Прямой доступ к памяти

Модульность.

Средства современной вычислительной техники проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов, которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя вычислительную машину).

Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, которыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ, точнее, в блоках управления ПУ (УПУ).

Унифицированный интерфейс, т. е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т. п.

Унификация распространяется на семейство (ряд, систему) моделей ЭВМ.
Для обеспечения параллельной во времени работы ПУ с выполнением программы обработки данных процессором схемы управления вводом-выводом отделяют от процессора и придают им достаточную степень автономности.

Многие функции управления операциями ввода-вывода, как, например, управление прямым доступом к памяти, являются общими, они не зависят от типа ПУ. Другие являются специфичными для данного типа устройств.

Выполнение общих функций возлагают на общие для групп периферийного оборудования унифицированные устройства - контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры (каналы) ввода-вывода, а специфических - на специализированные для данного типа ПУ электронные блоки управления (УПУ), часто называемые адаптерами.

В системах ввода-вывода ЭВМ используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти (ПДП).

Программно-управляемая передача данных (рис. 8.1, а) осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора, который при этом выполняет специальную подпрограмму ввода-вывода. Данные между памятью и периферийным устройством пересылаются через процессор. Операция ввода-вывода инициируется текущей командой программы или запросом прерывания от периферийного устройства.

Рис. 8.1, Способы организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: а - программно-управляемая передача; б - прямой доступ к памяти при наличии отдельной шины в памяти для ПДП; в - прямой доступ к памяти при использовании процессором и ПДП одной шины дли связи с памятью.

При программно-управляемой передаче данных процессор на все время этой операции отвлекается от выполнения основной программы решения задачи. Операция пересылки данных логически, слишком проста, чтобы эффективно загружать логически сложную быстродействующую аппаратуру процессора. В результате при использовании программно-управляемой передачи данных снижается производительность вычислительной машины.
Вместе с тем при пересылке, блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) выполнять, довольно много команд, чтобы обеспечить буферизацию данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п. В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных даже через высокопроизводительный процессор не превышает 0,02 —0,05 Мбайт/с, что недостаточно для работы с высокоскоростными периферийными устройствами (например, с ЗУ на дисках и барабанах, с аналого-цифровыми преобразователями и т. п.), и может оказаться вообще неприемлемой для систем управления, работающих в реальном времени. Между тем потенциально возможная максимальная скорость обмена данными при вводе-выводе определяется пропускной способностью памяти, которая, например, при цикле памяти 0,5 мкс составляет 2b Мбайт/с, где b - ширина выборки, измеряемая числом байт, одновременно записываемых (считываемых) в памяти.

Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процессора от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти.

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий автономно от процессора установление связи и передачу данных между ОП и ПУ (рис. 8.1,б и в).

Прямой доступ к памяти освобождает процессор или микропроцессор от управления операциями ввода-вывода, позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором (микропроцессором) программы с обменом данными между периферийным устройством и ОП, производить этот обмен со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью ОП или ПУ. Таким образом, ПДП, разгружая процессор (микропроцессор) от обслуживания операций ввода-вывода, способствует возрастанию общей производительности ЭВМ или микро ЭВМ. Повышение предельной скорости ввода-вывода информации делает машину более приспособленной для работы в системах реального времени. Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП, который выполняет следующие функции:

- управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОП и ПУ;

- задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче;

- формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче;

- подсчет числа единиц данных (байт, слов), передаваемых от ПУ в ОП или обратно, и определение момента завершения заданной операции ввода-вывода.

Указанные функции реализуются контроллером ПДП обычно с помощью одного или нескольких буферных регистров РгБ, регистра—счетчика текущего адреса данных РгТАД и счетчика текущих данных ТСчД (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Структурная схема контроллера прямого доступа к памяти.

При инициировании операции ввода-вывода в ТСчД заносится размер подлежащего передаче блока (число байт или слов), а в РгТАД - начальный адрес области памяти, используемого при передаче. При передаче каждого байта содержимое РгТАД увеличивается на 1, при этом формируется адрес очередной ячейки ОП, участвующей в передаче. Одновременно уменьшается на 1 содержимое ТСчД. Обнуление ТСчД указывает на завершение передачи. Контролер ПДП обычно имеет более высокий приоритет доступа к памяти по сравнению с процессором. Управление памятью переходит к контроллеру ПДП, как только завершится цикл ее работы, выполняемый для текущей команды процессора.

Прямой доступ к памяти обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет того, что управление обменом производится не программным путем, а аппаратурными средствами. В крупных и средних ЭВМ ПДП является основным способом осуществления операций ввода-вывода. Некоторые микро-ЭВМ имеют программно-управляемый обмен данными при вводе-выводе. Однако при необходимости имеется возможность добавления в состав микро-ЭВМ корпуса микросхемы контроллера ПДП. В таком случае программно-управляемый обмен сохраняют для операций ввода-вывода отдельных байт (слов), которые выполняются быстрее, чем при ПДП, так как исключаются потери времени на программно-управляемую установку начальных состояний регистров и счетчиков контроллера ПДП.

Дата добавления: 2014-01-07