Schaumont, Figure 9.1 - The hardware/software interface

la figura mostra uno schema dei costituenti di un'interfaccia hardware/software

la funzione dell'interfaccia hardware/software è connettere l'applicazione software al modulo hardware custom; questo obiettivo coinvolge cinque elementi:

Schaumont, Figure 9.2 - Synchronization point

sincronizzazione: l'interazione strutturata di due entità parallele, altrimenti indipendenti

• in figura 9.2, la sincronizzazione garantisce che il punto A nella sequenza di esecuzione del microprocessore è legato al punto B nel flusso del controllo del coprocessore

Schaumont, Figure 9.3 - Dimensions of the synchronization problem

tre dimensioni ortogonali del problema della sincronizzazione:

• tempo: granularità temporale delle interazioni
• dati: complessità strutturale dei dati trasferiti
• controllo: relazione tra i flussi di controllo locali

semaforo: una primitiva di sincronizzazione S per il controllo di accesso a una risorsa astratta condivisa, mediante le operazioni:

• P(S): prova l'accesso, attendi se S=0, altrimenti S←0
• V(S): rilascia la risorsa, S←1

Schaumont, Figure 9.4 - Synchronization with a single semaphore

int shared_data;
semaphore S1;

entity one {
  P(S1);
  while (1) {
    short_delay();
    shared_data = ...;
    V(S1);                 // synchronization point
  }
}

entity two {
  short_delay();
  while (1) {
    P(S1);                 // synchronization point
    received_data = shared_data;
  }
}

Schaumont, Listing 9.1 - One-way synchronization with a semaphore

punti di sincronizzazione: quando la prima entità esegue la V(S1), così sbloccando l'altra entità

• questo schema funziona nell'ipotesi che la seconda entità sia più veloce a leggere il dato di quanto lo sia la prima a scriverlo

si assuma invece il contrario, e.g. spostando la chiamata di funzione short_delay() dal ciclo while nella prima entità a quello nella seconda ...

• in generale, nello scenario produttore/consumatore, entrambe le entità possono dover attendere l'un l'altra

la situazione di ritardi variabili può essere gestita in uno schema con due semafori

• si usa S1 per sincronizzare la seconda entità e S2 per sincronizzare la prima

Schaumont, Figure 9.5 - Synchronization with two semaphores

int shared_data;
semaphore S1, S2;

entity one {
  P(S1);
  while (1) {
    variable_delay();
    shared_data = ...;
    V(S1);   // synchronization point 1
    P(S2);   // synchronization point 2
  }
}

entity two {
P(S2);
  while (1) {
    variable_delay();
    P(S1);   // synchronization point 1
    received_data = shared_data;
    V(S2);   // synchronization point 2
  }
}

Schaumont, Listing 9.2 - Two-way synchronization with two semaphores

la figura 9.5 illustra il caso in cui:

• alla prima sincronizzazione la prima entità è più veloce della seconda e si ha la sua sincronizzazione con il semaforo S2, laddove
• alla seconda sincronizzazione è più veloce la seconda entità e se ne ha la sincronizzazione con il semaforo S1

l'handshake: un protocollo di segnalazione basato su livelli di segnale

Schaumont, Figure 9.6 - One-way handshake

l'handshake unidirezionale ha lo stesso limite della sincronizzazione con un semaforo, la soluzione è:

Schaumont, Figure 9.7 - Two-way handshake

l'accelerazione del calcolo è spesso la motivazione per il progetto di hardware custom

• tuttavia, anche l'interfaccia hardware/software influenza la prestazione del sistema che ne risulta

occorre valutare anche i vincoli di comunicazione!

• e.g., si assuma che il modulo HW custom in fig. 9.8 richieda 5 cicli di clock per il calcolo del risultato, con un totale di 320 bit di trasferimento di dati per esecuzione: può tale sistema procedere a un tasso di 320/5 = 64 bit per ciclo?

Schaumont, Figure 9.8 - Communication constraints of a coprocessor

Schaumont, Figure 9.9 - Communication-constrained system vs. computation-constrained system

il numero di cicli di clock per esecuzione del modulo hardware custom sono correlati al suo hardware sharing factor (HSF) =_def   numero di cicli di clock tra eventi di I/O consecutivi

Schaumont, Table 9.1 - Hardware sharing factor

l'accoppiamento indica il livello di interazione tra flussi di esecuzione nel software e in hardware custom

• stretto = frequenti sincronizzazioni | scambi di dati
• lasco = il contrario

l'accoppiamento correla sincronizzazione e prestazione

Schaumont, Table 9.2 - Comparing a coprocessor interface with a memory-mapped interface

Schaumont, Figure 9.10 - Tight coupling versus loose coupling

esempio: differenza tra

• interfaccia di coprocessore: sta su una porta dedicata del processore
• interfaccia mappata in memoria: sta sul bus di memoria del processore

N.B.: un alto grado di parallelismo nell'insieme del progetto può essere più facile da ottenere con uno schema di accoppiamento lasco piuttosto che stretto