10.12. Прямой доступ в память

Встречаются ситуации, когда данные должны быть переданы от устройства или в устройство очень быстро. Классическим примером является быстрое устройство массовой памяти, например диск или магнитная лента, а также такие приложения, связанные со сбором данных в реальном времени, как многоканальный амплитудный анализ. Программная передача каждого отсчета, инициируемая по прерыванию, в таком случае будет неудобной и, возможно, слишком медленной. Например, данные считываются с гибкого диска с высокой плотностью записи со скоростью около 500 Кбит/с или 1 байт каждые . Если соблюдать все описанные этапы обработки запроса на прерывание, данные почти наверняка будут пропущены, даже если гибкий диск будет единственным источником прерываний в компьютере; с несколькими подобными устройствами ситуация становится безнадежной. Еще хуже дело обстоит с жестким диском, для которого типичное время, затрачиваемое на передачу байта, составляет , что полностью исчерпывает возможности программируемого ввода-вывода. Такие устройства, как диски и магнитные ленты (не говоря уж об упомянутых сигналах и данных в реальном масштабе времени), не могут остановиться на полпути так, что требуется метод, обеспечивающий возможно более быструю реакцию и высокую общую скорость передачи данных. Даже для внешних устройств с низкой средней скоростью передачи данных может требоваться малое время реакции, т.е. время от начального запроса до собственно передачи данных.

Решением этих проблем является прямой доступ в память (ПДП), метод непосредственной связи внешнего устройства с памятью. В некоторых микрокомпьютерах (в том числе и IBM PC) такая связь фактически поддерживается аппаратным устройством (архитектурой ЦП), но не это главное. Важным моментом является то, что при передаче данных отсутствует программирование; байты передаются между памятью и внешним устройством по магистрали, без участия программы. Единственным влиянием на программу является некоторое замедление ее работы, поскольку режим ПДП «захватывает» такты магистрали, которые в противном случае могли бы быть использованы для доступа к памяти при выполнении программы. Аппаратная реализация интерфейса, поддерживающего режим ПДП, сложна, не следует без необходимости использовать этот режим. Однако полезно знать потенциальные возможности, поэтому мы вкратце опишем, что необходимо для построения интерфейса, поддерживающего режим ПДП. Как и в случае с прерываниями, конструкторы IBM PC упростили протокол ПДП; основную работу выполняет контролллер ПДП, расположенный на системной плате, что делает протокол ПДП сравнительно простым. Однако интерфейсы, поддерживающие режим ПДП, обычно оказываются машинно-зависимыми и сложными.

Сначала мы поясним функционирование более употребительного метода ПДП с управлением сигнала магистрали, а затем - упрощенный протокол ПДП для .

Типовой протокол ПДП.

При пересылках данных в режиме ПДП внешние устройства получают доступ к магистрали с помощью специализированных линий «запроса магистрали» (которые также, как -линии, имеют приоритеты), являющихся составной частью магистрали. Центральный процессор разрешает и ПДП и отдает управление адресами, данными и строб-сигналами. Затем внешнее устройство выставляет адреса памяти на магистраль и либо передает, либо принимает данные побайтно, синхронизуясь с устанавливаемыми им же строб-сигналами; другими словами, внешнее устройство «захватывает» магистраль и работает как ЦП, непосредственно пересылая данные. Устройство, которое в режиме ПДП управляет магистралью, отвечает за вычисление адресов (как правило, непрерывную область адресов, вырабатываемых с помощью двоичного счетчика) и подсчет количества переданных байтов. Обычно для этого достаточно иметь счетчик байтов и адресный счетчик в составе интерфейса.

Эти счетчики первоначально загружаются на ЦП, посредством программируемого ввода-вывода, для того, чтобы предустановить требуемые параметры передачи данных в режиме ПДП. По команде ЦП (посредством записи управляющего бита с помощью программируемого ввода-вывода) интерфейс формирует требование ПДП и начинает пересылать данные. Интерфейс может освобождать магистраль в промежутки времени между передачей байтов (позволяя тем самым ЦП «урвать» время и выполнить несколько команд), или он может вести себя более эгоистично, захватывая магистраль на все время передачи блока данных. После того, как все данные переданы, интерфейс освобождает магистраль до следующего раза и сообщает программе о том, что все закончено, устанавливая бит состояния и вырабатывая прерывание, после чего ЦП может решить, что делать дальше.

Загрузка данных или программ с диска - наиболее общий пример передачи данных в режиме ПДП. Выполняемая программа запрашивает какие-нибудь файлы по именам; операционная система (подробнее-чуть позже) преобразует эти имена в команды программируемого вывода данных для управляющего (или командного) регистра интерфейса диска, регистра счетчика байтов и адресного регистра (описывая с какого места на диске, и сколько байтов надо считать, и в какую область памяти их поместить). Затем интерфейс диска отыщет необходимую область на диске, сформирует запрос ПДП и начинает передавать блоки данных в заданную область памяти. Когда это будет выполнено, интерфейс установит определенные биты в регистре состояния для того, чтобы обозначить завершение работы и затем инициирует прерывание. Центральный процессор, который тем временем выполняет другие команды (или, возможно, как раз ожидает данных с диска), «откликается» на прерывание, по содержимому регистра состояния интерфейса диска определяет, что данные находятся в памяти и затем переходит к выполнению следующих команд. Таким образом, программируемый ввод-вывод (простейший вариант ввода-вывода) был использован для инициализации режима ПДП, собственно ПДП (перехватывающий у ЦП циклы магистрали) был использован для быстрой передачи данных, а прерывание было использовано для того, чтобы дать знать компьютеру о том, что передача выполнена. Такого рода иерархия ввода-вывода - исключительно частый прием, особенно для устройств массовой памяти; максимальная скорость передачи данных по типовой микрокомпьютерной магистрали в режиме ПДП может составлять от 1 до . слов в секунду.

ПДП в IBM PC.

Компьютер IBM PC, который в общем-то прост, поддерживает упрощенный протокол ПДП. На системной плате установлен контроллер ПДП (Intel 8237) со встроенными адресным и байтовым счетчиками, а также дополнительными логическими схемами для блокировки ЦП и перехвата управления мигистралью.

Таким образом, внешнее устройство, которое хочет выполнить ПДП, не должно вырабатывать адреса и управлять магистралью. Вместо этого он сигнализирует контроллеру с помощью одной из трех линий запроса ПДП; контроллер откликается по соответствующей линии (подтверждение ПДП). Затем контроллер управляет передачей данных, формируя адрес и соответствующие строб-сигналы, синхронно с формированием внешним устройством данных для передачи в память (или синхронно с приемом данных из памяти). Во всем этом процессе память не замечает ничего необычного, поскольку генерация адресов и строб-сигналов управления памятью (MEMW или MEMR), которая обычно поддерживается ЦП, в данном случае поддерживается контроллером 8237 и, если ПДП сопровождает передачу данных в память, данные формируются внешним устройством. С другой стороны внешние устройства «знают» все особенности того, как надо формировать запрос ПДП (и что делать при получении подтверждения посредством сигнала DACK); таким образом, когда контроллер ПДП выставляет сигнал IOR (или IOW), внешнее устройство вырабатывает (или принимает) соответствующие байты. Вы можете удивиться, как это такой простодушный, сторонний наблюдатель, как внешнее устройство, не запутается во время ПДП, когда выставлены и строб-сигналы ввода-вывода, и адреса, причем эти адреса являются адресами в памяти, установление которых сопровождается строб-сигналами управления памятью MEMW или MEMR, генерируемыми контроллером; эти адреса не имеют никакого отношения к портам ввода-вывода. Секрет здесь заключается в нашем старом знакомом - сигнале AEN, который добавлен к магистрали специально только для решения подобных проблем. Уровень сигнала AEN во время передачи данных в режиме ПДП устанавливается высоким, и функции разрешения адресации всех портов ввода-вывода должны вычисляться как логическое произведение с низким уровнем сигнала AEN для того, чтобы предотвратить ложную реакцию при адресации памяти в режиме ПДП.

Даже при использовании отдельной микросхемы контроллера вам все еще надо задать начальный адрес, количество байтов и направление передачи данных для грядущего режима ПДП. Эти параметры заносятся в контроллер 8237, который обязан иметь набор регистров, куда из ЦП (с помощью программируемого ввода-вывода) можно записать соответствующие значения. Настройка ПДП осуществляется весьма просто (см. книгу Эггбрехта для более детального ознакомления), если не считать того, что, как и у большинства микросхем БИС, здесь также имеется ошеломляющее разнообразие выбора различных режимов работы (посимвольная передача, поблочная передача и т. п.). К счастью IBM PC достаточно примитивна и позволяет вам использовать только режим посимвольной передачи, при котором каждый запрос DRQ сопровождается передачей лишь одного байта. Если вы настаиваете на передаче целого блока данных, поддерживая сигнал DRQ в высоком состоянии, контроллер 8237 освобождает магистраль на один цикл ЦП между циклами ПДП; это позволяет компьютеру сохранять работоспособность даже в том случае, когда у вас такое «прожорливое» внешнее устройство, что оно старается «заграбастать» магистраль полностью. Стандартная PC обладает довольно скромными возможностями режима ПДП - около на передаваемый байт. По сравнению с количеством прерываний количество каналов ПДП в IBM PC меньше. Для шины ввода-вывода доступны три канала уже задействован на внутренние нужды - для регенерации динамической памяти): DRQ1 используется жестким диском, а -гибким. На все остальное остается DRQ3.