Sistemi Operativi - Appunti Teoria Prima Parte

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LEZIONI DI TEORIA SO 1 (Prima Parte)

Lezione 1 e 2 - RICHIAMI E INTRODUZIONE

COSA È UN PROCESSORE E INTERFACCIA HW/SW

Instruction Set Architecture (ISA)

Il processore è una macchina sequenziale che esegue delle istruzioni residenti in memoria per manipolare dei dati a loro volta

residenti in memoria. Un processore non esiste se non è attaccato ad una memoria (chiamata set di istruzioni). L’Instruction Set

l’insieme l’interfaccia

Architecture specifica delle caratteristiche del processore visibili al programmatore, definisce tra hardware e

software, e specifica la funzionalità del processore in termini di:

 Dati gestiti (Tipi di dati)

 Registri interni destinati a contenere i dati da manipolare

 Istruzioni che prelevano dalla memoria e manipolano questi dati

 Istruzioni di "salto"

 Modalità di funzionamento speciali

 Istruzioni speciali

processore è l’esecutore

Un di istruzioni del proprio Instruction Set.

Tramite le istruzioni macchina è possibile eseguire algoritmi specificati

in un linguaggio ad alto livello. Il processore può eseguire le istruzioni

del proprio IS solo una volta che le stesse sono state convertite in formato

binario (codice macchina). La trasformazione da una rappresentazione

all'altra viene eseguita da dei SW di supporto, il compilatore e

l'assembler. Figura: Come funziona il processore? Si accende, genera un

indirizzo di memoria per la memoria di istruzioni per eseguire una

istruzione che è all’interno di quell’indirizzo. Carica tramite una Fetch

l’istruzione (perché non le ha dentro) ogni volta che le serve. Una volta

caricata, viene decodificata, e invia a Memoria Istruzioni l’istruzione da eseguire. Da dove vengono le istruzioni? Dal codice ad alto

le trasforma in codice assembly. Questo codice viene passato all’assembler

livello (C). Le istruzioni vengono prese dal compilatore e

che poi lo passa alla memoria istruzioni, dopo aver convertito le istruzioni in codice macchina.

Fetch delle istruzioni

Allo scopo di eseguire un algoritmo il processore esegue delle istruzioni del proprio IS. All'istante 0 dell'esecuzione (quando lo

accendo) le istruzioni che codificano il programma da eseguire risiedono nella memoria istruzioni. Per poter essere eseguita dal

processore ciascuna istruzione deve essere caricata in un registro interno del processore (fetch dell'istruzione). Solitamente il registro

l’istruzione

destinato a contenere l'istruzione corrente (quindi da eseguire) è denominato Instruction Register (IR). Il flusso di

esecuzione delle istruzioni viene definito dalla dislocazione in memoria delle istruzioni stesse e dalla tecnica di fetch utilizzata. Il

tale flusso) prevede l’esecuzione

flusso normale di esecuzione (che non fa uso delle istruzioni dedicate che si occupano di modificare

sequenziale delle istruzioni secondo l'ordine di salvataggio in memoria. Un registro interno del processore contiene l'indirizzo della

locazione di memoria all'interno della quale è contenuta la prossima istruzione da eseguire e prende il nome di Program Counter

(PC). Ogni volta che viene caricata ed eseguita una istruzione che non preveda la modifica del flusso di esecuzione, il PC viene

incrementato in automatico in modo che la prossima istruzione caricata sull'IR e quindi eseguita sia la successiva a quella attualmente

eseguita (sequenza di esecuzione normale). La modifica del flusso di esecuzione sequenziale viene gestita dalle istruzioni di salto.

Tipologie di istruzioni

Le principali tipologie di istruzioni sono 3 (a cui vanno aggiunte istruzioni di tipo eterogeneo non classificabili in maniera sintetica):

 Istruzioni di spostamento dati: si occupano di spostare i dati dalla memoria ai registri interni del processore e viceversa.

Esistono inoltre istruzioni che spostano i dati fra registri interni e istruzioni che spostano i dati fra locazioni di memoria

 Istruzioni di manipolazione dati: si occupano di prelevare i dati da locazioni (di solito dai registri interni), di utilizzarli

come operandi sorgente per delle operazioni logico/aritmetiche e di salvare il risultato in altre locazioni.

 Istruzioni di modifica del flusso di esecuzione (salto): si occupano di modificare il contenuto del PC in modo da

modificare il flusso di esecuzione definito dall'incremento automatico del PC stesso

Come funziona un processore: linguaggio assembly

l’ISA dei

Prendiamo come esempio MIPS. L’architettura

processori della famiglia MIPS è di tipo load/store: non è

possibile operare direttamente sui dati residenti in memoria,

ma è necessario prima copiarli nei registri interni tramite

istruzioni dedicate. I registri interni visibili (solo per la

gestione dei dati interi) del MIPS sono:

 32 registri general purpose a 32 bit; il registro zero

contiene 0 e non può essere modificato

 che contiene l’indirizzo della

un registro PC a 32 bit,

prossima istruzione da eseguire

 load word (lw): carica su un registro interno un

valore dalla memoria [Esempio: Scrivi nel contenuto

del registro 3, il contenuto della locazione di memoria

avente per indirizzo il valore ottenuto dalla somma tra

l’indirizzo 0x100]

il registro 2 e

 store word (sw): scrive in memoria il valore contenuto in un registro [Esempio: uguale a Load]

 add : somma del valore di due registri

 costante contenuta nell’istruzione

Addi: somma di un registro con una

 subtract (sub): sottrazione tra il valore di due registri

 and: and logico bit a bit del contenuto di due registri

 or: or logico bit a bit del contenuto di due registri

 set on less than (slt): scrive 1 sul registro destinazione se il primo operando è minore del secondo, zero altrimenti.

 branch on equal (beq): salto condizionato all'uguaglianza dei valori contenuti nei 2 registri confrontati

 salta all’indirizzo label2]

jump ( j ): salto incondizionato [Esempio:

Nell’esempio: PC=PC+4+imm. 4 perché ci sono 32 bit divisi in 4 byte (=bit), quindi per andare alla prossima istruzione devo

aggiungere 32 bit, ovvero 4 byte. Ad ogni byte è associato un indirizzo.

Formato delle istruzioni

Le istruzioni sono a lunghezza fissa (32 bit), in tre possibili

2

formati [I bit sono dati dal valore elevato 2. Es: 5 =32 che sono

reg]

Immediate: viene usato per le istruzioni di branch (beq). Serve

per le operazioni immediate (load e store).

Reg Type: Viene usato per le istruzioni aritmetiche (add e sub)

Jump: Viene usato per le istruzioni di jump [target: indirizzo di

memoria dove andare per il salto]

opcode: dice quale è l’istruzione attuale Richiami di programmazione assembly

ciclica (loop) viene gestita tramite l’utilizzo di un registro indice/contatore che:

L’esecuzione

 viene inizializzato all’esterno del loop in funzione del numero di iterazioni da eseguire

 viene aggiornato ad ogni iterazione del loop

 del loop, il test che verifica la fine del ciclo ne interrompe l’esecuzione

viene testato ad ogni iterazione

agli elementi di un vettore con indice dipendente dall’indice del loop

L’accesso può essere gestita tramite un reg detto puntatore che:

 all’esterno del

viene inizializzato loop

 viene utilizzato ad ogni iterazione del loop per comporre l’indirizzo della locazione corrente

 dipende dal numero di locazioni di memoria occupate da

viene aggiornato ad ogni iterazione del loop. L’aggiornamento

ciascun elemento del vettore

Esempio 3: codifica assembly

Utilizzo dei registri (esempio 3)

 $1 ha la funzione di registro accumulatore

 $2 ha la funzione di indice/contatore del

loop

 $3 ha la funzione di puntatore all’elemento

corrente del vettore

 $6 memorizza la costante usata per il test di

fine ciclo

 $7 ha la funzione di buffer temporaneo

crescente, dall’elemento 1

La sequenza utilizzata è

all’elemento 7.

Esempio 4: Utilizzo dei registri

E’ possibile utilizzare un solo registro che accorpi le

funzionalità di registro indice/contatore per il test di

fine ciclo e di registro puntatore. In questo caso

l’inizializzazione e l’aggiornamento del registro,

nonché il test di fine ciclo, vanno gestiti in funzione

del fatto che la funzionalità di registro puntatore

richiede l’accesso a dati che possono occupare più

locazioni di memoria

 $1 ha la funzione di registro accumulatore

 $2 ha la funzione di indice del loop e anche di

puntatore all’elemento corrente del vettore

 $3 ha la funzione di buffer temporaneo

 $4 memorizza la costante usata per aggiornare il registro indice- puntatore

stavolta decrescente, dall’elemento 7 all’elemento 1.

La sequenza utilizzata è (spiegazione L2 min 1:08:00 circa)

Meccanismo di chiamata a subroutine

 Utilizzo combinato delle istruzioni jl e jr

 Salvataggio e ripristino dei registri

 Convenzioni per il MIPS nella gestione dello stack da parte del compilatore

Le subroutine utilizzano le stesse risorse quindi ogni volta che prende un processore, deve salvare lo stato e restituirlo come era

ripristinandolo. Lo stato è dato da registri, quindi questi devono essere gli stessi. Infatti deve salvare i registri che esporta.

Meccanismo di chiamata di procedura

opportuno sottoinsieme delle istruzioni dell’IS

Un MIPS viene utilizzato per supportare la chiamata di una procedura (funzione), ed

una volta terminata la sua esecuzione, il ritorno alla istruzione successiva alla chiamata. Ogni volta che deve essere convertita in

―jal

assembly una chiamata a funzione viene utilizzata una istruzione label procedura‖ (jal = jump a link) che forza il salto

all’indirizzo della prima istruzione della procedura, e simultaneamente salva quello dell’istruzione successiva nel registro $31.

―jr

Funziona però solo per un livello di annidamento. Ogni procedura deve terminare con una istruzione $31‖ (jr = jump register) che

all’indirizzo della istruzione successiva a quella di chiamata, cioè all’indirizzo salvato in $31.

forza il valore del PC Per gestire la

a sua volta un’altra, sovrascrivendo l’indirizzo di ritorno in $31, è necessario che questo venga

possibilità che una funzione ne chiami

E’ l’indirizzo di ritorno nonché

salvato in memoria. necessaria una convenzione che definisca come salvare in memoria i parametri

passati alla procedura, i dati locali, ecc.

Gestione dello stack

Quando viene eseguita una funzione viene riservata ad essa una

porzione dello stack, detta frame. La dimensione del frame è

variabile e dipende dal numero di dati relativi alla funzione che è

necessario scrivere in memoria (può essere anche nulla se non ci

sono dati da memorizzare). A ciascuna funzione è associato un

frame pointer. Le informazioni da memorizzare di ogni frame sono:

 parametri della funzione invocata oltre il quarto (i primi

quattro parametri sono salvati nei registri da $4 a $7)

 indirizzo di ritorno

 dati locali della funzione

 registri temporanei che verranno sovrascritti durante l’esecuzione della funzione

Gestione della memoria per i sistemi monoprogrammati in modalità reale

Utilizzo della memoria nei sistemi monoprogrammati in modalità reale

Il compilatore utilizza la memoria dividendola in diverse parti: stack, heap, sezione testo e

sezione dati statici/dinamici.

 Lo stack è la porzione di memoria gestita automaticamente dal processore, inizia a

partire dalle locazioni con indirizzo più alto e ha una dimensione variabile in

funzione dello spazio di cui ha bisogno il programma.

 Lo heap è invece la zona di memoria gestita dinamicamente, con le funzioni

malloc e calloc che allocano spazio dinamicamente (Dynamic data). Inizia dalle

locazioni di memoria più basse e si riempie verso locazioni di indirizzo

più elevato a partire da un certo indirizzo.

 La parte della memoria di indirizzi più bassi, da zero in poi, viene

utilizzata per le istruzioni e per il codice (text area).

 La parte della memoria riservata (Reserved)

A partire dagli indirizzi di memoria più alti sta la funzione main, il compilatore

alloca ricorsivamente lo spazio per le procedure allocando e disallocando zone

di memoria. Ogni procedura ha a disposizione una zona di memoria privata

definita frame di attivazione. Lo spazio dei frame di attivazione è lo stack.

Comunicazione processore-periferiche: memory mapping

Memory mapping

La comunicazione tra processore e periferica è implementata tramite accessi in lettura/scrittura (istruzioni standard load e store) a

locazioni di memoria. La periferica è dotata di registri interni ai quali il processore può accedere in lettura/scrittura. A ciascun registro

interno di ogni periferica è associato un indirizzo di memoria. Lo spazio di memoria dedicato alle periferiche deve essere costituito da

indirizzi non utilizzati per la memoria.

 Lettura: ogni qualvolta il processore necessita di acquisire un dato dall'esterno esegue una istruzione di load. L’indirizzo è

quello del registro della periferica che si vuole leggere. Il dato viene copiato su uno dei registri interni per poter essere subito

utilizzato o copiato in memoria

 ogni qualvolta il processore necessita di mandare un dato all’esterno esegue

Scrittura: una istruzione di store. L’indirizzo è

quello del registro della periferica sulla quale si vuole scrivere. Il dato viene copiato da uno dei registri interni sul registro.

Scrittura sulle periferiche (L3 min 50:00 circa)

ha una porta dati e una porta indirizzi. L’indirizzo mandato dal processore viene letto da tutte le periferiche.

Il processore (MIPS)

Ciascuna periferica scrivibile ha la propria porta dati in ingresso collegata al bus di uscita del processore ed è inoltre collegata alla

E’

porta indirizzi. dotata di un decoder che abilita la scrittura su uno dei propri registri interni solo nel caso in cui sul bus indirizzi si

presenti l’indirizzo associato a quel registro e che il segnale di scrittura sia attivo. Gli spazi degli indirizzi non devono essere

sovrapposti. E’ importante Write Enable Signal, bit che distingue il caso in cui sia da fare lettura o scrittura.

Lettura dalle periferiche

Le periferiche da cui leggere hanno la porta dati in uscita collegata ad uno degli ingressi di un multiplexer. Il multiplexer è collegato

in uscita con la porta dati in ingresso del processore, ed è controllato da un decoder che decodifica il bus indirizzi abilitando in uscita

l’ingresso associato all’indirizzo decodificato. E’

Ciascuna periferica è collegata alla porta indirizzi del processore. dotata di un

decoder interno che manda in uscita il contenuto del proprio registro interno avente indirizzo uguale all’indirizzo in transito sul bus

apposito

Generalizzazione

Una volta convenuto che qualunque tipo di dato fisico può essere modellato come un numero binario e quindi esistono dei dispositivi

(sensori/trasduttori) in grado di operare la conversione. Una periferica di input può essere il mouse o il microfono. Una periferica di

out può essere una stampante, un display.

Funzionalità avanzate del processore: interrupt e timers

Interrupt

PC si aggiorna automaticamente, oppure tramite istruzioni di salto nel caso di

L’esecuzione

esecuzione condizionale o esecuzione di subroutines. di pezzi codice

dell’algoritmo

in maniera completamente asincrona rispetto alla codifica si basa

l’interrupt.

su un altro meccanismo: Esiste un ingresso hardware dedicato del

l’ingresso

processore, di interrupt. Ogni qualvolta si presenta un determinato

all’interrupt, l’esecuzione

segnale in ingresso viene sospesa del programma

corrente, e viene eseguito un segmento di codice (di un'altra zona) associato

all’ingresso di interrupt, detto routine di interrupt, al termine del quale, viene

l’esecuzione

ripresa del programma principale esattamente dal punto in cui era

stato interrotto. L’implementazione è basata sulla sovrascrittura e ripristino di PC.

Periferica timer: funzionalità con l’ambiente esterno, rendono spesso

Le specifiche di temporizzazione legate alla gestione real-time della interazione

indispensabile l’utilizzo di meccanismi che consentano l’esecuzione di determinati task (acquisizione di ingressi, scritture in uscita...)

in maniera asincrona (in subroutines è sincrona) rispetto al ciclo di esecuzione del programma. Il meccanismo per risolvere questo

L’interrupt deve essere veloce per permettere il continuo dell’esecuzione del flusso.

tipo di problematiche è l’interrupt. Nel caso la

gestione real time debba avvenire in frequenze e istanti di tempo prestabiliti, risulta indispensabile una periferica che comunichi al

fissa, indipendente dall’esecuzione in corso.

processore un segnale di sincronismo con una frequenza Una periferica che svolge questo

ruolo è il timer, programmato via software in modo da generare un interrupt per il processore con una determinata frequenza. Si tratta

in pratica di un contatore programmabile che conta i cicli di clock in ingresso generando un segnale ad ogni fine conteggio.

Esempio di timer: La figura è una periferica memory-mapped, dotata di un

registro di stato leggibile e parzialmente scrivibile, con una uscita di interrupt. Il

clock utilizzato per il conteggio non è il clock utilizzato per il resto del sistema

(global clk), ma un altro segnale di clock inserito appositamente nel sistema

(sample clk). Ha un porta indirizzi, porta dati, un interrupt in uscita, global clk,

sample clk e reset. astrazione dall’hardware!

A cosa serve il sistema operativo: multiprogrammazione e

Il sistema operativo:

I servizi fondamentali offerti dai sistemi operativi ai processi sono:

 astrazione dall’hardware

 gestione efficiente delle risorse