4. Übung - Rechnerarchitektur/Betriebssysteme

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1 4. Übung - Rechnerarchitektur/Betriebssysteme 1. Aufgabe: Caching Informatik I für Verkehrsingenieure Aufgaben inkl. Beispiellösungen a) Was ist ein Cache? Wann kommt Caching zum Einsatz? b) Welchen Vorteil bringt die Nutzung eines Caches zwischen Prozessor und Hauptspeicher? Was sind mögliche Probleme? c) Führt die Verwendung eines Caches zwischen Prozessor und Hauptspeicher in jedem Fall zu einer Performanceverbesserung? a) Ein Cache ist ein kleiner, schneller Zwischenspeicher, der zur Verkürzung von Zugriffszeiten eingesetzt wird. Caching ist sehr verbreitet und wird verwendet, wenn Bausteine oder Geräte stark unterschiedlicher Geschwindigkeit miteinander kommunizieren (z.b. Prozessor und Hauptspeicher oder Prozessor und Festplatte, es gibt aber auch Software-Caches wie z.b. Browser-Caches zur lokalen Speicherung von Webseiten). b) Durch die Pufferung von Werten, die öfters benötigt werden, sind weniger Zugriffe auf den langsameren Hauptspeicher notwendig. Außerdem können Daten im voraus beschafft werden (Einlesen einer Cache Line). Wird beim Schreiben von Daten die Write-Back Strategie eingesetzt, können Konsistenzprobleme auftreten. c) Caching bringt nur dann Vorteile, wenn die Speicherinhalte mehrfach benötigt werden oder wenn nacheinander Zugriffe auf benachbarte Speicherbereiche erfolgen. Ist das nicht der Fall, würden die Zugriffe ohne Caching schneller erfolgen das Caching benötigt ja auch etwas Zeit, da der Cache-Controller bei einem Zugriff überprüfen muss, ob die gewünschten Speicherinhalte bereits im Cache stehen. 2. Aufgabe: Pipelining a) Zur Performanceverbesserung soll eine vierstufige Pipeline verwendet werden (siehe Beispiel aus Vorlesung). Wie viele Takte dauert die Ausführung von 5 bzw. 30 Befehlen mit bzw. ohne Pipelining? Nehmen Sie dazu an, dass die Ausführung jedes Schrittes einen Takt dauert. b) Gegeben ist folgender Ausschnitt eines Maschinenprogramm (in Assemblernotation): Adresse Befehl Erläuterung E5A2h MOV BX, 100; lade den Wert 100 in das Register BX E5A5h ADD AX, [1000+BX]; addiere das Element an Adresse 1000+BX zum Register AX E5A8h DEC BX, 1; dekrementiere den Inhalt des Registers BX (BX=BX-1) E5ABh JNZ E5A5h; wenn vorheriges Ergebnis nicht Null war, springe zur Adresse E5A5h E5ADh DIV AX, 100; dividiere den Inhalt des Registers AX durch

2 Geben Sie den Inhalt der vierstufigen Pipeline im 5. Takt bei statischer Vorhersage (static prediction) an unter der Annahme, (1) dass keine Verzweigung erfolgt (predict not taken) bzw. (2) dass eine Verzweigung erfolgt (predict taken)! c) Wann läuft die Pipeline bei Abarbeitung einer Schleife leer bei (1) statischer Vorhersage mit predict not taken, (2) statischer Vorhersage mit predict taken? a) Ohne Pipelining werden die 4 Schritte nacheinander für jeden Befehl ausgeführt. Die Ausführung von 5 Befehlen dauert also 5 4 = 20 Takte, die Ausführung von 30 Befehlen dauert 30 4 = 120 Takte. Allgemein: Für n Befehle mit jeweils m Takten werden n m Takte benötigt. Wird Pipelining verwendet, beginnt die Befehlsabarbeitung (Holen des Befehls) in direkt aufeinanderfolgenden Takten. Die Abarbeitung erfolgt parallel, so dass zu dieser Anzahl von Takten nur die verbleibenden drei Takte für die Abarbeitung des letzten Befehls dazukommen. Die Ausführung von 5 Befehlen dauert nun also nur noch = 8 Takte (die Ausführung ist 20 8 = 3, 75-mal schneller), die Ausführung von 30 Befehlen dauert 30+3 = 33 Takte (die Ausführung ist = 3, 64-mal schneller). Allgemein: Für n Befehle mit jeweils m Takten werden n + (m 1) Takte benötigt. b) Stufen der Pipeline: IF - Befehl holen (Instruction Fetch), ID - Befehl dekodieren (Instruction Decode), EX - Befehl ausführen (Execute), WB - Ergebnis zurückschreiben (Write Back) (1) Die ersten fünf Takte bei predict not taken: Takt 1: Takt 2: Takt 3: Takt 4: Takt 5: IF: MOV BX, 100; IF: ADD AX, [...]; IF: DEC BX, 1; IF: JNZ E5A5h; IF: DIV AX, 100; ID: ID: MOV BX, 100; ID: ADD AX, [...]; ID: DEC BX, 1; ID: JNZ E5A5h; EX: EX: EX: MOV BX, 100; EX: ADD AX, [...]; EX: DEC BX, 1; WB: WB: WB: WB: MOV BX, 100; WB: ADD AX, [...]; (2) Die ersten fünf Takte bei (predict taken): Takt 1: Takt 2: Takt 3: Takt 4: Takt 5: IF: MOV BX, 100; IF: ADD AX, [...]; IF: DEC BX, 1; IF: JNZ E5A5h; IF: MOV BX, 100; ID: ID: MOV BX, 100; ID: ADD AX, [...]; ID: DEC BX, 1; ID: JNZ E5A5h; EX: EX: EX: MOV BX, 100; EX: ADD AX, [...]; EX: DEC BX, 1; WB: WB: WB: WB: MOV BX, 100; WB: ADD AX, [...]; c) Allgemein genau dann, wenn die getroffene Annahme, welche Befehle als nächste abzuarbeiten sind, falsch war: (1) predict not taken: bei jedem Durchlauf bis auf den letzten (dann stimmt die Annahme, dass mit den nachfolgenden Befehlen weitergearbeitet wird) (2) predict taken: beim letzten Schleifendurchlauf. 2

3 3. Aufgabe: Betriebsmittel a) Was sind Betriebsmittel? b) Erläutern Sie die Verwaltung von exklusiven Betriebsmitteln mit Hilfe von (zählenden) Semaphoren an folgendem Beispiel: Das exklusive Betriebsmittel A wird nacheinander von den Prozessen P 1, P 2 und P 3 zu den Zeitpunkten t = 1, 2, 4 angefordert. P 1 gibt A zum Zeitpunkt t = 6 frei, P 2 zum Zeitpunkt t = 7 und P 3 zum Zeitpunkt t = 9. Die Auswahl des nächsten Prozesses aus der Warteschlange für A erfolgt nach dem FIFO-Prinzip. c) Zwei Prozesse (P 1 und P 2 ) sollen ausgeführt werden. P 1 benötigt nacheinander folgende Betriebsmittel: Festplatte, Scanner, Drucker; P 2 benötigt folgende Betriebsmittel: Festplatte, Drucker, Scanner (Anforderung erfolgt in der Reihenfolge der Aufzählung). Welches Problem kann entstehen? Muss es zu diesem Problem kommen? Welche Strategien zur Behandlung des genannten Problems kennen Sie? a) Betriebsmittel sind die Ressourcen, die in einem System zur Verfügung stehen und von Prozessen für die Ausführung benötigt werden. b) Es ergibt sich folgender Ablauf (Z: Zählvariable, A P i : Zuweisung des Betriebsmittels A an Prozess P i, W: Warteschlange): P 1 : A P 2 : A P 3 : A P 1 : Freig. P 2 : Freig. P 3 : Freig. Zeit t Z = 1 Z = 0 Z = 1 Z = 2 Z = 1 Z = 0 Z = 1 A frei A P 1 A P 2 A P 3 A frei W: W: W: P 2 W: P 2, P 3 W: P 3 W: W: c) Drucker und Scanner sind exklusive Betriebsmittel, d.h., sie können jeweils nur einem Prozess zugewiesen werden. Bei dem beschriebenen Szenario kann es zu einem Deadlock (Verklemmung) kommen, falls P 1 der Scanner zugeteilt wurde und P 1 nun den Drucker anfordert, der Drucker aber bereits P 2 zugewiesen wurde und P 2 seinerseits den Scanner anfordert. Ein Deadlock ist dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse wechselseitig aufeinander warten und keiner mehr voranschreiten kann. Das Problem muss nicht auftreten, hat z.b. P 1 bereits Drucker und Scanner freigegeben, ehe diese von P 2 angefordert werden, kommt es nicht zu einem Deadlock. Strategien zur Behandlung: Problem ignorieren, Erkennung und Behebung (zyklisch prüfen, ggf. Prozess abbrechen), dynamische Verhinderung (vorsichtige Vergabe von Betriebsmitteln), Vermeiden (z.b. Anforderung von Betriebsmitteln durch alle Prozesse in definierter Reihenfolge). 3

4 4. Aufgabe: Hauptspeicherverwaltung a) Welche Aufgaben hat die Hauptspeicherverwaltung? b) Was ist virtueller Speicher? Was sind Seiten und Rahmen und wie wird durch das Betriebssystems die Zuordnung verwaltet? c) Beschreiben Sie die Seitenwechseltechnik (Paging). d) Was versteht man unter Seitenflattern? a) Die Hauptspeicherverwaltung kümmert sich um die Zuweisung von Speicher an Programme, das Freigeben von nicht mehr verwendetem Speicher, die effiziente Verwaltung von freien und belegten Speicherbereichen und den Schutz der Speicherbereiche verschiedener Prozesse vor gegenseitigem Zugriff. b) Virtueller Speicher ist eine vom Betriebssystem verwaltete Abstraktionsebene des physikalischen Speichers. Sowohl die Größe des realen Speichers als auch die Position der Bereiche im realen Speicher werden abstrahiert. Jedem Prozess wird dieselbe Menge virtuellen Speichers zur Verfügung gestellt, auf welchem es Daten lesen und schreiben kann. Die Verwendung des virtuellen Speichers ist für die Prozesse transparent, die Hauptspeicherverwaltung steuert die Umsetzung. Der logische Adressraum und der physische Adressraum werden in gleich große Stücke unterteilt. Der logische Adressraum wird in Seiten (Pages) unterteilt, der physische Adressraum in Rahmen (Frames). Das Betriebssystem übernimmt die Zuordnung (das Mapping) von virtuellem und realem Speicher, indem es in Seitentabellen die Zuordnung der Seiten zu den Rahmen speichert. Es existiert für jeden Prozess eine eigene Seitentabelle. Der logische Adressraum ist in der Regel zusammenhängend, die Seiten können im realen Speicher jedoch beliebigen Rahmen zugeordnet werden. c) Prozesse greifen auf virtuelle Adressen zu. Diese werden von der Hauptspeicherverwaltung zerlegt in einen Index, der auf die Seitentabelle verweist, und ein Offset, das die Adresse innerhalb der Seite bzw. des Rahmens angibt. Befindet sich die Seite bereits in einem Rahmen des Speichers, kann aus der Seitentabelle die Rahmennummer entnommen werden, damit wird die physische Adresse berechnet und auf die entsprechende Adresse zugegriffen werden. Befindet sich die Seite nicht im Speicher, muss sie zunächst in einen freien Rahmen geladen werden. Sind alle Rahmen belegt, muss eine Seite aus dem realen Speicher verdrängt werden, d.h. ausgelagert (auf die Festplatte). Für die Auswahl der zu verdrängenden Seite gibt es verschiedene Strategien (z.b. die Seite, die am wenigstens benutzt wurde). d) Seitenflattern bezeichnet einen Überlastzustand des Systems infolge häufiger Seitenwechsel. Durch die häufigen Wechsel kommt es zu langen Programmlaufzeiten. 4

5 5. Aufgabe: Prozessverwaltung a) Was unterscheidet Programm und Prozess? b) Was verstehen Sie unter dem Prozesszustandsblock (PCB)? Wozu wird er benötigt? c) In welchen Zuständen können sich Prozesse befinden, was kennzeichnet diese Zustände? d) Vergleichen Sie die Prozess-Schedulingstrategien FIFO, Round Robin (Zeitscheiben: q = 1) und Vergabe nach Prioritäten (höchste Zahl = höchste Priorität) anhand folgender Prozesse: Prozess Ankunftszeit Ausführungsdauer Priorität A B C D E F Geben Sie für jeden dieser Prozesse die Wartezeit bis zum Beginn der Ausführung und das Ende der Bearbeitung an sowie die mittlere Wartezeit für alle Prozesse! (Hinweis: Die Prozesswechselzeit kann der Einfachheit halber ignoriert werden!) e) Was versteht man unter einem kritischen Abschnitt eines Prozesses? Was ist vom Betriebssystem sicherzustellen? a) Ein Programm ist die statische Folge von Anweisungen in einer Programmiersprache, ein Prozess ist ein in Ausführung befindliches Programm. b) Das Betriebssystem verwaltet die laufenden Prozesse. Der PCB ist eine Datenstruktur, die alle dafür notwendigen Informationen über die Prozesse enthält (den Prozesskontext), insbesondere um die Fortsetzung eines unterbrochenen Prozesses zu ermöglichen. Jeder Prozess hat seinen eigenen PCB, der beim Start des Prozesses angelegt wird. c) aktiv: Der Prozess hat den Prozessor zugeteilt bekommen und schreitet voran. bereit: Der Prozess wartet nur noch auf die Zuteilung des Prozessors, es gibt keine weiteren Wartebedingungen. wartend: Der Prozess muss auf die Erfüllung (mindestens) einer Wartebedingung warten. 5

6 d) Es ergibt sich folgender Ablauf: Wartezeit Ausf.-zeit FIFO A(0,6,2) 0 6 B(2,3,4) 4 7 C(4,3,1) 5 8 D(6,4,3) 6 10 E(8,5,4) 8 13 F(10, 4, 3) Proz. im Zust. "bereit" B B B B C C C D D D E E E E F Mittel: 5,67 C C D D D E E E F F F F E F F Round Robin (q=1, Warteschlange --> FIFO) A(0,6,2) 0 16 B(2,3,4) 0 6 C(4,3,1) 1 11 D(6,4,3) 2 15 E(8,5,4) 3 17 F(10, 4, 3) 3 14 Proz. im Zust. "bereit" A B C A B D C A E D F C A E D F E D F E F E Mittel: 1,50 A B D C A E D F C A E D F E D F E C A E D F C A E D F C A E D F Priorität A(0,6,2) 0 22 B(2,3,4) 0 3 C(4,3,1) D(6,4,3) 0 9 E(8,5,4) 0 5 F(10, 4, 3) 5 9 Mittel: 3,83 e) Ein kritischer Abschnitt eines Prozesses beschreibt einen Zeitraum, während dem der Prozess nicht unterbrochen werden darf, da die korrekte Fortsetzung des unterbrochenen Prozesses nicht gewährleistet ist. Ein typisches Beispiel ist der Zugriff auf gemeinsamen Speicher. Das Betriebssystem muss Methoden bereitstellen, die sicherstellen, dass ein Prozess während eines kritischen Abschnittes nicht unterbrochen wird (z.b. Semaphore). 6