Организация прямого доступа к памяти

Одним из способов обмена данными с ВУ является обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). В этом режиме обмен данными между ВУ и основной памятью микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа, выполняемая процессором, а электронные схемы, внешние по отношению к процессору. Обычно схемы, управляющие обменом в режиме ПДП, размещаются в специальном контроллере, который называется контроллером прямого доступа к памяти.

Необходимость реализации в микроЭВМ обмена данными в режиме ПДП вызывается двумя основными факторами. Во-первых, при использовании режима ПДП появляется возможность начальной загрузки программ в основную память микроЭВМ из устройства ввода. Во-вторых, что и является наиболее важным, режим ПДП обеспечивает возможность использования в микроЭВМ быстродействующих внешних запоминающих устройств, таких как накопители на магнитных лентах (НМЛ) и магнитных дисках (НМД).

Это связано с тем, что обмен данными с ВЗУ (НМД, НМЛ) производится блоками фиксированного размера от 128 байт и более. Причем обмен должен осуществляться в строгой последовательности, соответствующей расположению информации на магнитном носителе, без каких-либо пропусков. Пропуск хотя бы одного байта вызывает необходимость в повторном обмене. При этом время, отводимое на обмен одним байтом данных, жестко ограничивается скоростью перемещения магнитного носителя относительно магнитных головок и не превышает, как правило, нескольких микросекунд. Обеспечить обмен блоком данных с ВЗУ с помощью программно-управляемого обмена не представляется возможным, так как на обмен каждым байтом затрачивается несколько команд процессора, суммарное время выполнения которых в современных микроЭВМ превышает максимально допустимое время на обмен одним байтом с ВЗУ. Такой обмен обеспечивается прямым доступом в память микроЭВМ, при котором время на обмен одним байтом данных между памятью и ВЗУ равно циклу памяти.

Для реализации режима прямого доступа в память необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и памяти микроЭВМ. Для этой цели можно было бы использовать специально выделенные шины адреса и данных, связывающие контроллер ПДП с памятью микроЭВМ. Но такое решение нельзя признать оптимальным, так как это приведет к значительному усложнению микроЭВМ в целом, особенно при подключении нескольких ВЗУ. В целях сокращения количества линий в шинах микроЭВМ контроллер ПДП подключается к памяти посредством шин адреса и данных системного интерфейса. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП. Можно выделить два основных способа ее решения: реализация обмена в режиме ПДП с «захватом цикла» и в режиме ПДП с блокировкой процессора.

Существуют две разновидности прямого доступа в память с «захватом цикла». Наиболее простой способ организации ПДП состоит в том, что для обмена используются те машинные циклы процессора, в которых он не обменивается данными с памятью. В такие циклы контроллер ПДП может обмениваться данными с памятью, не мешая работе процессора. Однако возникает необходимость выделения таких циклов, чтобы не произошло временного перекрытия обмена ПДП с операциями обмена, инициируемыми процессором. В некоторых процессорах формируется специальный управляющий сигнал, указывающий циклы, в которых процессор не использует память. При использовании других процессоров для выделения таких циклов необходимо применение в контроллерах ПДП специальных селектирующих схем, что, конечно же, усложняет их конструкцию. Применение рассмотренного способа организации ПДП не снижает производительности микроЭВМ, но при этом обмен в режиме ПДП возможен только в случайные моменты времени одиночными байтами или словами.

Наиболее распространенным является ПДП с «захватом цикла» и принудительным отключением процессора от шин системного интерфейса. Для реализации такого режима ПДП системный интерфейс микроЭВМ дополняется двумя линиями для передачи управляющих сигналов «Требование прямого доступа к памяти» (ТПДП) и «Предоставление прямого доступа к памяти» (ППДП)

Управляющий сигнал ТПДП формируется контроллером прямого доступа к памяти. Процессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение очередной команды, не дожидаясь ее завершения, выдает в системный интерфейс управляющий сигнал ППДП и отключается от шин системного интерфейса. С этого момента все шины системного интерфейса управляются контроллером ПДП. Контроллер ПДП, используя шины системного интерфейса, осуществляет обмен одним байтом или словом данных с памятью микроЭВМ и затем, сняв сигнал ТПДП, возвращает управление системным интерфейсом процессору. Как только контроллер ПДП будет готов к обмену следующим байтом, он вновь «захватывает» цикл процессора и т. д. В промежутках между сигналами ТПДП процессор продолжает выполнять команды программы. Тем самым выполнение программы замедляется, но в меньшей степени, чем при обмене в режиме прерывания.

Применение в микроЭВМ обмена данными с ВУ в режиме ПДП всегда требует предварительной подготовки, а именно: для каждого ВУ необходимо выделить область памяти, используемую при обмене, и указать ее размер, т. е. количество записываемых в память или читаемых из памяти байтов (слов) информации. Следовательно, контроллер ПДП должен обязательно иметь в своем составе регистр адреса и счетчик байтов (слов). Перед началом обмена с ВУ в режиме ПДП процессор должен выполнить программу загрузки. Эта программа обеспечивает запись в указанные регистры контроллера ПДП начального адреса выделенной ВУ памяти и ее размера в байтах или словах в зависимости от того, какими порциями информации ведется обмен. Сказанное не относится к начальной загрузке программ в память микроЭВМ в режиме ПДП. В этом случае содержимое регистра адреса и счетчика байтов слов устанавливается переключателями или перемычками непосредственно на плате контроллера.

Блок-схема простого контроллера ПДП, обеспечивающего ввод данных в память микроЭВМ по инициативе ВУ в режиме ПДП «Захват цикла», приведена на рис. 2.15.

Рис. 2. 15. Контроллер ПДП для ввода данных из ВУ в режиме
«Захват цикла»

Перед началом очередного сеанса ввода данных из ВУ процессор загружает в регистры его контроллера следующую информацию: в счетчик байтов — количество принимаемых байтов данных, а в регистр адреса — начальный адрес области памяти для вводимых данных. Тем самым контроллер подготавливается к выполнению операции ввода данных из ВУ в память микроЭВМ в режиме ПДП.

Байты данных из ВУ поступают в регистр данных контроллера в постоянном темпе. При этом каждый байт сопровождается управляющим сигналом из ВУ «Ввод данных», который обеспечивает запись байта данных в регистр данных контроллера. По этому же сигналу и при ненулевом состоянии счетчика байтов контроллер формирует сигнал ТПДП. По ответному сигналу процессора ППДП контроллер выставляет на шины адреса и данных системного интерфейса содержимое своих регистров адреса и данных соответственно. Формируя управляющий сигнал «Вывод», контроллер ПДП обеспечивает запись байта данных из своего регистра данных в память микроЭВМ. Сигнал ППДП используется в контроллере и для модификации счетчика байтов и регистра адреса. По каждому сигналу ППДП из содержимого счетчика байтов вычитается единица, и как только содержимое счетчика станет равно нулю, контроллер прекратит формирование сигналов «Требование прямого доступа к памяти».

На примере простого контроллера ПДП мы рассмотрели только процесс подготовки контроллера и непосредственно передачу данных в режиме ПДП. На практике любой сеанс обмена данными с ВУ в режиме ПДП всегда инициируется программой, реализуемой процессором, и включает два следующих этапа.

1. На этапе подготовки ВУ к очередному сеансу обмена процессор в режиме программно-управляемого обмена опрашивает состояние ВУ (проверяет его готовность к обмену) и посылает в ВУ команды, обеспечивающие его подготовку к обмену. Такая подготовка может сводиться, например, к перемотке магнитной ленты в НМЛ или перемещению головок на требуемую дорожку в НМД. Затем выполняется загрузка регистров контроллера ПДП. На этом подготовка к обмену в режиме ПДП завершается, и процессор переключается на выполнение другой программы.

2. Обмен данными в режиме ПДП начинается после завершения подготовительных операций в ВУ по инициативе либо ВУ, как это было рассмотрено выше, либо процессора. В этом случае контроллер ПДП необходимо дополнить регистром состояния и управления, содержимое которого будет определять режим работы контроллера ПДП. Один из разрядов этого регистра будет инициировать обмен данными с ВУ. Загрузка информации в регистр состояния и управления контроллера ПДП производится программным путем.

Прямой доступ в память с блокировкой процессора отличается от ПДП с «захватом цикла» тем, что управление системным интерфейсом передается контроллеру ПДП не на время обмена одним байтом, а на время обмена блоком данных. Такой режим ПДП необходим в тех случаях, когда время обмена одним байтом с ВУ сопоставимо с циклом процессора. В этом случае процессор не успевает выполнить хотя бы одну команду между очередными операциями обмена в режиме ПДП.

В микроЭВМ можно использовать несколько ВУ, работающих в режиме ПДП. Предоставление таким ВУ шин системного интерфейса для обмена данными производится на приоритетной основе. Приоритеты ВУ реализуются так же, как и при обмене данными в режиме прерывания, но вместо управляющих сигналов «Требование прерывания» и «Предоставление прерывания» используются сигналы «Требование прямого доступа» и «Предоставление прямого доступа» соответственно.

Дата добавления: 2014-01-06