οι συσκευές Ε/Ε ελαφρύ φορτίο γιά τον υπολογιστή μας, όπως στις περιπτώσεις (α)-(γ), ή σημαντικό/βαρύ φορτίο;
(στ) Σήμερα εμφανίζονται σιγά-σιγά γραμμές δικτύου του 1 Gbit/s, δηλαδή 1000 φορές γρηγορότερες από αυτές του (ε). Μπορεί ο υπολογιστής μας να τις αντέξει αν η συσκευή εισόδου συνεχίσει να έχει ενταμιευτή μόνο γιά ένα πακέτο, ή συνεχίσει να μας δίνει μία διακοπή γιά κάθε αφικνούμενο πακέτο;;;
Γιά να αντιγράψει ο επεξεργαστής ένα μεγάλο όγκο δεδομένων ανάμεσα στον ενταμιευτή της περιφερειακής συσκευής και την κυρίως μνήμη του υπολογιστή, απαιτούνται πολλοί κύκλοι ρολογιού, επειδή οι αρτηρίες Ε/Ε (I/O buses) είναι πολύ πιό αργές από τους σημερινούς (γρήγορους) επεξεργαστές. Δεδομένου ότι η αντιγραφή αυτή είναι μιά πολύ απλή εργασία, θα αποτελούσε σπατάλη δαπανηρών υπολογιστικών πόρων (του επεξεργαστή) το να βάζουμε τον επεξεργαστή να την κάνει: ο επεξεργαστής, σε αυτή τη δουλειά, θα σπαταλά την περισσότερη ώρα του περιμένοντας να απαντήσει η αρτηρία Ε/Ε. Η ενδεδειγμένη λύση είναι να αποκτήσει η περιφερειακή συσκευή τη δυνατότητα να κάνει μόνη της την αντιγραφή ανάμεσα στο ενταμιευτή της και στην κύρια μνήμη.
Η "Απευθείας Πρόσβαση Μνήμης (Direct Memory Access - DMA)" από τις συσκευές Ε/Ε λειτουργεί ως εξής. Η συσκευή Ε/Ε έχει 3 καταχωρητές ελέγχου γιά τη λειτουργία DMA: (i) διεύθυνση έναρξης --είναι η (φυσική) διεύθυνση μνήμης προς την οποία ή από την οποία θα αρχίσει η αντιγραφή δεδομένων, (ii) μέγεθος μεταφοράς --είναι το πλήθος των Bytes που θα αντιγραφούν, και (iii) καταχωρητής ενεργοποίησης --είναι ο καταχωρητής εκείνος όπου μόλις ο επεξεργαστής γράψει έναν ειδικό κώδικα θα αρχίσει η αντιγραφή. Η συσκευή Ε/Ε έχει επίσης μία μικρή μηχανή πεπερασμένων καταστάσεων (FSM), η οποία, μόλις δοθεί το σήμα εκκίνησης, κάνει την εξής δουλειά κατ' επανάληψη: (i) ζητά να της δοθεί η χρήση της αρτηρίας μνήμης ή των αρτηριών Ε/Ε και μνήμης, (ii) μόλις της δοθεί η χρήση, αντιγράφει την επόμενη "λέξη" του ενταμιευτή της συσκευής στην κυρίως μνήμη, εκεί που δείχνει ο καταχωρητής διεύθυνσης, ή αντιγράφει από την κυρίως μνήμη στον ενταμιευτή της συσκευής, (iii) αυξάνει τον καταχωρητή διεύθυνσης κατά το πλήθος των Bytes που μόλις μετέφερε, (iv) μειώνει τον καταχωρητή μεγέθους μεταφοράς κατά το πλήθος των Bytes που μόλις μετέφερε, και (v) αν ο καταχωρητής μεγέθους είναι ακόμα μεγαλύτερος του μηδενός, επαναλαμβάνει από το (i). Στο παραπάνω βήμα (ii), η "λέξη" που αντιγράφεται συχνά δεν είναι μία μόνο λέξη του επεξεργαστή ή της αρτηρίας, αλλά μία μικρή ομάδα (burst) λέξεων, προκειμένου να εκμεταλλευτούμε τη δυνατότητα των DRAM γιά οικονομικότερη προσπέλαση συνεχόμενων λέξεων (ασκήσεις 10), καθώς και να αποσβάσουμε καλύτερα το overhead απόκτησης χρήσης της αρτηρίας μέσω της μεταφοράς περισσοτέρων Bytes κάθε φορά που την αποκτούμε.
Ας θεωρήσουμε σε αυτή την άσκηση τον ίδιο επεξεργαστή με ρολόϊ 400 MHz που είχαμε και παραπάνω, με μία ενιαία (γιά απλότητα) αρτηρία μνήμης-Ε/Ε, όπου η αρτηρία λειτουργεί με ρολόϊ 40 MHz (10 φορές πιό αργό). Η αρτηρία έχει πλάτος 64 bits = 8 Bytes. Κάθε χρήση της αρτηρίας κοστίζει: (i) 2 κύκλους της αρτηρίας (= 20 κύκλους επεξεργαστή) overhead γιά το ξεκίνημα (διαιτησία, έλεγχος, επιλογή συσκευής, μεταφορά διεύθυνσης), συν (ii) 1 επιπλέον κύκλο αρτηρίας (= 10 κύκλους επεξεργαστή) γιά κάθε 64 bits = 8 Bytes μεταφερομένων δεδομένων.
(α) Εστω ότι δεν υπάρχει DMA, και ο επεξεργαστής κάνει την αντιγραφή μεταξύ ενταμιευτή περιφερειακής συσκευής και μνήμης, ας πούμε από τη συσκευή προς τη μνήμη. Η αντιγραφή γίνεται με ένα μικρό βρόχο που περιλαμβάνει μία εντολή load από τη συσκευή και μία εντολή store στη μνήμη. Η εντολή load αναφέρεται σε μία μόνο λέξη (ας πούμε των 64 bits) --αφού δεν υπάρχουν εντολές load/store πολλαπλών λέξεων. Επειδή διαβάζει από την αρτηρία Ε/Ε και όχι από την (κρυφή) μνήμη, αυτή κοστίζει, κατά τα παραπάνω, 3 κύκλους της αρτηρίας (2 overhead εκκίνησης + 1 γιά τη μία λέξη δεδομένων) = 30 κύκλους του επεξεργαστή. Ας υποθέσουμε ότι οι υπόλοιπες εντολές του βρόχου κοστίζουν 10 κύκλους του επεξεργαστή, κυρίως λόγω των αναπόφευκτων αστοχιών κρυφής μνήμης που θα προκαλέσουν οι επανειλημμένες εντολές store σε διευθύνσεις μη πρόσφατα χρησιμοποιημένες. Συνολικά, επομένως, ο ρυθμός αντιγραφής είναι 64 bits = 8 Bytes ανά 40 κύκλους επεξεργαστή. Πόσος είναι αυτός ο ρυθμός σε MBytes/s και σε Mbits/s; Εάν ο επεξεργαστής αυτός έχει να εξυπηρετεί ταυτόχρονα 2 δίσκους με παροχή 10 MBytes/s καθένας και 1 δίκτυο fast ethernet με παροχή 100 Mbits/s, τι ποσοστό του χρόνου του θα υποχρεωθεί να αφιερώνει γιά αντιγραφές δεδομένων από τους ενταμιευτές των συσκευών αυτών προς τη μνήμη του;
(β) Εστω τώρα ότι υπάρχει DMA. Ας υποθέσουμε, προς στιγμήν, ότι ο επεξεργαστής δεν απασχολεί καθόλου την αρτηρία μνήμης-Ε/Ε, π.χ. επειδή ευστοχεί συνεχώς στην κρυφή του μνήμη, και επομένως η αρτηρία αυτή είναι συνεχώς διαθέσιμη στην (στις) συσκευή(ες) DMA. Εστω (i) ότι οι συσκευές DMA κάνουν τις αντιγραφές τους μέσω μεταφορών μίας (1) λέξης (των 64 bits = 8 Bytes) κάθε φορά, η οποία κοστίζει, κατά τα παραπάνω, 3 κύκλους της αρτηρίας η κάθε μεταφορά. Εάν η αρτηρία απασχολείται πλήρως (100%) γιά τέτοιες μεταφορές DMA, πόση θα είναι η συνολική παροχή της σε MBytes/s και σε Mbits/s; Στη συνέχεια, έστω (ii) ότι οι συσκευές DMA κάνουν τις αντιγραφές τους μέσω μεταφορών δύο (2) λέξεων, δηλ. 16 Bytes, κάθε φορά, οι οποίες κοστίζουν, κατά τα παραπάνω, 4 κύκλους της αρτηρίας η κάθε μεταφορά. Εάν η αρτηρία απασχολείται πάλι 100% γιά τέτοιες μεταφορές DMA, πόση θα είναι η συνολική παροχή της σε MBytes/s και σε Mbits/s; Ιδια ερώτηση εάν (iii) η κάθε μεταφορά στην αρτηρία αφορά burst των 4 λέξεων (32 Bytes) κάθε φορά, και (iv) εάν αφορά burst των 8 λέξεων (64 Bytes) κάθε φορά.
(γ) Εάν οι μεταφορές DMA εξυπηρετούν τους 2 δίσκους με παροχή 10 MBytes/s καθένας και το 1 δίκτυο fast ethernet με παροχή 100 Mbits/s της ερώτησης (α), και εάν οι συσκευές DMA κάνουν τις αντιγραφές τους μέσω μεταφορών bursts των 8 λέξεων (64 Bytes) κάθε φορά, τότε τι ποσοστό του χρόνου της αρτηρίας μνήμης-Ε/Ε απασχολούν αυτές οι μεταφορές DMA αυτών των περιφερειακών συσκευών; Συγκρίνετε αυτό το ποσοστό με το ποσοστό της απάντησης (α). Παρ'ότι πρόκειται γιά ανόμοια μεγέθη (το (α) ήταν ποσοστό του χρόνου του επεξεργαστή, ενώ το (γ) είναι ποσοστό του χρόνου της αρτηρίας), όμως εξηγείστε σε ποιούς δύο παράγοντες οφείλεται η μείωση του ποσοστού απασχόλησης από το (α) στο (γ).
Επιπλέον της μείωσης αυτής, που είναι από μόνη της ένα κέρδος, παρατηρείστε ότι στο μεν (α), δηλαδή χωρίς DMA, ο επεξεργαστής αφιέρωνε ένα μη ευκαταφρόνητο μέρος του χρόνου του γιά να εξυπηρετεί τις μεταφορές δεδομένων αυτών των συσκευών Ε/Ε, ενώ στο (γ), δηλαδή με DMA, ο επεξεργαστής δεν αφιερώνει καθόλου χρόνο σε αυτές τις μεταφορές (φροντίζει μόνο να τις ξεκινάει, και μετά τις αφήνει να τρέχουν μόνες τους γιά πολλά KBytes συνήθως), και οι μεταφορές γίνονται "μόνες τους" (δηλαδή από τις μηχανές DMA, που δουλεύουν παράλληλα με τον επεξεργαστή), απασχολόντας (οι μεταφορές DMA) ένα μέρος μόνο της διαθέσιμης παροχής (throughput) της αρτηρίας μνήμης-Ε/Ε, και αφήνοντας το υπόλοιπο μέρος αυτής της παροχής διαθέσιμο γιά να εξυπηρετούνται οι αστοχίες της κρυφής μνήμης του επεξεργαστή.
(α) Θεωρείστε την περιφερειακή συσκευή σαν συσκευή εισόδου, και θεωρείστε ότι αυτή μεταφέρει μέσω DMA νέα δεδομένα εισόδου σε κάποια περιοχή διευθύνσεων στην κύρια μνήμη. Μετά τη λήξη της μεταφοράς, το πρόγραμμα που τρέχει στον επεξεργαστή θέλει να διαβάσει (μέσω load) τα νέα δεδομένα εισόδου από την περιοχή διευθύνσεων στην κύρια μνήμη όπου αυτά έχουν τοποθετηθεί από το DMA. Σε ποιά περίπτωση θα διαβάσει τα σωστά νέα δεδομένα, και σε ποιά περίπτωση θα διαβάσει λανθασμένες παλαιές τιμές;
(β) Θεωρείστε την περιφερειακή συσκευή σαν συσκευή εξόδου, και θεωρείστε ότι το πρόγραμμα που τρέχει στον επεξεργαστή παράγει μερικά νέα δεδομένα τα οποία γράφει (μέσω store) σε ορισμένη περιοχή διευθύνσεων μνήμης, και τα οποία στη συνέχεια θέλει να στείλει στην περιφερειακή συσκευή. Γιά το σκοπό αυτό, το λειτουργικό σύστημα ξεκινάει μιά μεταφορά DMA από την παραπάνω περιοχή διευθύνσεων κύριας μνήμης προς τη συσκευη εξόδου. Εστω ότι η κρυφή μνήμη του επεξεργαστή είναι τύπου write through, δηλαδή, ως γνωστόν, κάθε τι που γράφει ο επεξεργαστής σε αυτήν, αυτή το γράφει αμέσως και στην κύρια μνήμη. Υπ' αυτές τις συνθήκες, υπάρχει περίπτωση να φτάσουν λάθος (παλαιά) δεδομένα στη συσκευη εξόδου; Γιατί όχι;
(γ) Εστω τώρα ότι στο σύστημα (β) η κρυφή μνήμη είναι τύπου write back, δηλαδή δεν γράφει αμέσως στην κύρια μνήμη κάθε αλλαγή τιμής (εγγραφή νέας τιμής) που κάνει ο επεξεργαστής, αλλά το γράφει αργότερα, όταν το block όπου έγινε η αλλαγή πρέπει να αντικατασταθεί στην κρυφή μνήμη από άλλο block. Υπ' αυτές τις συνθήκες, σε ποιά περίπτωση θα καταλήξουν τα σωστά νέα δεδομένα στη συσκευή εξόδου, και σε ποιά περίπτωση θα καταλήξουν εκεί λανθασμένες παλαιές τιμές;
Λύσεις στο πρόβλημα της συμβατότητας κρυφής και κύριας μνήμης υπάρχουν "μεσοβέζικες", με εκδίωξη (flush) σελίδων από την κρυφή μνήμη (δύσκολο ή χρονοβώρο) ή με χρήση σελίδων που η κρυφή μνήμη αναγνωρίζει και δεν κρατά (non-cacheable pages) (μειώνει την επίδοση του επεξεργαστή), ή "ριζικές", με χρήση ενός πρωτόκολλου συμβατότητας κρυφών μνημών σαν αυτά που χρησιμοποιούν οι πολυεπεξεργαστές κοινόχρηστης μνήμης (shared-memory multiprocessors).
tar -cvf ask11.tar ask11.[xyz]
gzip ask11.tar
~hy225/bin/submit 11
| Up to the Home Page of CS-225 |
© copyright University of Crete, Greece.
Last updated: 20 June 2001, by M. Katevenis. |