Tietokoneen toiminta, Ks2004, LH 4

Tee tehtävät yksi kerrallaan haluamassasi järjestyksessä. Tarvittaessa pyydä apua paikalla olevilta ohjaajilta. Halutessasi voit tehdä tehtäviä pienessä ryhmässä, mutta kaikkien tulee silti kirjoittaa omat vastauksensa ja tehdä omat ohjelmansa omalla koneellaan. Saatuasi valmiiksi jonkun tehtävän (joukon tehtäviä), voit pyytää ohjaajaa tarkistamaan suorituksesi. 

Ennen pois lähtöäsi varmista vielä, että ohjaajat ovat kirjanneet kaikki tekemäsi tehtävät. Harjoitustehtäviä voi toki tehdä vielä kotonakin, mutta kurssin läpipääsyyn ja arvosanaan vaikuttavat vain harjoitustilanteessa kirjatut tehtävät. Kurssin suoritus edellyttää aktiivisuutta myös harjoitustehtävien suhteen.

1. Hamming koodi.
   1. Näytä, miten virheenkorjaava Hamming koodi havaitsee ja korjaa virheen kun 7-bittisessä datassa "011 0100" kolmas bitti vasemmalta lukien muuttuu virheelliseksi dataksi "010 0100".
      Näissä 7 bitissä on mukana sekä varsinainen data että tarkistusbitit.
   2. Montako piuhaa (johdinta, bittiä) tarvitaan 32-bittisen data-väylän turvaamiseksi virheenkorjaavaa Hamming-koodia käyttäen?
      (Haluamme siis pystyä kerralla siirtämään 32 bittiä todellista dataa tarkistusbittien lisäksi)
   3. Miksi Hamming-koodin käyttö ei ole hyvä ratkaisu paikallisverkkojen tiedonsiirron turvaamiseen?
      
      
2. Prosessi.
   1. Mitä tapahtuu, jos Ready-to-Run jono on tyhjä?
   2. Voiko samasta ohjelmasta olla monta prosessia yhtä aikaa Ready-to-Run jonossa? Miten tai miksi ei?
   3. Kumpi kestää kauemmin, aliohjelman kutsu vai prosessin vaihto? Miksi?
   4. Kuuluuko välimuistin sisältö prosessin suoritinympäristöön vai ei? Miksi?
   5. Kuuluvatko MAR ja MBR prosessin suoritinympäristöön vai ei? Miksi
      
      
3. Oletetaan, että TTK-91 -koneelle on tehty käyttöjärjestelmä. Käyttöjärjestelmään kuuluu yhtenä osa-alueena prosessien hallinta. Oletetaan, että kellolaitekeskeytyksen takia ollaan päädytty tilanteeseen, jossa suoritusvuorossa olevaa prosessia vaihdetaan.
1. Miten ja mihin aikaisemmin suorituksessa olleen prosessin tiedot talletetaan? Mitkä tiedot täytyy ottaa talteen?
2. Miten ja mistä uuden prosessin tiedot saadaan suorittimelle? Mistä käskystä uuden prosessin suoritus alkaa? Miten suoritusvuoro vaihtuu uudelle prosessille?
3. Mikä on suorittimen tila (käyttäjä, etuoikeutettu) alkaen juuri ennen kellolaitekeskeytyshetkeä siihen asti kun uuden prosessin ensimmäisen käsky suoritetaan?
   
   
4. Useimmissa arkkitehtuureissa on sisäänrakennettu "herätyskello", joka aiheuttaa kellolaitekeskeytyksen esimerkiksi joka 10 ms.
   1. Anna esimerkkejä siitä, mihin kaikkeen tällaista herätyskelloa voisi käyttää?
   2. Keksitkö hyviä esimerkkejä siitä, miksi tällainen keskeytystyyppi olisi välttämätön?
   3. Mitä haittaa tämän tyyppisestä keskeytyksestä voi olla?
   4. Olisiko siitä hyötyä, jos "herätyskelloja" olisi useita, esimerkiksi yksi joka 10 ms ja toinen joka 100 ms?
       
      
5. [2 htp] Jump table. Pitkät valintalauseet (switch-lauseet) voivat hidastaa ohjelman suoritusta huomattavasti, jos usein suoritettavassa silmukassa joka kerta valitaan yksi kerrallaan oikea case-tapaus esimerkiksi 60 eri mahdollisuuden joukosta. Tähän menee keskimäärin 30 vertailua ja kuhunkin vertailuun ainakin 2 konekäskyä!

   Jos valinta-arvot ovat kokonaislukuarvoisia, nollasta alkavia ja muodostavat (liki) yhtenäisen arvoalueen, niin usean if-then-else -vertailun asemesta voidaan käyttää hyppytaulua (jump table). Hyppytaulun avulla päästää oikeaan case-tapaukseen aina suoraan muutamalla konekäskyllä. Hyppytaulu sisältää monta hyppykäskyä (yksi per case-tapaus), joista valintamuuttujan perusteella valitaan indeksoitua osoitusmoodia käyttäen oikea hyppykäsky. Esimerkiksi, jos rekisteri R3 sisältää valinta-arvon ja hyppytaulun osoite on JTBL, niin oikeaan case-tapaukseen (siihen liittyvään hyppykäskyyn) päästään konekäskyn "JUMP JTBL(R3)" avulla.

   1. Anna (Titokoneessa suorituskelpoinen) ttk-91 esimerkki hyppytaulun käytöstä, kun case-tapauksia on 10.
   2. Miten em. valintalause toteutetaan, jos hyppytaulussa onkin hyppykäskyjen asemesta ainoastaan case-tapausten osoitteet? Anna toteutus samalle esimerkille kuin kohdassa (a).
   3. Milloin toteutustapa (a) on parempi kuin (b)? Miksi?
   4. Milloin toteutustapa (b) on parempi kuin (a)? Miksi?
   5. Jos kukin case-tapaus vaatii 10 konekäskyä ja case-tapauksia on 60, niin kuinka paljon (%) hyppytaulun käyttö nopettaa valintalauseen suoritusta (verrattuna usean peräkkäisen vertailun toteutukseen)? Eroavatko em. toteutustavat (kohdat a ja b) tässä suhteessa? Käytä nopeusmittana suoritettujen käskyjen lukumäärää.