UNIVERSITETET I OSLO

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i INF103 Fra brukergrensesnitt til maskinvare Eksamensdag: 16. desember 2002 Tid for eksamen: Oppgavesettet er på 8 sider. Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Alle Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Dette oppgavesettet består av 6 oppgaver som kan løses uavhengig av hverandre. Dersom du synes noe i oppgaveteksten er uklart, må du gjøre dine egne forutsetninger; sørg bare for at disse er tydelig angitt. Lykke til! Innhold 1 Boolsk algebra og CPU-design (vekt 20%) side 1 2 Oversettelse (vekt 16%) side 2 3 Programmering i C (vekt 17%) side 3 4 Datakommunikasjon (vekt 17%) side 5 5 Operativsystemer (vekt 17%) side 5 6 Flervalgsoppgave (vekt 13%) side 7 Oppgave 1 Boolsk algebra og CPU-design (vekt 20%) 1a Forenkle funksjonen F = ab c + abd + bc d + bcd + a bcd mest mulig ved hjelp av Karnaugh-diagram. Du skal i oppgave 1b til 1d designe deler av logikken til kontrollenheten for en 16-bits CPU med samme instruksjonssett som LC-2 prosessoren. Kontrollenheten er forbundet med Instruction Register (IR), Memory Address Register (MAR), Memory Data Register (MDR), Program Counter (PC) og ALU-en slik det er vist i figur 1 på neste side. Mellom kontrollenheten og ALU går det kontrollsignaler som vil bli nærmere spesifisert senere i oppgaven. Man kan anta at kontrollenheten har adgang til alle 16 bit-ene i IR, MAR, MDR og PC. Enkeltbit adresseres med notasjonen Reg[n], der n=0 er minst signifikante bit og n=15 mest signifikante bit i hvert register. For eksempel betyr MDR[0] det minst signifikante bit-et i MDR-registeret. (Fortsettes på side 2.)

2 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 2 char *strchr (char *s, char c) { while (*s) { if (*s == c) return s; ++s; } return NULL; } Figur 1: Kontrollenhet til en CPU Figur 2: En C-implementasjon av funksjonen strchr 1b ALU-en trenger et ett-bits kontrollsignal ALU_ADD for å utføre addisjon. Når instruksjonen er en addisjonsoperasjon, skal ALU_ADD være «1», og «0» ellers. Sett opp det boolske uttrykket for ALU_ADD, og implementer funksjonen med AND, OR og NOT-porter. 1c Ved instruksjoner av typen AND og ADD kan operand IN_2 enten være innholdet i et register, eller en 5-bits konstant som ligger som en del av instruksjonen. Vis hvordan man ved hjelp av 2-til-1-multipleksere kan hente IN_2 enten fra MDR eller benytte 5-bits konstanten. 1d Ofte ønsker man å kontrollere at et program ikke aksesserer bestemte områder i hukommelsen fordi disse er reservert til andre formål. Kontrollenheten for denne CPU-en skal ha et utsignal ILLEGAL_MEMORY_ACCESS som er «1» hvis prosessoren aksesserer den øvre halvdelen av hukommelsen. Hvilke to måter kan kontrollenheten finne ut dette på, og hva vil forskjellen være? Oppgave 2 Oversettelse (vekt 16%) Standardfunksjonen strchr finner første forekomst av et gitt tegn i en tekst; om tegnet finnes returnerer strchr adressen til tegnet, ellers gir den 0 tilbake. Funksjonen kan skrives som vist i figur 2. Oversett denne funksjonen til assemblerspråk for LC-2. Ved kallet skal adressen s ligge i R0 og tegnet c i R1; ved retur skal adressen til tegnet (eller verdien 0) ligge i R0. (Fortsettes på side 3.)

3 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 3 Oppgave 3 Programmering i C (vekt 17%) Vi trenger en C-funksjon som kan splitte en tekstlinje opp i ord. 3a En enkel funksjon Skriv C-funksjonen firsttok som finner første ord i en tekst; char *firsttok (char *s, char c) Parametrene er: s er peker til teksten vi skal lete i. c er skilletegnet, det vil si tegnet som skiller ord. Det kan godt være flere skilletegn mellom to ord. Funksjonen firsttok skal gjøre følgende: 1. Hopp over alle inneledende forekomster av c i teksten. Om man da kommer til slutten av teksten, skal firsttok returnere med verdien Nå er vi ved starten av ordet, så husk hvor langt vi er kommet. 3. Let videre til man finner neste forekomst av c eller slutten av hele teksten. Nå vet vi også hvor ordet slutter. Om ordet ble avsluttet ved at vi fant en c, erstattes dette tegnet med verdien 0. (På denne måten blir ordet vi fant en C-tekst.) 4. Returnér adressen som ble tatt vare på i punkt 2. Skriv funksjonen firsttok i C. Det er ikke lov å benytte standardfunksjonen strtok; se neste deloppgave. Eksempel Anta at vi har følgende tekst s i lageret: : : : a b x : y z 0 Kallet p = firsttok(s, : ); vil sette p til, som er adressen til første tegn i ordet. Teksten s vil nå se slik ut: : : : a b x 0 y z 0 (Legg merke til at innholdet i lokasjon er endret.) 3b Funksjonen strtok Standardfunksjonen char *strtok (char *s, char *c) minner mye om firsttok men er mer avansert. Utvidelsene er: Det kan være flere ulike skilletegn (og ikke bare ett). Parameter c er derfor en tekst, og alle tegnene der regnes som skilletegn. strtok husker hvor langt den er kommet hver gang den kalles. (Adressen tas vare på i en global variabel som for eksempel kan hete strtokaddr.) Om parameters er0, vil strtok lete fra strtokaddr. Skriv funksjonen strtok ic. (Fortsettes på side 4.)

4 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 4 int main (void) { char *line, *param; printf("write a list of words separated by colons:\n"); line = malloc(200); fgets(line, 200, stdin); param = strtok(line, ":\n"); free(line); while (param!= NULL) { char *message = malloc(200); strcpy(message, "Parameter is "); strcat(message, param); strcat(message, "."); printf("%s\n", message); free(message); param = strtok(null, ":\n"); } return 0; } Figur 3: Et C-program med feil Eksempel Anta at vi har følgende tekst s i lageret: a b : : x : y z 0 Kallet p = strtok(s,": "); vil sette p til mens strtokaddr vil inneholde. Teksten s vil se slik ut: a b 0 : x : y z 0 Neste kall p = strtok(0,": "); vil sette p til mens strtokaddr vil inneholde. Teksten s vil se slik ut nå: a b 0 : x 0 y z 0 3c Programmeringsfeil En ivrig student ønsket å teste sin versjon av strtok og skrev programmet i figur 3. Det ga ingen feilmeldinger under kompileringen, men under kjøring skjedde følgende (med det studenten skrev i uthevet skrift): Write a list of words separated by colons: Abc:h i j:q::æøå Segmentation Fault Hva skjedde? Hva bør gjøres for å rette feilen? (Fortsettes på side 5.)

5 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 5 Oppgave 4 Datakommunikasjon (vekt 17%) En «personal information manager» (PIM) er en elektronisk adressebok, kalender, telefonliste og mye mer. Du vil vanligvis oppbevare den på en «sikker» maskin. Av og til er det imidlertid ønskelig å legge til avtaler på PIM-tjeneren når du ikke har tilgang til en datamaskin. Anta at du skriver et program for din helt nye mobiltelefon, som kan sende korte meldinger direkte til din PIM-tjener som du selv har programmert. Du benytter TCP. Ditt klientprogram som kjører på mobiltelefonen, kan bare startes med en lang streng på kommandolinja og ikke noe annet. Ditt klient-program kalles med en streng som ser ut som følger: din datamaskins navn; avtalens dato og tid; en melding De tre delene er adskilt med tegnet «;». Dato og tid for en avtale ser slik ut: :30. Ditt program vil for eksempel bli kalt på følgende måte: client "niu.ifi.uio.no; :00;write C code" 4a Beskriv en protokoll for kommunikasjonen mellom din klient og PIMtjeneren. Er det tilstrekkelig å spesifisere applikasjonslagsprotokollen? 4b Skriv klientprogrammet som analyserer («parser») strengen fra kommandolinja, kopler opp til tjenermaskinen, sender dato og tid for avtalen samt melding til PIM-tjeneren, og kopler ned forbindelsen til tjeneren. (Ikke skriv tjenerprogrammet.) Oppgave 5 Operativsystemer (vekt 17%) 5a Anta at ledige blokker på et platelager omfatter de blokkene som er vist på figur 4 på neste side. Hver blokk er på 512 bytes. Fil-katalogen («directory») inneholder følgende filer: minfil.txt liste.c key.txt 3570 bytes 2480 bytes 300 bytes Lag en mulig allokering av disse filene på platelageret basert på indeksert allokering («indexed allocation»). Du velger selv hvilken (ledig) blokk hver enkelt fil skal starte på. Dersom filen minfil.txt hadde vært allokert med linket allokering («linked allocation»), ville det i dette spesielle tilfellet ikke vært noen (intern) fragmentering. Det benyttes 16 bits for blokk-addressering. Gjør rede for hvor stor intern fragmentering man vil få når denne filen er allokert med indeksert allokering. Hvor ligger byte nummer 3000 (fysisk sett) i filen minfil.txt hvis man benytter linket allokering? (Fortsettes på side 6.)

6 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side Figur 4: Ledige blokker på platelager 5b Vi antar at 5 jobber entrer køen for jobb-utførelse på en maskin i den rekkefølgen som er angitt nedenfor. Estimert tid for eksekvering av hver jobb er som angitt. Jobbene ankommer maskinen nesten samtidig slik at de ligger i køen samtidig, og ingen andre jobber ankommer køen mens de 5 jobbene utføres. Ingen av jobbene krever I/O, og vi ser bort fra den tiden som går med til prosess-svitsjing. Jobb J1 J2 J3 J4 J5 Eksekv.tid (ms) Jobben J1 ligger her først i køen. 5c Bestem hvor lang tid hver jobb blir liggende i køen før den er ferdig utført gitt at det benyttes «Shortest job first» (SJF) dispatching på maskinen. Gjør en tilsvarende beregning for det tilfellet at man benytter «Round robin» (RR) dispatching der hver jobb tildeles 10 ms CPU-tid av gangen. Hva er den gjennomsnittelige tiden som en jobb ligger i jobb-køen for de to tilfellene? Vi antar at vi på PC-en vår har et platelager («disk») med en plate som har 200 spor («tracks») hvor skrive-/lesehodet kan posisjonere seg. Sporene er nummerert fra 0 til 199. På et tidspunkt befinner hodet seg på spor 15, og maskinen har registrert følgende kø av disk aksess forespørsler: (hvert av tallene refererer til et spor) Lag en grafisk fremstilling som viser hodets bevegelse mellom sporene på platelageret ved bruk av henholdsvis FCFS, SDF, SCAN og C-LOOK skedulering. (Fortsettes på side 7.)

7 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 7 Oppgave 6 Flervalgsoppgave (vekt 13%) I hver av deloppgavene er det 5 påstander hvorav kun én er korrekt. Svaret skal kun bestå av tallet som står til venstre for det riktige alternativet eller den riktige påstanden. Les alle alternativer nøye før du svarer! 6a 6b 6c Boolsk algebra 1. NAND-porter kan ikke brukes til å implementere en NOR-port. 2. NAND-porter kan ikke brukes til å implementere en OR-port. 3. En XNOR-port kan lages av to XOR-porter. 4. En NOR-port kan implementeres med bare invertere. 5. Med kun AND- og OR-porter kan man implementere enhver boolsk funksjon. Cache 1. Cache gir prosessoren tilgang på hukommelse som er raskere enn RAM. 2. Cache brukes for å øke adresserommet til en prosessor. 3. Cache er nødvendig for å implementere virtuell hukommelse. 4. Cache brukes for å jevne ut hastighetsforskjellen mellom harddisk og RAM. 5. Cache brukes for å øke hastigheten til interne registre. Cache Den aller første gangen man skriver til en bestemt lokasjon i cache vil man få en 6d 6e 1. write hit 2. segmentation fault 3. page fault 4. read miss 5. write miss Pipelining 1. Økes antall trinn i en pipeline, må også klokkehastigheten økes. 2. En prosessor med pipelining fungerer ikke uten cache. 3. Med pipelining vil en instruksjon ikke være ferdig eksekvert før neste påbegynnes. 4. Økes antall trinn i en pipeline, økes antall instruksjoner som kan påbegynnes hvert sekund. 5. Ved pipelining trenger man ikke cache forutsatt at RAM er stor nok til å lagre hele programmet man kjører. Pipelining I en 5-trinns pipelinet CPU uten forwarding må man ved hasarder i verste fall vente 1. 4 klokkesykler 2. 2 klokkesykler 3. 1 klokkesykel 4. 3 klokkesykler 5. 5 klokkesykler (Fortsettes på side 8.)

8 Eksamen i INF103, 16. desember 2002 Side 8 6f 6g Virtuell hukommelse 1. Virtuell hukommelse øker hastigheten på cache ved å bruke deler av RAM istedenfor. 2. Uten virtuell hukommelse kan CPUen ikke nyttiggjøre seg all tilgjengelig cache. 3. Uten virtuell hukommelse kan ikke CPUen nyttiggjøre seg all tilgjengelig RAM. 4. Kontekst-bytte i operativsystemer er ikke mulig uten virtuell hukommelse. 5. Ingen av de øvrige alternativene er korrekte. Maskinkode Gitt følgende kodesekvens: Hva er verdien i register R3 etter denne kodesekvensen? 6h 1. 0x2 2. 0x5 3. 0x3 4. 0x7 5. Kan ikke bestemme innholdet i R3 etter kodesekvensen. Lett blanding 1. Linux kjører mer effektivt på en RISC-arkitektur enn på en CISCarkitektur. 2. Windows 98 kjører mer effektivt på en CISC-arkitektur enn på en RISC-arkitektur. 3. En av de viktigste oppgavene til en kompilator for en RISC-maskin er å redusere lengden på den eksekverbare maskinkoden. 4. En kompilator for en RISC-maskin er som regel mer komplisert enn en kompilator for en CISC-maskin. 5. RISC-maskiner har alltid høyere ytelse på samme klokkehastighet ennencisc-maskin.