В качестве источников для этого вопроса использовалась синяя библия (стр. 189-192).
Организация прямого доступа к памяти. Контроллер ПДП
Что такое ПДП и зачем он нужен
Прямой доступ к памяти (ПДП / DMA - Direct Memory Access) — это аппаратный режим обмена данными, при котором внешнее устройство (ВУ) читает или пишет информацию в оперативную память напрямую, без какого-либо участия центрального процессора.
Этот режим критически необходим по двум причинам:
- Высокая скорость ВУ: Современные накопители (в книге приводятся в пример жесткие магнитные диски) передают данные с такой огромной скоростью, что процессор физически не успевал бы обрабатывать каждый байт в программно-управляемом режиме (цикл программы просто дольше, чем время прихода нового байта).
- Разгрузка процессора: Процессор освобождается от рутинного перекладывания байтов из порта в память и может заниматься полезными вычислениями.
Управляет этим процессом специализированная микросхема — Контроллер ПДП.
Режимы разделения системной шины
Поскольку процессор и контроллер ПДП “сидят” на одной и той же системной шине (адреса, данных и управления), они не могут пользоваться ею одновременно. Контроллер ПДП должен отбирать шину у процессора. Есть два основных способа:
- ПДП с блокировкой процессора (Блочный обмен) Контроллер запрашивает доступ, процессор отключается от шины, и контроллер ПДП “монополизирует” её на всё время передачи целого блока данных (сотен или тысяч байт). Процессор в это время полностью простаивает.
- ПДП с «захватом цикла» (Cycle Stealing) Самый распространенный и эффективный способ. Контроллер ПДП принудительно отключает процессор от шины (переводя его выходы в состояние высокого напряжения) только на время передачи одного байта или слова. Процессор “замирает” буквально на один такт, пропускает байт ПДП в память, а затем сразу продолжает свою работу, пока ВУ готовит следующий байт.
Контроллер ПДП приёма данных из ВУ на примере захвата цикла
В контроллере ПДП обязательно присутствуют минимум два аппаратных узла:
- Счетчик байтов: хранит размер передаваемого блока.
- Регистр адреса (AR): хранит текущий адрес ОЗУ, куда нужно записать (или откуда считать) данные.
Порядок обмена:
- Инициализация (Подготовка): Программная часть. Процессор с помощью обычных команд вывода записывает в контроллер ПДП начальный адрес памяти и количество байт (размер блока). После этого процессор уходит выполнять свои задачи.
- Запрос от ВУ: Внешнее устройство передает байт в регистр данных контроллера ПДП.
- Захват шины: Логика контроллера генерирует на системную шину аппаратный сигнал ТПДП («Требование прямого доступа к памяти»). Процессор доделывает текущую микрооперацию, отключается от шин и в ответ выдает сигнал ППДП («Предоставление ПДП»).
- Передача данных: Получив контроль, контроллер ПДП выставляет свой Регистр адреса на шину адреса, выставляет данные на шину данных и дёргает линию «Запись» (или «Чтение») памяти. Байт улетает напрямую в ОЗУ.
- Аппаратное обновление: В самом контроллере аппаратно (без процессора) Регистр адреса увеличивается на
+1, а Счетчик байтов уменьшается на-1. - Освобождение: Контроллер снимает сигнал ТПДП, возвращая управление шиной процессору.
- Конец блока: Шаги 2–6 повторяются для каждого байта, пока Счетчик байтов не станет равен
0. Когда это происходит, контроллер ПДП генерирует обычное прерывание, сообщая процессору: “Блок успешно загружен в память”.
Рис. 1: Схема работы контроллера ПДП в режиме захвата цикла
Логика работы вентилей «И», «И1» и «И2» на схеме контроллера ПДП
Эти элементы аппаратно координируют действия автомата контроллера ПДП [рис. 8.16]:
- «И1» (Запрос): Объединяет сигнал готовности ВУ («Ввод данных») и внутренний статус активности. Если ВУ прислало байт, а счётчик не равен нулю, выдаёт на шину сигнал «Требование ПДП».
- «И2» (Исполнение): Срабатывает только тогда, когда процессор дал доступ («Предоставление ПДП») И контроллер готов. Этот импульс одновременно:
- открывает приёмопередатчики для выгрузки данных на шину («Чтение РД»)
- увеличивает адрес в РА на
+1- уменьшает счётчик на
-1.- «И» в самом низу (Детектор нуля): Постоянно следит за битами счётчика байтов. Как только все биты обнуляются (блок данных передан полностью), элемент И срабатывает через инверсию, прекращая генерацию требований ПДП и сигнализируя процессору о завершении обмена.