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TP4 : Interruptions et architectures multi-processeurs
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[[PageOutline]]
= 1 Objectif =
Le but de ce quatrième TP est double :
D'un côté, on souhaite introduire de nouveaux
périphériques supportant la communication par interruption,
et analyser les mécanismes de communication entre un programme utilisateur et un périphérique.
D'un autre côté, on souhaite modéliser des architectures comportant plusieurs processeurs programmables.
= 2. Interruptions vectorisées =
Nous allons introduire deux types de périphériques utilisant des interruptions pour communiquer avec le système d'exploitation:
* Un ''périphérique caractère'' (tel qu'un contrôleur TTY) supporte des requêtes de lecture ou d'écriture d'un seul caractère. Ce type de périphérique se comporte comme une cible sur le bus, puisqu'il ne peut que recevoir des commandes provenant d'un processeur, et qu'il n'a pas la possibilité de lire ou d'écrire lui-même en mémoire.
* Un ''périphériques bloc'', tel qu'un contrôleur de disque, doit tranférer de grosses quantités de données entre la mémoire et l'extérieur. Les transferts se font par blocs (un bloc contenant généralement 512 octets), et ces périphériques ont généralement une capacité DMA : Ils sont à la fois maître et cible sur le bus, cat ils peuvent directement lire ou écrire en mémoire.
== 2.1 composants matériels ==
Lorsque le nombre de périphériques augmente, le nombre de lignes d'interruption augmente également,
et il faut un mécanisme permettant de concentrer plusieurs dizaines de requêtes d'interruption vers un seul signal
connecté au processeur.
Le composant '''vci_icu''' est un contrôleur d'interruptions vectorisées. C'est une cible VCI dont vous trouverez la spécification fonctionnelle [https://www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciIcu ici]. Prenez le temps de la lire.
Le composant '''vci_multi_timer''' est également une cible VCI
contenant un nombre queconque de timers programmables capables de générer des interruptions périodiques. On trouvera la spécification fonctionnelle de ce composant
[https://www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciMultiTimer ici].
Le composant '''vci_block_device''' est un contrôleur de périphérique de stockage externe (disque ou mémoire flash). Ce composant IOC est à la fois un initiateur VCI, capable de lire et d'écrire dans la mémoire, et une cible qui peut recevoir des commandes de configuration. Puisque nous sommes en simulation, le composant IOC gère un unique fichier, stocké sur le disque de la station de travail qui exécute le simulateur. Le nom de ce fichier est un argument du constructeur. On trouvera la spécification fonctionnelle de ce composant [https://www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciBlockDevice ici].
Le composant '''vci_frame_buffer''' est un contrôleur d'écran graphique. C'est une cible VCI qui est vue
comme un tampon mémoire directement adressable de M lignes de N pixels, dans lequel le logiciel peut lire ou écrire.
Le contenu de ce buffer est parcouru périodiquement, et son contenu est affiché sur l'écran graphique externe. On trouvera la spécification fonctionnelle de ce composant [https://www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciFrameBuffer ici].
Le composant '''vci_dma''' est un composant matériel qui peut être programmé par le système d'exploitation pour éffectuer
de gros transferts de données, tel que la copie d'une image d'un tampon mémoire situé dans l'espace utilisateur vers le
tampon mémoire du composant FBF. On trouvera la spécification fonctionnelle de ce composant DMA [https://www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciDma ici].
Les deux composants IOC et DMA étant à la fois initiateur et cible, on obtient finalement une architecture possédant
trois initiateurs VCI (indexés de 0 à 2), et 9 cibles VCI (indexées de 0 à 8), conformément au schéma ci-dessous.
[[Image(soclib_tp4_mono.png)]]
Les lignes d'interruptions ne passent pas par le réseau VCI : chaque ligne d'interruption d'un périphérique
est directement connectée aux ports d'entrée '''p_irq_in[i]''' du composant ICU :
* La ligne d'interruption du TIMER est connectée au port '''p_irq_in[0]'''
* la ligne d'interruption du TTY est connectée au port '''p_irq_in[1]'''
* la ligne d'interruption du contrôleur IOC est connectée au port '''p_irq_in[2]'''
* la ligne d'interruption du contrôleur DMA est connectée au port '''p_irq_in[3]'''
Le système d'exploitation (GIET) associe à chaque ligne d'interruption une routine
de traitement spécifique, appelée ISR (Interrupt Service Routine), qui est exécutée par le processeur lorsque la ligne d'interruption est activée par le périphérique, et que les interruptions ne sont pas masquées.
Il s'agit donc pour le périphérique de "voler" quelques cycles du processeur pour lui permettre d'exécuter
un peu de code. L'ISR permet généralement au périphérique de signaler un événement
en allant écrire dans un emplacement prédéfini en mémoire.
== 2.2 Communication entre l'OS et le contrôleur TTY ==
Dans le TP3, le programme utilisateur utilise l'appel système '''tty_getc()''' pour lire un caracère.
Cet appel système bloquant contient une boucle de scrutation dans laquelle, à chaque tour de boucle,
on effectue une transaction sur le bus pour lire la valeur du registre STATUS du terminal TTY concerné.
On ne sort de cette boucle que lorsqu'un caractère a effectivement été saisi au clavier.
Dans ce TP4, le programme utilisateur utilisera l'appel système '''tty_get_irq()''' pour lire un caractère.
Cet appel système utilise un tampon mémoire partagé '''_tty_get_buf''', protégé par une variable de synchronisation '''-tty_get_full'''.
Ces deux variables appartiennent au système d'exploitation et sont stockées dans le segment ''seg_kunc'',
qui est à la fois protégé (non accessible par les programmes utilisateur) et non cachable.
Plutôt que d'effectuer une scrutation sur le registre STATUS du contrôleur TTY, l'appel système '''tty_get_irq()'''
teste la variable '''_tty_get_full''' rangée en mémoire. Si la valeur de cette variable indique qu'il n'y a pas de caractère
disponible, le système d'exploitation peut (en principe) attribuer le processeur à un autre programme utilisateur. C'est la routine d'interruption (ISR) associée au terminal TTY qui se charge d'écrire le code ASCII du caractère dans le tampon '''_tty_get_buf''', et de forcer à 1 la variable de synchronsation '''_tty_get_full''' pour signaler que le tampon est plein. Cette variable de synchronisation est remise à 0 par l'appel système ''tty_getc_irq()'' lorsque le caractère est transféré du tampon système '''tty_get_buf''' vers le tampon mémoire défini par l'utilisateur.
Dans une architecture monoprocesseur, le processeur peut exécuter plusieurs tâches (plusieurs programmes utilisateurs) en pseudo-paralléliseme, par multiplexage temporel. Chaque tâche possède alors son propre terminal écran/clavier, mais ces
différents terminaux sont tous contrôlés par le même contrôleur TTY : Chaque terminal a son propre jeu de 4 registres,
pour communiquer avec l'OS.
Le GIET supporte au plus 8 processeurs, et au plus 4 tâches par processeur. Le GIET supporte donc au plus
32 terminaux ecran/clavier, et définit donc deux tableaux '''_tty_get_buf[32]''' et '''_tty_get_full[32]''', indexés
par le numéro du terminal concerné.
'''Question''' : Comment les deux entités communicantes (l'ISR et l'appel système) calculent-elles l'index du terminal concerné ? La réponse se trouve dans les fichier '''drivers.c''' et '''isr.s'''.
'''Question''' : Que fait la routine d'interruption ISR déclenchée par le périphérique TTY lorsqu'un caractère est frappé alors que la variable '''_tty_get_full[i]''' vaut 1 ? La réponse se trouve dans le fichier '''isr.s'''.
'''Question''' : Quel est l'avantage de ce type de communication par interruption, comparé au mécanisme de scrutation utilisé dans le TP3 ?
== 2.2 Communication entre l'OS et le contrôleur IOC ==
Les deux appels système '''ioc_read()''' et '''ioc_write()''' permettent à un programme utilisateur de demander au GIET de réaliser un transfert de données entre un tampon mémoire utilisateur et le périphérique de stockage externe.
Tous les transferts se font par blocs de 512 octets.
'''Question''' : Editez le fichier '''stdio.c''' pour déterminer la signification des trois arguments de ces appels système. Editez le fichier '''drivers.c''' pour voir ce que font réellement les deux fonctions système '''_ioc_read()''' et '''_ioc_write()''' associées.
Quand ces fonctions rendent-elle la main au programme utilisateur?
L'appel système '''ioc_completed()''', qui appelle lui-même la fonction système '''_ioc_completed''' permet au programme utilisateur de se mettre en attente sur la fin d'un transfert. C'est donc une fonction bloquante qui ne rend la main au programme utilisateur que lorsque la variable de synch'onisation '''_ioc_busy''' a repris la valeur 0.
'''Question''' : Quelle fonction met la variable '''_ioc_busy''' à 1 ? Quelle fonction remet cette variable à 0 ? QUelles sont les deux services rendus par cette variable de synchronisation ? Dans quel segment doit-elle être rangée?
= 3 Modélisation de l'architecture matérielle =
L'archive [attachment:soclib_tp4.tgz soclib_tp4.tgz] contient différents fichiers dont vous aurez besoin pour ce TP.
Créez un répertoire de travail spécifique TP4, recopiez l'archive dans ce répertoire, et décompressez-la:
{{{
$ tar xzvf soclib_tp4.tgz
}}}
Outre les fichiers qui permettent de générer le simulateur de l'architecture matérielle, cette archive contient également un fichier '''images.raw''' qui contient une séquence d'images, et le sous-répertoire ''soft'' qui est utilisé pour la génération du logiciel embarqué.
'''Question''' : Complêtez le fichier '''tp4_top.cpp''' pour définir les adresses de base et les tailles des cinq segments associés aux composants ICU, TIMER, IOC, FBF et DMA, et pour introduire ces 5 segments dans la table des segments. Ces segments sont-ils cachables ou non cachables?
'''Question''' : Complétez le fichier '''tp4_top.cpp''' pour définir les paramètres des constructeurs des cinq nouveaux composants ICU, TIMER, IOC, FBF et DMA. Pour le composant IOC on fera en sorte que le cheminom désignant le fichier
externe puisse être redéfini par un paramètre sur la ligne de commande au lancement du simulateur. Pour le composant
FBF, on choisira une taille d'écran de 128 lignes de 128 pixels.
'''Question''' : Complétez la net-list dans le fichier '''tp4_top.cpp''' pour connecter les 4 lignes d'interruption utilisées dans cette architecture mono-processeur.
'''Question''' : Complétez le fichier '''tp4_top.desc''' pour pouvoir utiliser soclib-cc, et utilisez le Makefile pour pour générer le simulateur.
= 4. Logiciel embarqué =
Le répertoire ''soft'' contient les quatre fichiers '''ldscript''', '''reset.s''', '''main.c''', et '''Makefile''' permettant de générer
le logiciel embarqué.
== 4.1 Code de boot ==
Puisqu'on utilise des interruptions, le ''code de boot'' doit initialiser le vecteur d'interruption (c'est à dire le tableau indexé par le numéro d'interruption, et contenant les adresses des différentes routines d'interruption). Il doit également initialiser le composant ICU, pour démasquer les interruptions qu'on veut autoriser.
'''Question''' : En ouvrant le fichier '''isr.s''', déterminez les nom des quatre ISRs associées aux composants TIMER, TTY,
IOC et DMA. Modifiez le fichier '''reset.s''' pour initialiser les entrées correspondantes du vecteur d'interruption.
'''Question''' : Le fichier '''icu.h''' contient la carte des registres adressables du composant ICU. Ouvrez ce fichier (rangé)
dans le répertoire du GIET) pour déterminer l'offset du registre ICU_MASK_SET, et complétez le fichier '''reset.s''' pour
démasquer les quatre lignes d'interruption utilisées : irq_in[0], irq_in[1], irq_in[2], irq_in[3].
== 4.2 Activation du TIMER ==
On va commencer par exécuter un programme main_0 très simple, qui se contente d'activer la génération d'interruptions périodiques par le TIMER. Consultez le fichier ''stdio.c'' pour déterminer quels sont les deux appels système qui permettent de définir la période et d'autoriser le TIMER à générer les interruptions périodiques.
'''Question''' : modifiez le fichier '''main_0.c''' pour que le TIMER génère des interruptions avec une période de 100000 cycles.
== 4.3 Utilisation du contrôleur TTY ==
On veut maintenant utiliser le contrôleur TTY en écrivant
un petit interprêteur de commandes, qui exécute une boucle infinie dans laquelle il lit des commandes tapées au clavier
(un seul caractère à la fois) et les exécute.
On traitera au minimum les trois commandes suivantes:
* '''d''' : desactivation des interruptions générées par le TIMER
* '''a''' : activation des interruptions générées par le TIMER
* '''q''' : sortie du programme par l'appel système exit()
'''Question''' : Modifiez le fichier '''main_0.c''' pour écrire cet interprêteur de commandes en utilisant les appels système '''tty_getc_irq()''' et '''tty_puts()'''. Compilez en utilisant le Make file du répertoire soft, et exécutez ce programme interactif sur le simulateur.
== 4.4 Contrôleur IOC et contrôleur d'écran graphique ==
On veut utiliser le contrôleur IOC pour charger dans un tampon mémoire du programme utilisateur une séquence d'images stockées dans le fichier '"images.raw''' qui est fourni dans l'archive, avant d'afficher ces images sur l'écran graphique contrôlé par le composant FBF.
Le fichier '''images.raw''' contient des images de 128 lignes de 128 pixels codées en 256 niveaux de gris (un octet par pixel.
'''Question''' : Quel est l'encombrement d'une image en nombre de blocs?
'''Question''' : Ecrivez un nouveau programme main() dans un fichier '''main_1.c'''. Vous utiliserez les appels système '''ioc_read()''' et '''ioc_completed()''' pour charger une image dans un tampon mémoire de 128*128 octets tab[128][128], déclaré dans la fonction main(). Dans quel segment sera rangéé ce tableau tab[128][128]?
Utilisez l'appel système '''fbf_write()''' pour afficher cette image sur l'écran graphique.
N'oubliez pas de tester systématiquement la valeur du code de retour chaque fois que vous utilisez un appel système.
Modifiez le Makefile pour utiliser main_1.c au lieu de main_0.c, compilez le logiciel embarqué, et exécutez-le sur le simulateur.
'''Question''' : Complétez le fichier '''main_1.c''' pour encapsuler cette séquence chargement / affichage dans une boucle
de façon à afficher successivement les images du fichier '''images.raw'''. On pourra utiliser les appels système '''tty_puts()''' et
'''tty_getc_irq''' pour rendre interactif le passage à l'image suivante.
= 5. Architecture multi-processeurs générique =
On veut maintenant modéliser une architecture matérielle multi-processeur générique.
== 5.1 architecture matérielle ==
Modifiez le fichier '''tp3_top.cpp''' et renommez-le '''tp3_top_multi.cpp''' .
Chaque processeur aura son propre concentrateur d'interruption (un composant ICU par processeur),
et son propre contrôleur TTY (un contrôleur TTY par processeur).
Le nombre de processeurs NPROCS doit être un paramètre défini sur la ligne de commande au lancement du simulateur.
Le GIET ne pouvant supporter que 8 processeurs, on vérifiera que le paramètre NPROCS est inférieur ou égal à 8.
Il faut définir des tableaux de pointeurs pour les composants PROC[i], ICU[i], et TTY[i], ainsi que pour les signaux associés,
et introduire des boucles indexées par l'index du processeur chaque fois que ces composants sont concernés.
* il faut définir NPROCS segments pour les NPROCS TTY[i]
* il faut définir NPROCS segments pour les NPROCS ICU[i]
* Les NPROCS composants
'''Question''' : Modifiez le fichier '''tp3_top.desc''' pour créer un fichier '''tp3_tp_multi.desc''', et modifiez le fichier '''Makefile'''
en conséquence pour générer un simulateur générique '''simulator_multi.x'''.
== 5.2 Code de boot ==
Un vrai système d'exploitation tel que LINUX ou MutekH permet de créer dynamiquement de nouvelles tâches (i.e. de nouveaux programmes utilisateurs) alors que la machine est déjà démarrée (mécanisme ''pthread_create()'' pour les threads POSIX, ou mécanisme fork/exec pour les processus UNIX). Le GIET n'étant pas un vrai système d'exploitation, ne supporte pas la création ou la destruction dynamique de tâches : Les tâches doivent être créées une fois pour toute au démarrage de la machine, c'est à dire dans le code de boot.
Bien que le GIET supporte le fonctionnement multi-tâches (un seul processeur exécute plusieurs tâches par multiplexage temporel), on va utiliser ici un mécanisme plus simple où chaque processeur n'exécute qu'une seule tâche. Le mot tâche désigne ici un programme utilisateur particulier.
Le mécanisme est le suivant :
* Tous les processeurs exécutent le même ''code de boot, mais l'exécution de ce code dépend de l'index du processeur. L'index du processeur (''proc_id'') étant stocké dans un registre système (registre $15 pour le processeur MIPS32), sa valeur peut être testée par le logiciel. Cette valeur est initialisée par le constructeur, ce qui modélise une valeur ''cablée'' lors de la fabrication de la puce.
* Les tâches s'exécutant en parallèle, chaque tâche (et donc chaque processeur) doit disposer de sa propre pile d'exécution. On définit un seul segment pour les différentes piles d'exécution, mais les ponteurs de pile des différents processeurs doivent être initialisés à des valeurs différentes en fonction du ''proc_id''.
* Chaque tâche correspondant à un programme utilisateur différent, les points d'entrée de chaque tache (registre EPC dans le cas du MIPS32) doivent être initialisées à des valeurs différentes (main_0, main_1, main_2, etc...) en fonction du ''proc_id''.
'''Question''' : Modifiez le fichier '''reset.s''' pour initialiser le pointeur de pile ($29 dans le cas du MIPS32) à une valeur dépendant du ''proc_id''. Chaque tâche disposera d'une pile de 64 Koctets. Quelle doit être la taille minimale du segment de pile défini dans la table des segments de la top-cell?
'''Question''' : Modifiez le fichier '''reset.s''' pour initialiser le point d'entrée (registre EPC dans le cas du MIPS32) à une valeur dépendant du ''proc_id''. On pourra définir une table de sauts indexé par le proc_id et contenant les adresses ''main_0'' à ''main_7''.
'''Question''' : Modifiez le fichier '''Makefile''' du répertoire '''soft''' pour que soient compilés le fichier '''teset.s''' ainsi modifié, et les deux programmes '''main_1.c''' et '''main_1.c''' de la section 4.
'''Question''' : Lancez l'exécution sur le simulateur '''simulator_multi.x'''.
== 5.3 Exécution paralléle de programmes non-coopératifs ==
== 5.4 Programme coopératif multi-tâches ==
= 6 Compte-rendu =
Il ne vous est pas demandé de compte-rendu pour ce TP, mais on vous demandera une démonstration
au début du TP de la semaine suivante...