Ввод-вывод с использованием прямого доступа к памяти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

по дисциплине 

Разработка  системного  
программного обеспечения

 

на тему

«Ввод-вывод  с использованием

прямого доступа  к памяти.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург, 2013

 

 

Содержание:

 

1.Организация  ввода/вывода в микропроцессорной  системе

 

2.Организация  прямого доступа к памяти

 

3.Каналы  прямого доступа к памяти

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Организация ввода/вывода в микропроцессорной системе

 

Вводом/выводом (ВВ) называется передача данных между ядром ЭВМ, включающим в себя микропроцессор и основную память, и внешними устройствами (ВУ). Это единственное средство взаимодействия ЭВМ с "внешним миром", и архитектура ВВ (режимы работы, форматы команд, особенности прерываний, скорость обмена и др.) непосредственно влияет на эффективность всей системы. За время эволюции ЭВМ подсистема ВВ претерпела наибольшие изменения благодаря расширению сферы применения ЭВМ и появлению новых внешних устройств. Особенно важную роль средства ВВ играют в управляющих ЭВМ. Разработка аппаратных средств и программного обеспечения ВВ является наиболее сложным этапом проектирования новых систем на базе ЭВМ, а возможности ВВ серийных машин представляют собой один из важных параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.

Подключение внешних устройств к системной  шине осуществляется посредством электронных  схем, называемых контроллерами ВВ (интерфейсами ВВ). Они согласуют уровни электрических сигналов, а также преобразуют машинные данные в формат, необходимый устройству, и наоборот. Обычно контроллеры ВВ конструктивно оформляются вместе с процессором в виде интерфейсных плат.

В процессе ввода/вывода передается информация двух видов: управляющие данные (слова) и  собственно данные, или данные-сообщения. Управляющие данные от процессора, называемые также командными словами  или приказами, инициируют действия, не связанные непосредственно с  передачей данных, например запуск устройства, запрещение прерываний и  т.п. Управляющие данные от внешних  устройств называются словами состояния; они содержат информацию об определенных признаках, например о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.п. Состояние обычно представляется в декодированной форме - один бит для каждого признака.

Регистр, содержащий группу бит, к которой процессор  обращается в операциях ВВ, образует порт ВВ. Таким образом, наиболее общая программная модель внешнего устройства, которое может выполнять ввод и вывод, содержит четыре регистра ВВ: регистр выходных данных (выходной порт), регистр входных данных (входной порт), регистр управления и регистр состояния(рис.1) . Каждый из этих регистров должен иметь однозначный адрес, который идентифицируется дешифратором адреса. В зависимости от особенностей устройства общая модель конкретизируется, например, отдельные регистры состояния и управления объединяются в один регистр, в устройстве ввода (вывода) имеется только регистр входных (выходных) данных, для ввода и вывода используется двунаправленный порт.

Рис.1. Программная модель внешнего устройства

 

Непосредственные  действия, связанные с вводом/выводом, реализуются одним из двух способов, различающихся адресацией регистров  ВВ.

Интерфейс с  изолированными шинами характеризуется  раздельной адресацией памяти и внешних  устройств при обмене информацией. Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ввода/вывода, общий формат которых показан на рис.2. При выполнении команды ввода IN содержимое адресуемого входного регистра PORT передается во внутренний регистр REG процессора, а при выполнении команды OUT содержимое регистра REG передается в выходной порт PORT. В процессоре могут быть и другие команды, относящиеся к ВВ и связанные с проверкой и модификацией содержимого регистра управления и состояния.

 

Рис. 2. Команды  ввода/вывода  (общий формат)

 

Нетрудно  заметить, что в этом способе адресное пространство портов ввода и вывода изолировано от адресного пространства памяти, т.е. в ЭВМ один и тот  же адрес могут иметь порт ВВ и ячейка памяти. Разделение адресных пространств осуществляется с помощью управляющих сигналов, относящихся к системам ВВ и памяти (MEMRD# - считывание данных из памяти, MEMWR# - запись данных в память, IORD# - чтение порта ВВ, IOWR# - запись в порт ВВ) (# - активный низкий уровень сигналов).

В ЭВМ, рассчитанной на изолированный ВВ, нетрудно перейти к ВВ, отображенному на память.

В операционных системах ЭВМ имеется набор подпрограмм (драйверов ВВ), управляющих операциями ВВ стандартных внешних устройств. Благодаря им пользователь может не знать многих особенностей ВУ и интерфейсов ВВ, а применять четкие программные протоколы.

 

2.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 или в специальном контроллере, который называется контроллером прямого доступа к памяти, или в контроллере самого ВУ.

Обмен данными  в режиме ПДП позволяет использовать в микроЭВМ быстродействующие внешние запоминающие устройства, такие, например, как накопители на жестких магнитных дисках, поскольку ПДП может обеспечить время обмена одним байтом данных между памятью и ВЗУ, равное циклу обращения к памяти.

Для реализации режима прямого доступа к памяти 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 основной памятью. 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 к памяти 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 обращается к системному интерфейсу. При использовании других процессоров для выделения таких циклов необходимо применение в контроллерах ПДП специальных селектирующих схем, что 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.

     Более 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 на 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 прерываний.

     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  байт (слов)  информации.  Следовательно, контроллер  ПДП должен  обязательно иметь в своем составе регистр адреса и счетчик байт (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 в режиме ПДП. В этом случае содержимое  регистра  адреса и счетчика  байт 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. 3

 

Рис.3 Контроллер ПДП для ввода данных из ВУ в режиме "Захват цикла" и отключением процессора от шин системного интерфейса

 

Перед началом очередного сеанса ввода данных из ВУ процессор загружает в регистры его контроллера следующую информацию: в счетчик байт - количество принимаемых   байт 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 байт 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 байт и регистра адреса. По каждому сигналу ППДП из содержимого счетчика байт 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, выполняемой 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 подготовку ВУ к обмену. Такая подготовка может сводиться, например, к перемещению головок на требуемую дорожку в накопителе на жестком диске. 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.

Наиболее  распространенным является обмен в режиме прямого доступа к памяти с блокировкой процессора. Он 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 используется в тех случаях, когда время обмена одним байтом с ВУ сопоставимо с циклом системной шины.

В микро ЭВМ 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.

 

 

3.Каналы прямого доступа к  памяти

 

 

Контроллер прямого доступа к памяти DMA ( англ. Direct Memory Access ) имеет несколько каналов. Каждому периферийному устройству, работающему в режиме прямого доступа к памяти выделяется канал с определенным номером. Устройство может послать контроллеру запрос обмена — DRQx и получить разрешение обмена — DACKx#. На шине управления устанавливается сигнал записи или чтения данных при работе внешнего устройства с памятью. Для передачи данных используется шина данных (рис.4.). При операциях с прямым доступом к памяти по каналу DMA адрес порта указывать не требуется, посылаемые сигналы идентифицируются по номеру канала. Временная диаграмма цикла передачи данных из внешнего устройства в память будет выглядеть следующим образом:

Рис.4. Схема обмена сигналами управления для передачи данных в режиме DMA

Получив запрос DRQx ( х - номер канала DMA, выделенного устройству), контроллер DMA запрашивает управление шиной и ждет разрешения от процессора. Процессор прерывает выполнение текущей программы, программирует контроллер прямого доступа на определенный режим передачи данных и посылает сигнал разрешения прямого доступа к памяти. Контроллер выставляет адрес ячейки памяти и формирует сигналы DACKx# и WR#. Сигнал DACKx# указывает на то, что операция выполняется для канала х, WR# определяет режим записи данных, при чтении устанавливается сигнал чтения RD). Контроллер передавая данные модифицирует счетчик адреса и осуществляет передачу одного слова за другим. Контроллер повторяет эти шаги для каждого следующего сигнала DRQx, пока не будет исчерпан счетчик циклов. В последнем цикле обмена контроллер формирует общий сигнал окончания ТС (TerminateCount), который может быть использован для формирования сигнала аппаратного прерывания. При работе в режиме прямого доступа к памяти контроллер DMA выполняет следующие функции:

принимает запрос на прямой доступ к  памяти от внешнего устройства;

формирует запрос процессору на захват системной шины;

принимает сигнал, подтверждающий переход  процессора в состояние захвата  шины внешним устройством (перехода в состояние, при котором процессор  отключается от системной шины);

формирует сигнал, сообщающий внешнему устройству о начале выполнения циклов прямого доступа к памяти;

выдает на шину адреса системной  шины адрес ячейки оперативной памяти, предназначенной для обмена;

вырабатывает сигналы, обеспечивающие управление обменом данными;

по окончании цикла прямого  доступа к памяти контроллер снимает  сигнал запроса, процессор снова  становится хозяином системной шины.

Каждый канал контроллера прямого  доступа к памяти состоит из 5-ти регистров, четырех 16-разрядных регистров (рис.6) и одного 6-ти разрядного:

регистра текущего адреса (CAR);

регистра циклов прямого доступа  к памяти (CWR);

регистра хранения базового адреса блока памяти (BAR);

регистра хранения базового числа  циклов прямого доступа к памяти (WCR);

6-разрядного регистра режима (MR).

 

Рис.5. Каскадное включение контроллеров DMA

Регистр текущего адреса хранит текущий  адрес ячейки памяти при выполнении цикла прямого доступа к памяти. После выполнения каждого цикла  передачи данных содержимое этого регистра уменьшается на единицу. То есть при  выполнении циклов регистр работает в режиме вычитающего счетчика. В  режиме инициализации содержимое регистра текущего адреса принимает базовый  адрес из регистра хранения базового адреса, а в счетчик циклов загружается  базовое число циклов передачи данных. Для организации прямого доступа  в память в компьютерах IBM PC/XT использовалась одна 4-канальная микросхема DMA 18237, канал 0 которой был предназначен для  регенерации динамической памяти (сейчас регенерацию осуществляет внутреннее устройство управления микросхемы памяти). Каналы 2 и 3 служат для управления передачей  данных между дисководами гибких дисков, а также винчестером и  оперативной памятью соответственно. Свободным оставался только канал DMA 1. Канал DMA 1 обычно используется звуковыми  картами. Один канал DMA может использоваться различными устройствами, но не одновременно. IBM PC/AT -совместимые компьютеры имеют  уже 7 каналов прямого доступа  к памяти. Как и для контроллеров прерываний, увеличение числа каналов было достигнуто путем каскадного включения двух микросхем i8237, интегрированных в микросхему контроллера периферии (южный мост); канал 0 DMA2 используется для подключения каналов контроллера DMA1 (рис. 5) .Каналы первого контроллера по-прежнему используются как 8-ми разрядные, каналы второго контроллера используются для передачи 16-ти разрядных данных в одном цикле обмена данными. Рассмотрим устройство контроллера DMA (рис. 6)

Рис.6. Структурная схема контроллера DMA

Структура одного канала показана на примере канала 0. В каждом канале регистры BAR и WCR предназначены для  хранения констант - базового адреса и  базового числа циклов. Они загружаются  в режиме программирования контроллера  одновременно с регистрами CAR (базовый  адрес памяти) и CWR ( текущий адрес памяти). Регистр режима MR определяет режим работы канала. Он содержит информацию о типе цикла прямого доступа (чтение (ОП <- ВУ), запись (ОП -> ВУ), проверка), режиме изменения регистра текущего адреса (CAR) - увеличение или уменьшение и режиме работы канала - передача по запросу, одиночная передача, блочная передача, каскадирование (работа каскадной схемы контроллера DMA). Блок управления режимом содержит регистр команд и регистр условий. Регистр команд блока управления режимом определяет основные параметры работы канала. Загружается при программировании контроллера микропроцессором. Регистр условий хранит разрешение на прямой доступ каждому каналу (устанавливается программно) и запоминает факт перехода через 0 в регистре хранения базового числа циклов каждого канала. Контроллер DMA может работать в двух основных режимах: в режиме программирования и режиме выполнения циклов прямого доступа к памяти. В режиме программирования процессор работает с контроллером прямого доступа к памяти, как с внешним устройством. После загрузки в контроллер DMA управляющих слов контроллер переходит в пассивное состояние. В этом состоянии контроллер находится до тех пор, пока не поступит запрос на прямой доступ к памяти от внешнего устройства или от процессора. Обнаружив запрос на прямой доступ к памяти, контроллер выставляет процессору запрос на захват системной магистрали и ожидает от него подтверждения захвата шины, т.е. отключения процессора от системной шины и перехода его выходов в состояние высокого сопротивления ( Z-состояние). При получении сигнала подтверждения захвата (HLDA) контроллер начинает выполнять циклы передачи данных в режиме прямого доступа к памяти. Необходимые для управления шиной сигналы вырабатываются самим контроллером DMA. Контроллер DMA можно рассматривать как устройство, являющееся главным абонентом системной шины. С введением шины PCI изменился принцип организации работы внешних устройств с памятью в режиме DMA. На шине PCI отсутствуют сигналы DREQx и DACKx, здесь применяется технология захвата управления шиной внешним устройством (Bus Mastering - BM). Технология захвата управления шиной (busmastering) совместима с протоколом режима UDMA и реализует работу в режиме DMA ( передачу данных из памяти в устройство напрямую или наоборот, минуя процессор) для каждого устройства, которое может быть главным абонентом системной шины. Концепция главного абонента шины делает прямой доступ к памяти излишним. Дополнительно установленная схема главного абонента шины на адаптере внешнего устройства позволяет осуществлять прямой доступ к памяти каждому такому устройству. Адаптер главного абонента шины может вырабатывать все сигналы управления шиной сам и, следовательно, имеет возможность обращаться к области адресов памяти и ввода-вывода любым необходимым способом. Использование внешнего главного абонента шины обеспечивает большую гибкость и эффективность, чем работа с контроллером DMA, но требует более сложных арбитражных операций. Это ведет к существенному увеличению сложности и стоимости устройства, работающего в режиме управления шиной. Можно, конечно, рассматривать устройство управления шиной, расположенное на адаптере внешнего устройства, как форму контроллера DMA, который организует быстрый обмен данными между основной памятью и адаптером. DMA: именно та  технология, которая помогает компьютеру воспроизводить музыку, выводить изображение на экран, записывать информацию на жесткий диск, и при этом оказывать на центральный процессор просто мизерную нагрузку.