Oppgave 1 Oversettelse (vekt 16%)

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i IN 147 Program- og maskinvare Eksamensdag: 31. mai 1999 Tid for eksamen: Oppgavesettet er på 8 sider. Vedlegg: Tillatte hjelpemidler: Ingen 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! Oppgaveoversikt 1 Oversettelse (vekt 16%) side 1 2 Implementasjon av D-flip-flop (vekt 16%) side 2 3 Tilpasning av kode (vekt 16%) side 3 4 Forbedret tekstbehandling i C (vekt 16%) side 4 5 TLB med plass til 2 oversettinger (vekt 18%) side 6 6 Parallell sortering (vekt 18%) side 7 Oppgave 1 Oversettelse (vekt 16%) I figur 1 på siden etter er vist funksjonen strxxx i MIPS assemblerkode. 1a Forståelse (vekt 8%) Hva gjør funksjonen strxxx? Hint Navnet strxxx indikerer at det har noe med tekster å gjøre. (Fortsettes på side 2.)

2 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 2 #include <regdef.h>.text.globl strxxx strxxx: move v0,zero move t1,a0 strx1: lbu t0,0(t1) beqz t0,strx3 bne t0,a1,strx2 move v0,t1 strx2: addi t1,t1,1 b strx1 strx3: jr ra Figur 1: Funksjonen strxxx Figur 2: En JK-flip-flop 1b Oversettelse til C (vekt 8%) Skriv funksjonen strxxx i C. Oppgave 2 Implementasjon av D-flip-flop (vekt 16%) Figur 2 viser en såkalt JK-flip-flop, der J,K og Clk er innganger, mens Q og Q er utganger. Forandringene på utgangen er knyttet til den fallende flanken på klokken Clk, altså når klokken går fra høy til lav. Sammenhengen mellom inngangene J og K og utgangen Q er vist i sannhetsverditabellen i tabell 1 på siden etter. Q(t) refererer til gjeldende verdi på utgangen, mens Q(t+1) sier hva utgangen blir etter første fallende flanke på Clk. 2a Ligninger (vekt 8%) Anta at du skal implementere en D-flip-flop ved hjelp av en JK-flip-flop. Skriv ned ligningene for inngangssignalene J og K til JK-flip-flop-en. (Fortsettes på side 3.)

3 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 3 J K Q(t) Q(t + 1) Tabell 1: Sannhetsverditabellen for en JK-flip-flop #include <regdef.h> entry: loop: adjust: exit: move move lw add addi addi bne add andi bne srl b srl sub jr v0,zero t0,zero t1,0(a0) v0,v0,t1 a0,a0,4 t0,t0,1 t0,a1,loop v0,v0,v0 t0,v0,0x2 t0,zero,adjust v0,v0,1 exit v0,v0,2 v0,v0,a2 ra Figur 3: Assemblerkode for en MIPS-maskin 2b Skjema (vekt 8%) Tegn skjema for en D-flip-flop basert på en JK-flip-flop og et nettverk av AND-, OR- og NOT-porter. Oppgave 3 Tilpasning av kode (vekt 16%) Figur 3 viser en sekvens med instruksjoner for en virtuell variant av MIPS-arkitekturen. Det vil si at koden ikke reflekterer at maskinen har «delayed load» og «delayed branch». (Fortsettes på side 4.)

4 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 4 #define TEXTDATASIZE 120 struct textstruct { struct textstruct *next; char data[textdatasize]; int nchars; }; typedef struct textstruct text; int textlen(text *t); void textadd(text *t, char c); char textget(text *t, unsigned int pos); void textdel(text *t, unsigned int pos); Figur 4: Definisjonsfilen text.h 3a Innsetting av nop-er (vekt 6%) Koden kan kjøres på den faktiske maskinen hvis nop-instruksjoner blir lagt inn på sentrale steder i koden. Vis hvor disse nop-instruksjonene skal plasseres. 3b Endringavkoden (vekt 10%) Mange kanskje alle nop-instruksjonene er overflødige i den forstand at de kan erstattes av andre instruksjoner i sekvensen uten at meningen med programmet blir forandret. Vis hvordan koden i figur 3 på siden foran kan tilpasses «delayed load» og «delayed branch» samtidig som det blir færrest mulig nop-instruksjoner. Oppgave 4 Forbedret tekstbehandling i C (vekt 16%) Det er flere svakheter ved tekstmekanismene i C, og vi skal prøve å lage noe bedre. Filen text.h med de aktuelle definisjonene er vist i figur 4. Tanken bak denne nye mekanismen er at teksten lagres i en liste av text-elementer slik det er illustrert i figur 5 på siden etter. En tekst splittes opp i deler på maksimalt TEXTDATASIZE tegn. Hver del lagres i feltet data i et element av typen text. Feltet next peker på neste textelement i listen, og nchars angir hvor mange tegn det for øyeblikket er i data. (Følgelig er det ingen 0-byte som avslutter teksten slik vi er vant til fra Cs måte å lagre tekster på.) Legg spesielt merke til at feltet data ikke behøver å være fullt, så både figur 5(a) og 5(b) viser lovlige representasjoner av teksten "abcd". (Fortsettes på side 5.)

5 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side "abcd" "abc" "d" (a) Én representasjon (b) En annen representasjon Figur 5: To representasjoner av teksten «abcd» som en liste av text-elementer Oppgaven går ut på å programmere fire operasjoner på slike tekster. Vi antar at ingen av disse funksjonene noensinne kalles med pekerverdien 0. 4a Funksjonen textlen (vekt 4%) Skriv funksjonen textlen som gir antall tegn i en tekst. 4b Funksjonen textadd (vekt 4%) Skriv funksjonen textadd som utvider en tekst med ett tegn. Om nødvendig må det settes inn et nytt text-element sist i listen. 4c Funksjonen textget (vekt 4%) Skriv funksjonen textget som henter et angitt tegn fra en tekst. (Tegnene i teksten nummereres fra 0 og oppover.) Hvis det oppgis en ulovlig posisjon, skal funksjonen skrive ut en feilmelding textget: Illegal position: nnnn og avslutte med status 8. 4d Funksjonen textdel (vekt 4%) Skriv funksjonen textdel som fjerner tegnet med angitt posisjon fra teksten. De etterfølgende tegn i samme text-element må da flyttes én posisjon, men de øvrige text-elementene blir ikke endret. Hvis det oppgis en ulovlig posisjon, skal funksjonen skrive ut en feilmelding textdel: Illegal position: nnnn og avslutte med status 9. (Fortsettes på side 6.)

6 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 6 Figur 6: Plassering av proc1, proc2 og data i det virtuelle adresserommet Oppgave 5 TLB med plass til 2 oversettinger (vekt 18%) Et program inneholder blant annet 2 prosedyrer, proc1 og proc2, som samarbeider om å behandle data. Disse delene får plass innenfor hver sin side («page»). Figur 6 viser hvordan disse delene av programmet er plassert i forhold til hverandre i prosessens virtuelle adresserom. 5a Hit og miss i TLB (vekt 4%) Forklar begrepene TLB-hit og TLB-miss. 5b Antall hit og miss (vekt 7%) Anta at proc1 inneholder en løkke som kaller proc2 10 ganger. Begge prosedyrene aksesserer data. Anta videre at TLB-en har plass til to elementer som beskriver oversettinger fra virtuell til fysisk adresse. Utskifting av disse elementene («replacement») er basert på Least Recently Used («LRU»). Hvor mange TLB-hit og TLB-miss oppstår hvis TLB-en i utgangspunktet ikke inneholder gyldige oversettinger? 5c Fordeling av hit og miss (vekt 7%) Anta at det er plass til både proc1 og proc2 på samme side («page») i hukommelsen. Hvordan blir i så fall fordelingen av hit og miss i TLB-en? (Fortsettes på side 7.)

7 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 7 0 N-1 P P work P counter a Figur 7: Et opplegg for parallell sortering Oppgave 6 Parallell sortering (vekt 18%) Sorteringsteknikken quicksort opererer på følgende måte for å sortere en vektor a[n],...,a[m]: 1. Flytt om på elementene i vektoren a[n],...,a[m] slik at de havner i to deler: a[n],...,a[i] a[i+1],...,a[m] inneholder alle de «små» elementene inneholder alle de «store» elementene (I denne oppgaven er vi ikke interessert i hvorledes dette gjøres.) 2. Bruk quicksort til å sortere de to delene hver for seg. Det fine med quicksort er at den er så lett å parallellisere. Etter oppdelingen kan hver del sorteres uavhengig av den andre. Vi ønsker å skrive en parallell implementasjon av quicksort. Vårt opplegg er illustrert i figur 7. I det felles lageret a ligger selve vektoren med Nelementer som skal sorteres, og i counter (som også ligger i felles lager) ligger en teller som angir hvor mange elementer i vektoren som er ferdig sortert. I felleslageret work ligger en buffer med «oppdrag» som er angivelser av usorterte deler av vektoren; alle oppdrag er lagret som to tall som angir vektorintervallet. Initielt ligger kun oppdraget 0 N-1 i work. Alle arbeidsprosessene P jobber etter følgende algoritme: 1. Sjekk om det er flere oppdrag, dvs om counter<n. Hvis det ikke er flere oppdrag, avslutt prosessen. 2. Hent et oppdrag fra work. Det kan hende det er nødvendig å vente. (Fortsettes på side 8.)

8 Eksamen i IN 147, 31. mai 1999 Side 8 3. Hvis intervallet kun er på ett vektorelement, er det allerede ferdig sortert. Øk counter med 1 og gå til punkt Hvis intervallet er på mer enn ett element, splitt det i to deler slik det er beskrevet ovenfor. Legg de to nye delene inn i work. (Det kan hende det er nødvendig å vente litt før det blir ledig plass.) Gå til punkt 1. 6a Semaforer (vekt 14%) Skriv koden for en prosess P når det brukes felles lager til dataoverføringen og semaforer til synkroniseringen. Det er nok å skrive «kvasikode» hvor man for eksempel kan angi semaphore s1 = 4; p = delt lager(sizeof(xxx)) up(s1); Splitt a[n..m] i a[n..i] og a[i+1..m]. Det viktigste er synkroniseringen. 6b Beskyttelse av vektor (vekt 2%) Må tilgangen til a beskyttes som en kritisk region? Grunngi svaret. 6c Beskyttelse av teller (vekt 2%) Hvis prosessene P oppdaterer det lille felles lageret counter følgende måte: på (*counter)++; er det da nødvendig å beskytte adgangen til counter som en kritisk region? Hint Hvilken MIPS-kode vil en C-kompilator generere for setningen (*counter)++?