| ΗΥ-225: Οργάνωση Υπολογιστών
Άνοιξη 2005 |
Τμ. Επ. Υπολογιστών © Πανεπιστήμιο Κρήτης |
|
[Up - Table of Contents] [Prev - 9. Procedures, Recursion] |
[printer version - PDF] [4. Verilog Intro. 1 - Next] |
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:
(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 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 10.1 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 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. 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'.
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:
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) Στις περιπτώσεις (β) και (γ), κινδυνεύουμε να χάσουμε κάποια νέα είσοδο αν "πέσουν μαζεμένες" νέες είσοδοι από όλες τις γραμμές; Έστω 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) 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;
(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;;;
|
[Up - Table of Contents] [Prev - 9. Procedures, Recursion] |
[printer version - PDF] [4. Verilog Intro. 1 - Next] |
| Up to the Home Page of CS-225
|
© copyright
University of Crete, Greece.
last updated: 12 Apr. 2005, by M. Katevenis. |