Übung 09: Uhren

In dieser Übung sollen:

1. Präzise Uhren mit hoher Auflösung im Basekernel implementiert werden, und
2. das System Call Interface für Nutzerprogramme erweitert werden um diese neue Funktion nach außen sichtbar zu machen.

Benötigt wird die aktuelle Version des Basekernel OS:

http://git.edu-9.de/sbosse/basekernel

Folgende Dateien aus dem Kernel sind für diese Übung relevant:

kernel/clock.c
kernel/clock.h
kernel/kshell.c
kernel/kshell.h
kernel/syscall_handler.c
kernel/syscall_handler.h
include/kernel/syscall.h
include/kernel/config.h

Motivation: Die bisherige Zeitmessung (wie in vielen Betriebssystemen( basiert auf einer künstlichen diskreten Zeiteint, dem Tick (oder hier Click). Dieser wird von einem Hardwaregerät (Timer) periodisch ausgelöst und ruft einen Interrupthandler im Kernel auf:

#define CLICKS_PER_SECOND 20
static void clock_interrupt(int i, int code)
{
	clicks++;
	process_wakeup_all(&queue);
	if(clicks >= CLICKS_PER_SECOND) {
		clicks = 0;
		seconds++;
		process_preempt();
	}
}

• Der Timer löst hier alle 1/20s=50ms aus und erhöht die clicks und seconds Variablen. D.h. die Zeitauflösung ist 50 ms.

Weiter Informationen zum PIT und dessen Programmierung findet sich hier: https://wiki.osdev.org/Programmable_Interval_Timer

Erweiterung des Kernels mit einer Mikrosekundenuhr

• Der Zeitzähler kann mittels der unsigned long read_pit_counter() Funktion ausgelesen werden.

• Der Zählerwert wird immer dekrementiert. Wenn der Zähler 0 erreicht wird ein Interrupt ausgelöst und der Zähler beginnt mit einem neuen Startwert neu zu zählen:

#define TIMER_FREQ	  1193182
#define TIMER_COUNT	  (((unsigned)TIMER_FREQ)/CLICKS_PER_SECOND)
static unsigned long read_pit_counter(void);

Aufgabe 1. Erweitere die clock.c Datei mit einer neuen Funktion unsigned long clock_micros() und trage die Funktionsdeklaration in clock.h ein. Diese muss neben den clicks und seconds Variablen den aktullen Zählerwert mit unsigned long counter=read_pit_counter() auslesen. Aber zunächst überlege die Berechnung der aktuellen Mikrosekundenzeit aus diesen drei Variablen plus den obigen Definitionen TIMER_COUNT und CLICKS_PER_SECOND. Füge die Gleichung in das Eingabefeld ein und nachfolgend den Code für die neue Funktion.

dW5zaWduZWQgbG9uZyBjbG9ja19taWNyb3MoKSB7CiAgdW5zaWduZWQgbG9uZyBjb3VudGVyPXJlYWRfcGl0X2NvdW50ZXIoKTsKICByZXR1cm4gKChjbGlja3MqMTAwMDAwMCkvQ0xJQ0tTX1BFUl9TRUNPTkQpKwogICAgICAgICAoc2Vjb25kcyoxMDAwMDAwKSsKICAgICAgICAgKFRJTUVSX0NPVU5ULWNvdW50ZXIpKjEwMDAwMDAvQ0xJQ0tTX1BFUl9TRUNPTkQvVElNRVJfQ09VTlQ7Cn0=

Erweiterung der Kernel Shell

Aufgabe 2. Jetzt soll diese Funktion über die Kernel Shell als neue Funktion micros zugänglich gemacht werden, die bei Aufruf den aktuellen Wert auf dem Standardausgabekanal ausgibt (mittels printf). Dazu muss die Datei kshell.c bearbeitet werden und (wie in einer früheren Übung) und ein Eintrag in kshell_execute für den micros Befehl hinzugeügt werden. Teste die Funktion über die Konsole (entweder die native Kernelkonsole oder über die serielle Schnittstelle des VMM). Trage die Änderungen in kshell.c unten ein.

ZWxzZSBpZighc3RyY21wKGNtZCwibWljcm9zIikpIHsKICAgcHJpbnRmKCIldSB1c1xuIixjbG9ja19taWNyb3MoKSk7Cn0=

Erweiterung der Kernel Syscall API

Aufgabe 3. Jetzt wollen wir die Schnittstelle von Nutzerprogrammen zum Kernel mit einer micros() Funktion erweitern.

Wie benötigen folgende Dateien im Kernelcode:

kernel/syscall_handler.c
kernel/syscall_handler.h
include/kernel/syscall.h

Was ist ingesamt zu tun damit Nutzerprogramme die neue clock_micros Funktion nutzen können?

1. Erweiterung Kernel Syscall API
2. Erweiterung der Standard-C Bilbliothek
3. Test in einem Nutzerprogramm

Aufgabe 4. Erweitere zunächst die Header Datei kernel/syscall.h und füge eine neue Syscall ID SYSCALL_MICROS (am Ende der Enumeration einfügen). Dann füge eine neue Syscall Handler Funtion int syscall_micros() in kernel/syscall_handler.c ein, sowie dort auch eine Erweiterung in der switch-Anweisung in der syscall_handler() Funktion (am Ende einfügen). Wichtig: Alle Syscall Handler Funktionen geben int als Datentyp zurück, d.h. die Mikrosekundenzeit muss nach int umgewandelt werden (proforma).

Kompiliere den Kernel und teste ihn noch einmal. Noch können wir aber die erweiterte Syscall Schnittstelle nicht in Nutzerprogrammen verwenden.

dHlwZWRlZiBlbnVtIHsKICAuLi4KICBTWVNDQUxMX0RFVklDRV9EUklWRVJfU1RBVFMsCiAgU1lTQ0FMTF9NSUNST1MsCglNQVhfU1lTQ0FMTAkJLy8gbXVzdCBiZSB0aGUgbGFzdCBlbGVtZW50IGluIHRoZSBlbnVtCn0gc3lzY2FsbF90OwoKaW50IHN5c2NhbGxfbWljcm9zKCkgewogIHJldHVybiAoaW50KWNsb2NrX21pY3JvcygpOwp9

Erwiterung der Standard-C Bibliothek

Für die Standard-C Bibliothek müssen folgende Dateien geändert werden:

include/library/syscalls.h
library/syscalls.c
library/stdlib.h
library/stdlib.c

Wir werden den Wrapper für die Syscall Funktion dann in einer neuen Standard Funktion unsigned long micros() nutzen und die Typwandlung von int nach unsigned long durchführen..

Aufgabe 5. Erweitere zunächst die Header Datei library/syscalls.h und füge eine neue Syscall Wrapper Funktion syscall_micros hinzu. Dann füge eine neue Syscall Handler Funktion int syscall_micros() in library/syscallc.c ein.

aW50IHN5c2NhbGxfbWljcm9zKCk7CmludCBzeXNjYWxsX21pY3JvcygpewogIHJldHVybiBzeXNjYWxsKFNZU0NBTExfTUlDUk9TLCAwLCAwLCAwLCAwLCAwKTsKfTs=

Jetzt muss noch die Standardbibliothek erweitert werden.

Aufgabe 6. Erweitere die Header Datei library/stdlib.h und füge eine neue Funktion unsigned long micros() hinzu. Dann füge die neue Funktion unsigned long micros() in library/stdlib.c ein.

dW5zaWduZWQgbG9uZyBtaWNyb3MoKTsKdW5zaWduZWQgbG9uZyBtaWNyb3MoKSB7CiAgcmV0dXJuICh1bnNpZ25lZCBsb25nKXN5c2NhbGxfbWljcm9zKCk7Cn0=

Test

Schließlich soll die neue Funktion in dem bereits vorhandenen Programm sysstat eingebaut werden (ist schon enthalten):

Aufgabe 7. Kompiliere alles und teste in der VM. Um das Nutzerprogramm sysstat ausführen zu können muss das Dateisystem mit automount eingebunden werden. Dann kann mittels run bin/sysstat.exe das modifizierte Programm ausgeführt werden. Welche Aufrufzeiten hat der Syscall durchschnittlich (siehe Ausgabe des Delta Wertes in der printf Anweisung) in der WebVM86? Ist eine "Auflösung" erkennbar, d.h. gibt es bei wiederholter Ausführungen nur bestimmte Messwerte oder schwanken diese?