Der Timer 8254: Verwendung. Agenda: Zeitscheiben-Scheduling. Struktur des Nutzung des 8254 im PC

Transkript

1 Agenda: Zeitscheiben-Scheduling Der Timer 8254 Erzeugen von periodischen Interrupts Erzeugen von Tönen Zeitscheiben-basierter Scheduler für OOStuBS Michael Engel 1 Der Timer 8254: Verwendung PCs besitzen zwei Timer-Bausteine vom Typ 8253 oder 8254 Mittlerweile natürlich auch im Chipsatz integriert Diese werden mit einem Takt von 1,19318 MHz betrieben Unabhängig von der CPU-Frequenz! Warum so ein krummer Takt? 1,19318 MHz * 4 = 4,77 MHz...die Taktfrequenz des Ur-IBM-PC!...damals also doch nicht so unabhängig von der CPU-Frequenz Warum eine krumme Taktfrequenz wie 4,77 MHz für den Ur-PC? 4,77 MHz * 12 = 14,31816 MHz...das ist die Grundfrequenz, die für NTSC-Fernsehen benötigt wird...also gibt es fertige, billige Quarze...und man kann die Frequenz gleich zur Video-Erzeugung verwenden! PCs besitzen mittlerweile zwei dieser Timer-Bausteine Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 2 Struktur des 8254 Nutzung des 8254 im PC Bezeichnung des 8254: PIT Programmable Interval Timer Jeder 8254 besitzt drei unabhängige Zähleinheiten Diese werden im PC unterschiedlich verwendet: Jeder Zähler besitzt einen eigenen Ausgang (OUTx) (aus dem intel-datenblatt zum 8254) Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 3 Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 4

2 Nutzung des 8254 im PC Struktur eines Zählers im 8254 Die verschiedenen Verwendungen der Kanäle ergeben sich durch die Verdrahtung der Ausgänge auf den PC- Mainboard: OUT0 führt an Int 0 des (1.) PIC 8259 OUT1 führt an Kanal 0 des DMA-Controllers 8237 OUT2 führt (über ein schaltbares Gatter) an einen Verstärker OUT0 des 2. PIT führt an den NMI-Eingang der CPU Über das NMI Mask Bit Im PC sind Non Maskable Interrupts doch maskierbar... Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 5 (aus dem intel-datenblatt zum 8254) Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 6 Programmierung des 8254 Jeder PIT kann mit Hilfe von vier Ports angesprochen werden: Programmierung des 8254 Zunächst muss dem 8254 über ein Steuerwort gesagt werden, was er als nächstes tun soll: Alle Ports sind 8 Bit breit! Um 16 Bit Zählerwerte in den PIT zu schreiben, muss eine besondere Vorgehensweise zum Einsatz kommen Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 7 Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 8

3 Programmierung des 8254 Spaß mit dem 8254 Der Modus bestimmt, wie der Zähler arbeitet und ob er mit Hilfe seiner OUTx-Leitung externe Ereignisse auslöst Im Modus 0 zählt der Zähler vom angegebenen Startwert bis 0 herunter Alle 838 ns Wenn der Zählerwert 0 ist, wird die OUTx-Leitung auf 1 gesetzt Zum Erzeugen periodischer Impulse eignet sich Modus 2 am besten Hier wird beim Erreichen des Wertes 0 ein kurzer Impuls auf OUTx erzeugt und der Zähler wird automatisch wieder mit dem ursprünglichen Startwert initialisiert Zur Einstellung eines 16 Bit Zählerwertes sind damit drei out-befehle notwendig Schreiben des Steuerwortes Das Intervall, mit dem ein Zähler im 8254 tickt, ist anhängig von der Basisfrequenz Der Zähler teilt diese Frequenz dann ganzzahlig Bei einem initialen Zählerwert von 1 für Counter 0 wird also eine Frequenz von 1,19318 MHz erzeugt Zählerwert 2: f = 0,59659 MHz usw. Initialwert für den Timer 0 im IBM PC: 0 Der PIT zählt erst herunter und vergleicht dann Also wird der Zähler 2^16-mal heruntergezählt Die Basisfrequenz wird also durch geteilt: 1,19318 MHz / 2^16 = 18,2 Hz Das ist die Standard Interrupt-Frequenz im PC Wir können also nicht beliebige Frequenzen generieren, aber immerhin eine ganze Menge... Schreiben des nieder- und höherwertigen Bytes des Zählerwerts Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 10 Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 9 10 Töne sind schwingende Luft...also muss irgendwo diese Schwingung angeregt werden...die Höhe des Tons ist abhängig von dessen Frequenz Also kann ein schwingender Schaltkreis mit Hilfe einer Lautsprecher-Membran Töne erzeugen Menschlicher Hörbereich: ca. 20 Hz 15 khz Zur Tonerzeugung muss also eine vibrierende, also wechselnde, Spannung erzeugt werden Die einfachste Form eines Tons ist die Sinusschwingung: Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 11 Die Werte der Amplitude geben an, wie laut der Ton zu jedem Zeitpunkt ist Hier werden Signale diskret beschrieben Nicht durch eine Funktion f(x)=sin(x)......sondern durch Samples, also Wertnahmen zu bestimmten Zeitabschnitten Diese Samples reichen aus, um eine bestimmte Wellenform zu erzeugen Dieses Verfahren wird Pulse Code Modulation (PCM) genannt CD-Spieler spielen PCM-Samples mit einer Frequenz von Hz ab Jedes Sample besteht aus (2x für Stereo) 16 Bit Daraus folgt die CD-Datenrate von 16 x 2 x Bit/s = 150 kb/s Das ist single speed bei CD-Laufwerken! Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 12

4 Eine Interrupt-Routine könnte jetzt also mit der Sample- Frequenz aufgerufen werden und jeweils den nächsten Wert auf den Lautsprecher ausgeben Wir könnten also Interrupts mit Hz erzeugen und hätten Sound in CD-Qualität! :-) Das funktioniert leider nur, wenn der Lautsprecher an einen (z.b. 16-Bit) Digital-Analog-Wandler angeschlossen ist Der Verstärker des PC-Lautsprechers ist aber mit OUT2 vom PIT1 verbunden... Problem: Der Timer-Ausgang OUTx im PC kann nur zwei Werte annehmen (0 und 1), das sieht dann so aus: Michael Engel 13 Frage: welche Werte haben hier smpl1, smpl2 und smpl3? Wie bekommen wir nun aus einem solchen Rechtecksignal eine wohlklingende Sinuskurve? Der PC-Lautsprecher kann in Bursts angesprochen werden Die Lautsprechermembran ist träge, bei 22kHz muss sie schon ganz schön schnell schwingen... Wenn man also den Lautsprecher kontinuierlich mit einem 5V-Pulse (log. 1 ) ansteuern, bewegt sich die Membran entsprechend weiter nach außen...also steigt die Amplitude des Signals! Die Frequenz des Pulsierens muss also der gewünschten Amplitude angepasst werden Wir können also in der Timer-Interrupt-Routine jeweils die passende Frequenz in den Counter 2 schreiben Das Verfahren ist eine 1-Bit-Digital-Analog-Wandlung (DAC) Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 14 : Tips Mit OOStuBS könnten sich also auch Töne erzeugen lassen ;-) Bevor der Timer Töne ausgeben darf, muss das noch im Chipsatz aktiviert werden: inb or outb 0x61, al al, 0x03 al, 0x61 Achtung: neuere Nvidia-Chipsätze für 64-Bit x86-cpus implementieren den PIT offenbar anders und machen Probleme Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 15 Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 16

5 Aufgabe 5: Zeitscheiben-Scheduler Ziel: Schutz kritischer Betriebssystem-Abschnitte mit Hilfe von Schleusen Die Synchronisation der Aktivitäten innerhalb von OO-Stubs soll auf die Verwendung einer Schleuse umgestellt werden Gleichzeitig soll nun eine grobgranulare Locking-Strategie verwendet und eine Systemaufrufschnittstelle definiert werden Der Scheduler soll ausgelöst durch den Timer-Interrupt Threads verdrängen können Aufgabe 5: Zeitscheiben-Scheduler Hierzu müssen die Klassen Guarded_Scheduler, Thread, PIT und Watch implementiert werden Um aus Benutzerprogrammen heraus die geschützten Methoden des Schedulers aufrufen zu können, darf die globale Variable scheduler nicht länger ein Objekt der Klasse Scheduler sein, sondern muss eine Instanz der Klasse Guarded_scheduler sein. Michael Engel 17 Aufgabe 5: Zeitscheiben-Scheduler Michael Engel 19 Michael Engel 18 Aufgabe 5: Klasse Guarded_Scheduler Der Guarded_Scheduler implementiert die Systemaufrufschnittstelle zum Scheduler Die von ihm angebotenen Methoden werden direkt auf die Methoden der Basisklasse abgebildet Ihre Ausführung wird aber jeweils mit Hilfe eines Objekts der Klasse Secure geschützt Es werden keine Entrant-, sondern Thread-Objekte behandelt Öffentliche Methoden: void ready (Thread& that) Mit dieser Methode wird der Prozess that beim Scheduler angemeldet void exit () Hiermit kann sich ein Prozess selbst beenden. void kill (Thread& that) Mit dieser Methode kann ein Prozess einen anderen (that) beenden. void resume () Hiermit kann ein Prozesswechsel ausgelöst werden. Michael Engel 20

6 Tip Aufgabe 5: Klasse Guarded_Scheduler Da die Methoden von Guarded_Scheduler die gleichen Namen haben wie die der Basisklasse Scheduler, verdecken sie diese normalerweise Dies kann verhindert werden, wenn bei dem Aufruf einer Methode der Name der Basisklasse explizit angeführt wird Beispiel: Aufgabe 5: Klasse Thread Die Klasse Thread implementiert die Benutzerschnittstelle eines Fadens Zur Zeit ist Thread nichts weiter als ein neuer Name für die Klasse Entrant...das wird sich in Aufgabe 6 noch ändern Öffentliche Methoden: Thread (void* tos) Der Konstruktor leitet den Parameter tos an den Konstruktor der Basisklasse Entrant weiter. Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 21 Aufgabe 5: Klasse PIT Die Klasse PIT steuert den Programmable Interval Timer (PIT) des PCs Öffentliche Methoden PIT (int us) Im Konstruktor wird der Timer so initialisiert, dass er in Abständen von ca. us Mikrosekunden regelmäßig Unterbrechungen auslöst Da die Auflösung des Timerbausteins maximal 838 Nanosekunden beträgt, ist keine ganz exakte Einstellung im Mikrosekundenbereich möglich int interval () Gibt an, welches Unterbrechungsintervall eingestellt wurde. void interval (int us) Stellt das Unterbrechungsintervall neu ein. Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 23 Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 22 Aufgabe 5: Klasse Watch Watch sorgt für Behandlung der Zeitgeberunterbrechungen Zeitscheiben werden verwaltet und bei Bedarf ein Prozesswechsel ausgelöst Öffentliche Methoden Watch (int us) Im Konstruktor wird der Timer so initialisiert, dass er in Abständen von ca. us Mikrosekunden regelmäßig Unterbrechungen auslöst. void windup () "zieht die Uhr auf" Dazu muss sich das Watch Objekt bei der Plugbox plugbox anmelden...und mit Hilfe des globalen PIC Objekts pic die Unterbrechungen des Timer Bausteins (repräsentiert durch das globale PIT Objekt pit) zulassen void prologue () Enthält den Prolog der Unterbrechungsbehandlung. void epilogue () In dieser Methode wird der Prozesswechsel ausgelöst. Michael Engel <michael.engel@udo.edu> 24