SRAM, DRAM, Προσπελάσεις Συνεχόμενων Λέξεων, Διαφύλλωση (Interleaving):

Μέγεθος (Χωρητικότητα - Mbits): Παρά το μειονέκτημά τους αυτό, και παρά την μεγαλύτερη καθυστέρηση προσπέλασης που έχουν, οι DRAM διαθέτουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα: προσφέρουν περίπου μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη χωρητικότητα (capacity, Mbits --όχι "capacitance") ανά chip σε σχέση με τις SRAM. Ετσι, οι DRAM χρησιμοποιούνται σχεδόν πάντα γιά την κατασκευή της κύριας μνήμης (main memory) των υπολογιστών, ενώ οι SRAM χρησιμοποιούνται σχεδόν πάντα γιά τις κρυφές μνήμες (cache memories), λόγω της χαμηλότερης καθυστέρησής τους. Με την πρόοδο της τεχνολογίας κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (chips), η χωρητικότητα των chips μνήμης συνεχώς αυξάνει. Τις τελευταίες δεκαετίες, ο ρυθμός αυτής της αύξησης ήταν: τετραπλασιασμός (x4) χωρητικότητας κάθε τρία (3) χρόνια. Σήμερα είναι περίπου τόσος (ίσως λίγο χαμηλότερος) αυτός ο ρυθμός αύξησης, και είναι πολύ πιθανό να συνεχίσει έτσι, αν και κάποτε μάλλον θα πέσει. Σήμερα (2002) η τεχνολογία των DRAM πηγαίνει από τα 256 στα 512 Mbits ανά chip (π.χ. βλ. http://www.micron.com/). Εμπορικά, την μνήμη των υπολογιστών τη βρίσκει κανείς σε μικρές πλακέτες (modules - DIMM), που η καθεμιά έχει πάνω της συνήθως 8 (ή 9) ή 16 (ή 18) chips. Έτσι, ένα module με 8 chips των 256 Mbits καθένα έχει συνολική χωρητικότητα 4 Gbits = 256 MBytes, ενώ ένα αντίστοιχο module με 16 τέτοια chips θα προσφέρει 512 MBytes. Όταν τα chips είναι 9 αντί 8, ή 18 αντί 16, τα επιπλέον chips χρησιμοποιούνται γιά αποθήκευση κωδίκων ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (ECC - error correction codes).

Γραμμές και Στήλες: Μέσα στο chip της μνήμης, το κάθε block είναι ένας περίπου τετράγωνος πίνακας από στοιχεία μνήμης, με γύρω στις 64 έως 512 γραμμές επί 64 έως 512 στήλες. Γιά να διαβάσουμε ένα στοιχείο μνήμης επιλέγουμε πρώτα τη γραμμή στην οποία ανήκει αυτό, δίνοντας τη διεύθυνση γραμμής (row address) στον αποκωδικοποιητή γραμμής, ο οποίος ανάβει ένα σύρμα (word line) που διατρέχει και ενεργοποιεί την επιθυμητή γραμμή. Οταν ανάψει το σύρμα αυτό, όλα τα στοιχεία μνήμης (bits) πάνω στη γραμμή αυτή διαβάζονται, δηλαδή τοποθετούν το καθένα την τιμή του (περιεχόμενό του) στο αντίστοιχο σύρμα στήλης (bit line) που διατρέχει τη στήλη του. Ετσι, στο κάτω μέρος του block της μνήμης, στις απολήξεις των συρμάτων στήλης, εμφανίζεται το περιεχόμενο όλων των bits που είναι αποθηκευμένα στην επιλεγείσα γραμμή. Ενας μεγάλος πολυπλέκτης επιλέγει τότε το bit που εμείς θέλαμε, βάσει της διεύθυνσης στήλης (column address), και το δίνει προς τα έξω. Η όλη αυτή διαδικασία, από την είσοδο της διεύθυνσης γραμμής μέχρι να βγεί το τελικό bit στην έξοδο, διαρκεί αρκετό χρόνο (γύρω στα 60 ns γιά τις σημερινές DRAM).

Γειτονικές Προσπελάσεις (sequential Accesses): Εάν μετά την παραπάνω διαδικασία, όμως, θέλουμε να διαβάσουμε και μερικά από τα "διπλανά" bits αυτού που μόλις διαβάσαμε, τότε αυτό μπορεί να γίνει πολύ γρηγορότερα: τα bits αυτά είναι "έτοιμα", στις απολήξεις των συρμάτων στήλης, και το chip της μνήμης μπορεί να τα αποστείλει στον αιτούντα την ανάγνωση (π.χ. τον επεξεργαστή) πολύ γρήγορα το ένα μετά το άλλο (περίπου 1 bit κάθε 2 με 5 ns σε καθένα από τα σύρματα δεδομένων (data) γιά τις σημερινές DRAM). Εκμεταλλευόμενοι τη δυνατότητα αυτή, πετυχαίνουμε να προσπελαύνουμε μεγάλες ομάδες γειτονικών λέξεων (π.χ. cache lines (blocks)) με πολύ μικρή επιπλέον επιβάρυνση σε σχέση με την αρχική καθυστέρηση προσπέλασης της πρώτης λέξης της ομάδας.

Διαφύλλωση (Interleaving): Η άλλη τεχνική που χρησιμοποιείται γιά την αύξηση της παροχής (throughput) μιάς μνήμης --κυρίως γιά προσπελάσεις σε τυχαίες διευθύνσεις και όχι τόσο γιά συνεχόμενες διευθύνσεις-- είναι η Διαφύλλωση Μνήμης (Memory Interleaving). Με την τεχνική αυτή, όταν οι διευθύνσεις που αποστέλονται σ' ένα σύστημα μνήμης (π.χ. ένα chip) αναφέρονται σε διαφορετικά από τα blocks (memory banks) που αυτό περιέχει, τότε ο ρυθμός αποστολής τέτοιων διευθύνσεων --και ο αντίστοιχος ρυθμός έναρξης προσπελάσεων-- είναι πολύ ψηλότερος από τον ρυθμό προσπελάσεων σε κάθε ένα block (bank), δεδομένου ότι τα blocks (banks) δουλεύουν εν παραλλήλω, μ' ένα τρόπο που θυμίζει ομοχειρία (pipelining).

Εικονική Μνήμη, Πίνακες Μετάφρασης, Προστασία Μνήμης:

1. Προστασία μεταξύ των πολλαπλών διεργασιών (processes) που τρέχουν.
2. Ανεξαρτησία διευθύνσεων μεταξύ των διεργασιών αυτών.
3. Δυνατότητα η κάθε διεργασία να "βλέπει" χώρο μνήμης μεγαλύτερο από το κομμάτι της φυσικής μνήμης που όντως της διατίθεται.

1. Να ελέγχει ότι η διεργασία που τρέχει έχει δικαίωμα να κάνει την προσπέλαση που ζητά (ανάγνωση/εγγραφή/εκτέλεση) στη διεύθυνση που ζητά.
2. Να μεταφράζει τις εικονικές διευθύνσεις της κάθε διεργασίας σε διαφορετικές φυσικές διευθύνσεις γιά την κάθε διεργασία, εκτός των περιπτώσεων που θέλουμε οι διεργασίες να επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω κοινόχρηστης μνήμης (shared memory).
3. Να μεταφράζει τις πιό συχνά (επί του παρόντος) χρησιμοποιούμενες εικονικές διευθύνσεις στις φυσικές διευθύνσεις όπου αυτές "χωράνε", ενώ όσες δεν χωράνε στην υπάρχουσα φυσική μνήμη προκαλούν σφάλμα σελίδας (page fault - άσκηση 13), ώστε να φροντίσει το λειτουργικό σύστημα να τις φέρει (συνήθως από το δίσκο).

Θεωρήστε το εξής μικρό (εξωπραγματικό σήμερα) σύστημα εικονικής μνήμης, σαν απλό παράδειγμα.

• Οι εικονικές διευθύνσεις έχουν μέγεθος 20 bits (δηλ. είναι πενταψήφιες στο δεκαεξαδικό σύστημα), άρα ο χώρος εικονικών διευθύνσεων είναι 1 MByte ανά διεργασία.
• Το μέγεθος σελίδας είναι 4 KBytes, άρα τα 12 LS bits κάθε διεύθυνσης (3 LS δεκαεξαδικά ψηφία) επιλέγουν 1 byte μέσα στη σελίδα, ενώ τα υπόλοιπα MS bits υποδηλώνουν γιά ποιά σελίδα μιλάμε. Ετσι, η κάθε διεργασία έχει 256 εικονικές σελίδες (1 MByte / 4 KBytes = 256).
• Η φυσική μνήμη είναι 64 KBytes, άρα οι φυσικές διευθύνσεις αποτελούνται από 16 bits (4 δεκαεξαδικά ψηφία), επομένως υπάρχουν 16 φυσικές σελίδες (16 KBytes / 4 KBytes = 16).

• Χωρίζουμε την εικονική διεύθυνση στα 12 LS bits, που υποδηλώνουν το byte μέσα στη σελίδα (εδώ: 210), και στα 8 MS bits, που ορίζουν την εικονική σελίδα (εδώ: FE).
• Τα 12 LS bits (210) δεν χρειάζονται μετάφραση, αφού απεικονίζουμε ολόκληρες εικονικές σελίδες σε ολόκληρες φυσικές σελίδες, και αφού όλες οι σελίδες είναι ευθυγραμμισμένες στα φυσικά όριά τους.
• Τα 8 MS bits, δηλαδή ο αριθμός εικονικής σελίδας (FE), χρησιμοποιούνται σαν index στον πίνακα μετάφρασης της διεργασίας (process) που τρέχει αυτή τη στιγμή. Ο πίνακας αυτός έχει μέγεθος 256 θέσεις --όσες και οι εικονικές σελίδες ανά διεργασία. Υπάρχει χωριστός πίνακας μετάφρασης γιά κάθε διεργασία, έτσι ώστε η κάθε διεργασία να μπορεί να έχει τις δικές της, διαφορετικές, φυσικές σελίδες, παρά το γεγονός ότι χρησιμοποιεί ίδιες εικονικές διευθύνσεις με όλες τις άλλες διεργασίες.
• Στη θέση FE του πίνακα μετάφρασης, όπου μας οδήγησαν τα 8 MS bits της εικονικής διεύθυνσης, υπάρχουν πληροφορίες --όπως θα πούμε παρακάτω-- γιά να ελέγξουμε αν η εικονική σελίδα FE που θέλουμε υπάρχει στη φυσική μνήμη, και αν έχουμε δικαίωμα να την προσπελάσουμε όπως ζητά η τρέχουσα διεργασία.
• Στη ίδια θέση FE του πίνακα μετάφρασης βρίσκουμε τον αριθμό της φυσικής σελίδας όπου βρίσκεται αυτή τη στιγμή η εικονική σελίδα FE. Στο παράδειγμά μας, υπάρχουν 16 φυσικές σελίδες, άρα ο αριθμός φυσικής σελίδας έχει 4 bits. Έστω ότι βρήκαμε τον αριθμό A σαν αριθμό φυσικής σελίδας. Σε αυτόν κολάμε και τα 12 αμετάφραστα LS bits της εικονικής διεύθυνσης (210), και φτιάχνουμε έτσι τα 16 bits της φυσικής διεύθυνσης: A210, στο παράδειγμά μας.

Διαχωρισμός και Προστασία Διεργασιών: το hardware του επεξεργαστή βρίσκει τον πίνακα μετάφρασης της τρέχουσας διεργασίας από τη (φυσική) διεύθυνση βάσης του πίνακα αυτού, που είναι γραμμένη (από το λειτουργικό σύστημα) σ' έναν ειδικό καταχωρητή του συστήματος διαχείρισης μνήμης --όχι στο κανονικό register file.

Παρούσες/Απούσες Σελίδες και Προστασία Σελίδων: Κάθε θέση του πίνακα μετάφρασης περιέχει:

• Το "valid bit", που υποδεικνύει αν η εικονική σελίδα στην οποία αναφερόμαστε είναι παρούσα ή απούσα από τη φυσική μνήμη. Ενδεχόμενη απουσία της εικονικής σελίδας από τη φυσική μνήμη μπορεί να οφείλεται είτε στο ότι η εικονική αυτή σελίδα είναι παράνομη (δεν χρησιμοποιείται, δηλαδή το πρόγραμμα δεν είχε εντολές ή δεδομένα εκεί, ούτε ζήτησε να βάλει κάτι μέσω malloc/sbreak), είτε στο ότι είναι νόμιμη μεν αλλά αυτή τη στιγμή βρίσκεται στο δίσκο και όχι στη μνήμη.
• Τον αριθμό της φυσικής σελίδας (4 bits στο εδώ παράδειγμά μας) όπου βρίσκεται αυτή τη στιγμή η εικονική σελίδα, όταν αυτή είναι παρούσα στη φυσική μνήμη.
• Τα "bits προστασίας" (π.χ. 3 bits: "rwx"), που δηλώνουν τι είδους προσπελάσεις επιτρέπεται να κάνει η παρούσα διεργασία στις λέξεις αυτής της σελίδας.
• Το "dirty bit", που δείχνει αν ο επεξεργαστής άλλαξε ή όχι τα περιεχόμενα αυτής της σελίδας από τότε που την διαβάσαμε από το δίσκο.
• Το "reference bit", που το χρησιμοποιεί το λειτουργικό σύστημα γιά να προσεγγίσει τον αλγόριθμο αντικατάστασης "LRU": σε κάθε προσπέλαση στη σελίδα, ο επεξεργαστής θέτει αυτό το bit, ενώ το λειτουργικό σύστημα περιοδικά διαβάζει αυτά τα bits γιά να δεί ποιές σελίδες χρησιμοποιήθηκαν πρόσφατα, και στη συνέχεια τα μηδενίζει.

Άσκηση 15.1: Μονοεπίπεδος Πίνακας Μετάφρασης

(α) Γιά το παραπάνω μικρό (εξωπραγματικό σήμερα) παράδειγμα εικονικής μνήμης, κάντε ένα σχηματικό διάγραμμα που να δείχνει τον καταχωρητή που περιέχει τον pointer στον πίνακα μετάφρασης της παρούσας διεργασίας, τον πίνακα μετάφρασης, την εικονική διεύθυνση (20 bits) που γεννά ο επεξεργαστής, τα πεδία από τα οποία αυτή αποτελείται, από που προέρχεται το index στον πίνακα μετάφρασης, τι διαβάζουμε από τη θέση εκείνη του πίνακα, και πώς συνθέτουμε τη φυσική διεύθυνση (16 bits).

(β) Έστω ότι, στο παραπάνω απλό παράδειγμά μας, η διεργασία μας έχει τις εξής σελίδες:

• Εικονική σελίδα 00: παράνομη (περιέχει τον NULL pointer).
• Εικονική σελίδα 01: περιέχει κώδικα (r-x), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα 7.
• Εικονική σελίδα 02: περιέχει κώδικα (r-x), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα C.
• Εικονική σελίδα 03: περιέχει στατικά δεδομένα (rw-), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα 0, dirty.
• Εικονικές σελίδες 04 έως και 09: απούσες από τη φυσική μνήμη.
• Εικονικές σελίδες 0A έως και 9F: παράνομες (unallocated).
• Εικονική σελίδα A0: περιέχει δυναμικά δεδομένα (r--), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα D.
• Εικονική σελίδα A1: περιέχει δυναμικά δεδομένα (rw-), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα E, dirty.
• Εικονικές σελίδες A2 έως και A5: απούσες από τη φυσική μνήμη.
• Εικονικές σελίδες A6 έως και FD: παράνομες (unallocated).
• Εικονική σελίδα FE: περιέχει δεδομένα στοίβας (rw-), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα A, dirty.
• Εικονική σελίδα FF: περιέχει δεδομένα στοίβας (rw-), και βρίσκεται στη φυσική σελίδα 1, clean.

(γ) Ποιές από τις παρακάτω προσπελάσεις στις εικονικές διευθύνσεις που δίδονται προκαλούν σφάλμα σελίδας; Οι υπόλοιπες, σε ποιά φυσική διεύθυνση μεταφράζονται;

02038 (fetch), 03FF4 (read), A001C (write), 0192C (fetch), 00000 (read), 92FC0 (read), FE5D8 (write), 03FF4 (fetch), A1FFC (read), 008F4 (write), A2000 (read), 01E40 (write).

Άσκηση 15.2: TLB, Process ID, και Κοινόχρηστες Σελίδες

Προκειμένου να μην αναγκαζόμαστε να ακυρώνουμε τα περιεχόμενα του TLB σε κάθε αλλαγή της διεργασίας που τρέχει (context swap), θέλουμε να μπορούμε να έχουμε μέσα στο TLB, ταυτόχρονα, ζευγάρια εικονικής-φυσικής σελίδας πολλών διαφορετικών διεργασιών. Αυτό όμως απαιτεί να μπορούμε να τα ξεχωρίζουμε μεταξύ τους, αφού την κάθε ορισμένη εικονική διεύθυνση ενδέχεται να την χρησιμοποιούν πολλές διεργασίες αλλά γιά διαφορετική πληροφορία και κατά διαφορετικό τρόπο η κάθεμία. Γιά να γίνεται ο διαχωρισμός αυτός, καταγράφουμε τον αριθμό διεργασίας ("PID", Process Identifier) μαζί με τον αριθμό εικονικής σελίδας αυτής της διεργασίας σε κάθε θέση (ζευγάρι εικονικής-φυσικής σελίδας) του TLB.

(α) Θεωρήστε την εικονική μνήμη της άσκησης 15.1, και θεωρήστε ότι το PID έχει μέγεθος 8 bits (μέχρι 256 ταυτόχρονες διεργασίες). Θεωρήστε ένα TLB μεγέθους 16 θέσεων, με πλήρως προσεταιριστική τοποθέτηση ζευγών (οιοδήποτε ζεύγος μετάφρασης μπορεί να μπεί οπουδήποτε στο TLB). Ποιά πεδία πρέπει να έχει η κάθε θέση αυτού του TLB, και τι μεγέθους το καθένα;

(β) Δώστε ένα αριθμητικό παράδειγμα του πλήρους περιεχομένου του TLB όταν αυτό περιέχει ζευγάρια μετάφρασης γιά τις εξής σελίδες:

• Την εικονική σελίδα 01 της διεργασίας 3B (περιέχει κώδικα), και την εικονική σελίδα 01 της διεργασίας B4 (περιέχει data r/w), οι οποίες αναφέρονται σε εντελώς διαφορετικές, ανεξάρτητες φυσικές σελίδες.
• Η διεργασία 3B και η διεργασία 3C αποτελούν διαφορετικές ενεργοποιήσεις του ιδίου προγράμματος, π.χ. ο ίδιος web browser τρεγμένος από δύο διαφορετικούς χρήστες. Γιά οικονομία (φυσικής) μνήμης, το λειτουργικό σύστημα κρατά μόνο ένα αντίτυπο του κώδικα αυτής της εφαρμογής στη μνήμη, και κάνει όλες τις διεργασίες που το τρέχουν να "βλέπουν" αυτό το μοναδικό κοινόχρηστο αντίτυπο στη δική της εικονική μνήμη η κάθε μία. Βάλτε λοιπόν στο TLB και την εικονική σελίδα 01 της διεργασίας 3C, που περιέχει τον ίδιο κώδικά με τη σελίδα 01 της 3B.
• Βάλτε την εικονική σελίδα FF της διεργασίας 3B, και την εικονική σελίδα FF της διεργασίας 3C, που περιέχουν δεδομένα στοίβας. Οπως είπαμε, αυτές οι δύο διεργασίες αποτελούν διαφορετικές ενεργοποιήσεις του ιδίου προγράμματος. Παρά το γεγονός ότι ο κώδικας των δύο αυτών διεργασιών είναι κοινός, τα δεδομένα τους όμως είναι διαφορετικά, αφού π.χ. άλλα κάνει ο ένας χρήστης με τον web browser του, και άλλα ο άλλος.
• Οι διεργασίες D2 και D3 συνεργάζονται μεταξύ τους, και επικοινωνούν μέσω κοινόχρηστης μνήμης: Η διεργασία D2 παράγει δεδομένα προς επεξεργασία, και τα γράφει στην εικονική σελιδα της A0 (προστασία -w-). Η διεργασία D3 καταναλώνει τα δεδομένα που παράγει η D2, και τα επεξεργάζεται. Η D3 διαβάζει τα δεδομένα αυτά από την εικονική σελίδα της C0 (προστασία r--), η οποία όμως, μέσω του συστήματος εικονικής μνήμης, αντιστοιχεί στην ίδια φυσική σελίδα στην οποία αντιστοιχεί και η A0 της D2, ώστε να επιτυγχάνεται η συνεργασία παραγωγού-καταναλωτή των δύο διεργασιών. Βάλτε στο TLB σας και αυτές τις δύο εικονικές σελίδες.

(γ) Οι διεργασίες 3B και 3C, παραπάνω, είναι προστατευμένες η μία από την άλλη; Μπορεί η μία να διαβάσει τα δεδομένα της άλλης (κλέβοντας έτσι, π.χ., ο ένας χρήστης τις εμπιστευτικές πληροφορίες που ο άλλος διαβάζει μέσω διαδικτύου); Μπορεί η μία να αλλοιώσει (γράψει) τα δεδομένα της άλλης (παραπλανόντας έτσι, π.χ., ο ένας χρήστης τον άλλον); Μπορεί η μία να καταστρέψει (γράψει) τον κώδικα της άλλης ("κολλώντας" έτσι, π.χ., ο ένας χρήστης τον άλλον); Πώς εξασφαλίζουμε την επιθυμητή προστασία και ανεξαρτησία μεταξύ αυτών των δύο διεργασιών, ενώ ταυτόχρονα κάνουμε και οικονομία μνήμης κρατώντας ένα μόνο φυσικό αντίτυπο του κώδικα που αυτές τρέχουν;

Άσκηση 15.3: Απεικόνιση Μνήμης των Μονάδων Ε/Ε (Memory Mapped I/O) Απεικόνιση Μνήμης των Μονάδων Ε/Ε (Memory Mapped I/O)

Σαν απλοϊκό παράδειγμα, γιά τους σκοπούς αυτής της άσκησης, θεωρήστε 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:

• 0xxxxxxxxxx: 1024 λέξεις κύριας μνήμης (main memory).
• 10xxxxxxxxx: 512 λέξεις γιά μία "μεγάλη" περιφερειακή συσκευή (δηλαδή μιά συσκευή που περιέχει έναν μεγάλο buffer δεδομένων Ε/Ε που θέλουμε να μπορεί να βλέπει ο επεξεργαστής).
• 110xxxxxxxx, 1110xxxxxxx: 384 λέξεις κατανεμημένες σε 3 "μεσαίες" συσκευές Ε/Ε, όπου η κάθε μιά από αυτές τις συσκευές μπορεί να χρησιμοποιεί έως 128 διαφορετικές διευθύνσεις γιά εσωτερικούς της σκοπούς.
• 1111xxxxxxx: 128 λέξεις κατανεμημένες σε έως 16 "μικρές" συσκευές Ε/Ε, όπου η κάθε μιά από αυτές τις συσκευές μπορεί να χρησιμοποιεί έως 8 διαφορετικές διευθύνσεις γιά να επιλέγει εσωτερικούς της καταχωρητές ή ειδικές πράξεις/λειτουργίες.

(α) 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.
 

Άσκηση 15.4: Καταχωρητές Κατάστασης, Busy Wait, Polling

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, με την διαφορά ότι ειδοποιούν την κρυφή μνήμη να μην παρέμβει. Κατά τα άλλα, στις αρτηρίες Ε/Ε, οι εντολές Ε/Ε μάλλον 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, θεωρήστε ότι η "μικρή" συσκευή Ε/Ε #7 της άσκησης 16.1 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. Όπως 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. Θεωρήστε ότι όταν θα τρέχει η διεργασία σας, 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. Όπως 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'.
 
 

Άσκηση 15.5: Κόστος Ε/Ε βάσει Δειγματοληψίας και βάσει Διακοπών

Ένας 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. Έτσι, δεν σπαταλιέται χρόνος για δειγματοληψία χωρίς λόγο της συσκευής, όσο αυτή δεν είναι ακόμα έτοιμη. Το κόστος, πάντως, της Ε/Ε βάσει διακοπών είναι η 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:

• Πόσο κοντά χρονικά μπορεί να συμβούν δύο γεγονότα εισόδου; Η περίοδος δειγματοληψίας πρέπει να είναι βραχύτερη από αυτό, προκειμένου να μην χάσουμε το δεύτερο γεγονός. Προκειμένου περί εξόδου, πόσο δεχόμαστε να καθυστερήσουμε από την ολοκλήρωση μιάς πράξης εξόδου μέχρι να το αντιληφθεί ο επεξεργαστής και να προχωρήσει στην επόμενη; Την παράμετρο αυτή μπορούμε να την μεγαλώσουμε (άρα σπανιότερη δειγματοληψία) αν η συσκευή Ε/Ε έχει έναν μεγαλύτερο ενταμιευτή (buffer) που να μπορεί να κρατά μέσα του περισσότερα δεδομένα εισόδου ή εξόδου (περισσότερη δουλειά κάθε φορά).
• Πόσος είναι ο μέσος ρυθμός των γεγονότων εισόδου; Δηλαδή, ανεξάρτητα αν δύο γεγονότα εισόδου ενδέχεται να συμβούν πολύ κοντά μεταξύ τους, κατά μέσον όρο πόσο κοντά χρονικά θα συμβαίνουν; Οσο σπανιότερη είναι η κατά μέσον όρο εμφάνισή τους, τόσο μεγαλύτερη είναι η σπατάλη της άσκοπης δειγματοληψίας. Προκειμένου περί εξόδου, πόσο περισσότερο διαρκεί κατά μέσον όρο η κάθε πράξη από την περίοδο δειγματοληψίας (δηλ. την μέγιστη αποδεκτή καθυστέρηση αντίδρασης);
• Πόσο πολλές συσκευές Ε/Ε δειγματοληπτούμε μαζί σε κάθε διακοπή του ρολογιού (batching factor); Οσο περισσότερες είναι αυτές, τόσο περισσότερο αποσβένυται μεταξύ τους το κόστος της διακοπής του ρολογιού.

Θεωρήστε, σε αυτήν την άσκηση, ότι το ρολόϊ του επεξεργαστή είναι 500 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) Έστω 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; Έστω 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) Έστω 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. Όμως, 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) Έστω τώρα ότι αντί των 40 εισόδων του (α) ο υπολογιστής μας έχει 10 εισόδους, αλλά αυτές είναι γρηγορότερες. Έστω ότι κάθε είσοδος είναι μιά γραμμή δικτύου του 1 Mbit/s, δηλαδή περίπου 120 KBytes/s. Έστω ότι κάθε συσκευή εισόδου μπορεί να κρατήσει (έχει buffer γιά να κρατήσει) 1 πακέτο, αλλά όχι παραπάνω. Όταν κάνουμε Ε/Ε βάσει διακοπών, κάθε συσκευή μας δίνει 1 διακοπή γιά κάθε 1 αφικνούμενο πακέτο. Έστω ότι τα μικρότερα δυνατά πακέτα είναι μεγέθους 40 Bytes καθένα (όπως στο πρωτόκολλο του διαδικτύου, το IP). Άρα, ο μέγιστος δυνατός ρυθμός άφιξης πακέτων είναι 120 KBytes/s διά 40 Bytes ανά πακέτο = 30 K πακέτα/s ανά γραμμή. Έστω, 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;

(ε) Σήμερα εμφανίζονται σιγά-σιγά γραμμές δικτύου του 1 Gbit/s, δηλαδή 1000 φορές γρηγορότερες από αυτές του (δ). 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;;;

Άσκηση 15.6: Απευθείας Πρόσβαση Μνήμης (DMA) από Συσκευές Ε/Ε

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 (λεωφόροι 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:

1. Διεύθυνση έναρξης --είναι η (φυσική) διεύθυνση μνήμης προς την οποία ή από την οποία θα αρχίσει η αντιγραφή δεδομένων.
2. Μέγεθος μεταφοράς --είναι το πλήθος των Bytes που θα αντιγραφούν.
3. Καταχωρητής ενεργοποίησης --είναι ο καταχωρητής εκείνος όπου μόλις ο επεξεργαστής γράψει έναν ειδικό κώδικα θα αρχίσει η αντιγραφή.

1. Ζητά να της δοθεί η χρήση της αρτηρίας μνήμης ή των αρτηριών Ε/Ε και μνήμης.
2. Μόλις της δοθεί η χρήση, αντιγράφει την επόμενη "λέξη" του ενταμιευτή της συσκευής στην κυρίως μνήμη, εκεί που δείχνει ο καταχωρητής διεύθυνσης, ή την αντιγράφει από την κυρίως μνήμη στον ενταμιευτή της συσκευής. [Στο βήμα αυτό, 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 15), καθώς και να αποσβάσουμε καλύτερα το overhead απόκτησης χρήσης της αρτηρίας μέσω της μεταφοράς περισσοτέρων Bytes κάθε φορά που την αποκτούμε].
3. Αυξάνει τον καταχωρητή διεύθυνσης κατά το πλήθος των Bytes που μόλις μετέφερε.
4. Μειώνει τον καταχωρητή μεγέθους μεταφοράς κατά το πλήθος των Bytes που μόλις μετέφερε.
5. Αν ο καταχωρητής μεγέθους είναι ακόμα μεγαλύτερος του μηδενός, επαναλαμβάνει από το (i).

(α) Έστω 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) Έστω 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. Έστω (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; Ίδια 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, παρατηρήστε 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.

Άσκηση 15.7: DMA και Συμβατότητα Κρυφής-Κύριας Μνήμης

(α) Θεωρήστε την περιφερειακή συσκευή σαν συσκευή εισόδου, και θεωρήστε 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) Θεωρήστε την περιφερειακή συσκευή σαν συσκευή εξόδου, και θεωρήστε 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 συσκευή εξόδου. Έστω 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) Έστω 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).

Τρόπος Παράδοσης: