Interação com Sistema Operacional

Entrada e Saída

• O modelo anteriormente visto é muito simples e não permite que o processador interaja com o mundo externo.
• Para resolver esse desafio, existem duas opções de interfaces entre o processador e mundo externo:
  • Espaço de Endereçamento único
  • Espaço de Endereçamento separado

Espaço de Endereçamento Único

• O processador apenas enxerga um único espaço de endereçamento, que contém tanto a memória quanto os periféricos.
• As mesmas instruções podem acessar memória e periféricos (lwe sw)

Espaço de Endereçamento Separado

• O processador enxerga dois espaços de endereçamento distintos, um para memória e outro para periféricos.
• Existem instruções distintas para acessar cada um dos endereços:
  • lw e sw para memória
  • in e out para periféricos (caso do x86)

Prós e Contras

Espaço de Endereçamento Unificado

• Simplicidade na visão do sistema e nas rotinas de acesso externos
• Dificuldade de diferenciar código de entrada e saída de código de memória
• Utilização do mesmo mecanismo de proteção de memória para entrada e saída

Espaço de Endereçamento Separado

• Diferenciação clara entre código de entrada e saída e código de memória
• Necessidade de instruções distintas para acesso a memória e periféricos
• Necessidade de mecanismos de proteção de memória distintos para memória e periféricos

Como isso se expande para um processador atual?

Chamadas de Serviços do Sistema Operacional

• O Sistema Operacional é o responsável por gerenciar os periféricos e a memória
• Ele é responsável por garantir que os programas não acessem periféricos ou memória de forma indevida
  • Um programa/processo não pode ler a memória de outro
  • Um programa/processo não pode ler/escrever em um periférico diretamente sem a gestão do Sistema Operacional
• Para isso, o Sistema Operacional disponibiliza uma interface para que os programas possam requisitar serviços
  • Essa interface é chamada de Chamadas de Serviços do Sistema Operacional ou System Calls
  • Vocês já utilizaram as ecall do RISC-V nesse semestre

Padronizações e Convenções

• As chamadas de sistema podem variar conforme:
  • O Sistema Operacional utilizado
  • O simulador utilizado (as vezes segue um SO, outras cria regras próprias)
  • O grau de complexidade do ambiente simulado
• Nunca deixe de consultar os manuais/referências para saber como utilizar as chamadas de sistema

Exceções e Interrupções

• Eventos que podem causar a transferência da execução para outra parte do código, tipicamente para o Sistema Operacional

Exceções

• Causas internas ao core
• Divisão por zero, falha de página, etc

Interrupções

• Causas externas ao core
• Movimento do mouse, tecla digitada, dados prontos da rede ou disco

As rotinas de tratamento são similares, focaremos em interrupções

Como tratar uma interrupção?

Quais são as alternativas?

• O processador ou o seu programa pode ficar perguntando o status de cada periférico
  • Mecanismo similar ao que você fez ao ler do teclado
  • Custo de ficar testando o tempo inteiro enquanto poderia estar fazendo outra tarefa
• O periférico pode avisar o processador quando estiver pronto
  • Mecanismo de interrupção
  • O periférico avisa o processador quando estiver pronto
  • O processador interrompe o programa atual e executa uma rotina de tratamento de interrupção

Espera ocupada

• Também chamada de polling ou busy waiting
• Funciona quando há baixa transferência de dados e sabe-se de antemão que o periférico vai transferir dados.
  • Você fez isso ao ler do teclado
  • Não havia mais nada para seu programa fazer
  • Você sabia que o teclado iria enviar dados
  • Você ficou testando o teclado (ou chamando o sistema operacional) até que ele enviasse dados
• Funciona sempre na forma de um laço, onde o processador fica testando o periférico até que ele esteja pronto
• Útil para poucos dados
• Alternativa para volumes imensos de dados previsíveis

Interrupções

• O programa/sistema operacional configura o periférico para avisar quando um evento aconteceu
  • O usuário moveu o mouse
  • Uma tecla foi apertada
  • Chegou um pacote de rede
  • Um disco/ssd está pronto para transferir dados
• O periférico avisa o processador quando o evento acontece
• Uma rotina de tratamento de interrupção é executada
• O processador volta a executar o programa que estava sendo executado

Como interromper um processador

• Um sinal elétrico ou mensagem pelo barramento é enviado ao processador
• O processador interrompe a execução do programa atual
  • Salva o estado do programa atual (que estado?)
  • Executa uma rotina de tratamento de interrupção
  • Restaura o estado do programa atual
• Existem múltiplas formas de tratamento de interrupção
  • Vetor de interrupção
  • Vetor de rotinas de interrupção
  • Tratador único de interrupção

Vetor de Interrupção

• Cada interrupção tem um identificador numérico único
• O processador possui, em memória, um vetor com endereços das rotinas de tratamento de interrupção
• Ao receber uma interrupção, o processador consulta o vetor e salta para o endereço indicado
• O tratador de interrupção é responsável por identificar detalhes da causa e realizar o tratamento adequado
• Esse mecanismo tem a vantagem de ter rotinas simplificadas (específicas) de tratamento
• É possível colocar o mesmo tratador em múltiplas entradas do vetor

Vetor de Rotinas de Interrupção

• Ao invés de um vetor de endereços, tem-se um vetor de pequenas rotinas de tratamento
  • O tamanho máximo da rotina é definido. Ex.: 4 instruções
  • Para rotinas maiores, salta-se para outro lugar da memória
• O vetor de rotinas é indexado pelo identificador da interrupção
• Funciona de forma similar ao vetor de interrupção
• Quando não possuir tratador, a própria rotina retorna imediatamente

Tratador Único de Interrupção

• O processador possui um único tratador de interrupção
• O tratador é responsável por identificar a causa da interrupção e executar o tratamento adequado
• A causa é armazenada num registrador especial do processador que é consultado ao executar a rotina de tratamento
• Simplifica o processo de início do tratamento de interrupção mas exigte uma estrutura estilo switch para identificar a causa

Como salvar o estado de um processador quando acontece uma interrupção?

Salvando o estado do processador

• Todos os registradores de uso geral podem estar ocupados (x1 a x31)
• O processador precisa salvar o estado de todos eles
• O processador precisa salvar o endereço atual de execução (pc)
• Existem registradores extras para fazer a gestão de interrupções
  • Registrador de causa
  • Registrador de endereço de retorno
  • Registrador de reserva

Registradores de estado do processador

• Os registradores de estado do processador são chamados de CSR (Control Status Register)
  • csrr lê um registrador de status, csrw escreve um registrador de status e csrrw lê e escreve um registrador de status
  • mtvec é o registrador de endereço de tratamento de interrupção
  • mepc é o registrador que contém o pc do endereço da interrupção
  • mcause é o registrador que contém a causa da interrupção
  • mtval contém informações extras sobre a interrupção (depende da causa)
  • mscratch é um registrador de uso geral que pode ser usado para salvar o estado do processador (rascunho)

Uma rotina de tratamento de interrupção

• Inicia com o mepc, mcause e mtval com informações sobre a interrupção
• Salva algum registrador do processador em mscratch
• Utiliza esse registrador para apontar para uma posição segura de memória
• Salva os demais registradores nessa região de memória (inclusive o sp)
• Define uma nova pilha
• Executa a rotina de tratamento
• Retorna os registradores para seus valores originais
• Copia mtvec para pc

Integração de assembly com outras linguagens

• O assembly é uma linguagem de baixo nível
• É possível integrar código assembly com código de outras linguagens
• As convenções de chamadas de funções são as mesmas para assembly e outras linguagens
• Escreva seu código de forma bem comportada e ele pode ser integrado com outras linguagens

Exemplo

compilado com:

Convertido para assembly (hello.s)