Особенности pio и dma
В современных компьютерах используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача (PIO, Programmed Input-Output) и прямой доступ к памяти (DMA, Direct Memory Access).
Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора. Например, при пересылке блока данных из периферийного устройства в оперативную память процессор должен выполнить следующую последовательность шагов:
сформировать начальный адрес области обмена в оперативной памяти;
занести длину передаваемого массива данных в один из внутренних регистров, который будет играть роль счетчика;
выдать команду чтения информации с устройства; при этом на шину адреса от процессора выдается адрес устройства, на шину управления – сигнал чтения данных, а считанные данные заносятся во внутренний регистр процессора;
выдать команду записи информации в оперативную память; при этом на шину адреса от процессора выдается адрес ячейки оперативной памяти, на шину управления – сигнал записи данных в память, а на шину данных выставляются данные из регистра процессора, в который они были помещены при чтении с устройства;
модифицировать регистр, содержащий адрес оперативной памяти;
уменьшить счетчик длины массива на длину переданных данных;
если переданы не все данные, то повторить шаги 3-6, в противном случае закончить обмен.
Как видно, программно-управляемый обмен ведет к нерациональному использованию мощности микропроцессора, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой. При этом действия, связанные с обращением к оперативной памяти и к периферийному устройству, обычно требуют удлиненного цикла работы микропроцессора из-за их более медленной по сравнению с микропроцессором работы, что приводит к еще более существенным потерям производительности.
Альтернативой программно-управляемому обмену служит прямой доступ к памяти – способ быстродействующего подключения внешнего устройства, при котором оно обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора. Такой обмен происходит под управлением отдельного устройства – контроллера DMA (или КПДП).
Рис. 13. Обмен данными в режиме прямого доступа к памяти
Перед началом работы контроллер DMA необходимо инициализировать: занести начальный адрес области памяти, с которой производится обмен, и длину передаваемого массива данных. В дальнейшем по сигналу запроса прямого доступа контроллер фактически является посредником между устройством и памятью – выполняет все те действия, которые обеспечивал микропроцессор при программно-управляемой передаче.
Последовательность действий контроллера DMA при запросе на прямой доступ к памяти со стороны устройства ввода-вывода следующая:
Принять запрос на DMA (сигнал DRQ) от устройства.
Сформировать запрос к процессору на захват шин (сигнал HRQ).
Принять сигнал от процессора (HLDA), подтверждающий факт перевода микропроцессором своих шин в третье состояние.
Сформировать сигнал, сообщающий устройству ввода-вывода о начале выполнения циклов прямого доступа к памяти (DACK).
Сформировать на шине адреса компьютера адрес ячейки памяти, предназначенной для обмена.
Выработать сигналы, обеспечивающие управление обменом (IOR, MW для передачи данных из устройства в оперативную память и IOW, MR для передачи данных из оперативной памяти на устройство).
Уменьшить значение в счетчике данных на длину переданных данных.
Проверить условие окончания сеанса прямого доступа (обнуление счетчика данных, снятие сигнала запроса на DMA). Если условие окончания не выполнено, изменить адрес в регистре текущего адреса на длину переданных данных и повторить шаги 5-8.
Прямой доступ к памяти позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы и обмен данными между периферийным устройством и оперативной памятью.
Режим DMA для шины ISA.
DMA-контроллер шины ISA имеет 16 каналов DMA, из которых 7 могут использоваться процессором. Каждому каналу DMA присвоен 16-битный регистр адреса и 16-битный регистр счётчика. Для начала передачи данных на контроллере выставляются значения адреса в памяти и счётчика данных, а также действие (чтение/запись). Затем контроллер передает устройству сигнал начала процедуры передачи, по окончании которой посылает на процессор прерывание. Контроллер исполняет роль посредника при передаче.
Режим DMA для шины PCI.
В отличие от шины ISA, архитектура шины PCI не предусматривает отдельного контроллера DMA, и при этом любое устройство, подключённое к шине PCI, может послать запрос на получение статуса «мастера шины» (Bus Master) и возможности считывать/записывать значения в память напрямую.
Когда PCI-устройство запрашивает у контроллера шины данных полный доступ, контроллер (обычно это южный мост в системных платах) проверит возможность предоставления доступа (только одно устройство может иметь статус Bus Master). Когда устройство получает доступ, оно передает команды считывания/записи на шину PCI, а контроллер в свою очередь переводит поток данных на контроллер доступа к памяти.
PIO обычно используется в ЭВМ для операций ввода-вывода отдельных байт (слов), которые выполняются быстрее, чем при DMA, так как исключаются потери времени на инициализацию контроллера DMA, а в качестве основного способа осуществления операций ввода-вывода используют DMA. Например, в современных компьютерах обмен между накопителями на магнитных дисках и оперативной памятью происходит в режиме прямого доступа.
Организация ЭВМ на основе общей шины является сдерживающим фактором для повышения производительности компьютера. Следует отметить, что даже при использовании прямого доступа к памяти процессор полностью не освобождается от управления операциями ввода-вывода. Он обеспечивает инициализацию контроллера ПДП, а также взаимодействует с ним по некоторым управляющим линиям. Более того, во время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с оперативной памятью – блокированной.
Это существенно сказывается на эффективности работы ЭВМ, особенно в тех случаях, когда в вычислительной системе используется большое количество высокоскоростных внешних устройств. Для решения этой проблемы в состав высокопроизводительных компьютеров иногда включают специализированные процессоры ввода-вывода, способные полностью разгрузить основной процессор от управления операциями обмена с внешними устройствами.