Jak działa kontroler DMA?

Z sekcji 5.1.4 Bezpośredni dostęp do pamięci we współczesnych systemach operacyjnych Andrew S. Tanenbaum, Herbert Bos, 2014 ,

Aby uprościć wyjaśnienie, zakładamy, że procesor uzyskuje dostęp do wszystkich urządzeń i pamięci za pośrednictwem jednej magistrali systemowej, która łączy procesor, pamięć i urządzenia we / wy, jak pokazano na ryc. 5-4.

1. Aby wyjaśnić, jak działa DMA, przyjrzyjmy się najpierw, jak odczytywane są dyski, gdy DMA nie jest używane.

   • Najpierw kontroler dysku odczytuje blok (jeden lub więcej sektorów) z dysku szeregowo, krok po kroku, aż cały blok znajdzie się w wewnętrznym buforze kontrolera.
   • Następnie oblicza sumę kontrolną, aby sprawdzić, czy nie wystąpiły błędy odczytu. Następnie sterownik powoduje przerwanie. Kiedy system operacyjny zaczyna działać, może odczytywać blok dysku z bufora kontrolera bajt lub słowo na raz, wykonując pętlę, przy czym każda iteracja odczytuje jeden bajt lub słowo z rejestru urządzenia kontrolującego i zapisuje je w pamięci głównej.

   P: w drugim kroku

   • czy dane nie są przesyłane „ z bufora kontrolera ” do pamięci głównej? Dlaczego mówi zarówno „ z bufora kontrolera ”, jak i „ z rejestru urządzenia kontrolera ”?

   • w drugim etapie, czy kontroler może przesyłać dane ze swojego bufora do pamięci głównej bez przerywania procesora i bez ponownego angażowania systemu operacyjnego?

2. Gdy używany jest DMA, procedura jest inna.

   • Najpierw CPU programuje kontroler DMA, ustawiając swoje rejestry, aby wiedział, gdzie przesłać (krok 1 na ryc. 5-4).
     Wysyła także polecenie do kontrolera dysku, nakazując mu odczyt danych z dysku do bufora wewnętrznego i sprawdzenie sumy kontrolnej.
   • Gdy prawidłowe dane znajdują się w buforze kontrolera dysku, można rozpocząć DMA. Kontroler DMA inicjuje transfer, wysyłając żądanie odczytu przez magistralę do kontrolera dysku (krok 2). To żądanie odczytu wygląda jak każde inne żądanie odczytu, a kontroler dysku nie wie (lub obchodzi), czy pochodzi z procesora, czy z kontrolera DMA. Zazwyczaj adres pamięci do zapisu znajduje się w liniach adresowych magistrali, więc gdy kontroler dysku pobierze następne słowo z bufora wewnętrznego, wie, gdzie je zapisać. Zapis do pamięci to kolejny standardowy cykl magistrali (krok 3).
   • Po zakończeniu zapisu kontroler dysku wysyła sygnał potwierdzenia do kontrolera DMA, również przez magistralę (krok 4). Następnie kontroler DMA zwiększa adres pamięci, aby go użyć, i zmniejsza liczbę bajtów. Jeśli liczba bajtów jest nadal większa niż 0, kroki od 2 do 4 są powtarzane, aż liczba osiągnie 0.
   • W tym czasie kontroler DMA przerywa procesor, aby poinformować go o zakończeniu przesyłania. Podczas uruchamiania systemu operacyjnego nie musi kopiować bloku dysku do pamięci; już tam jest.

   P: w drugim kroku kontroler DMA żąda od kontrolera dysku przesłania danych z bufora kontrolera dysku do pamięci głównej. W pierwszym kroku CPU wydaje polecenie kontrolerowi dysku, nakazując mu odczyt danych z dysku do bufora wewnętrznego. W tym samym czasie, czy CPU może również nakazać kontrolerowi dysku, aby przesłał dane z bufora kontrolera dysku do pamięci głównej, gdy kontroler dysku zakończy przesyłanie danych z dysku do bufora kontrolera dysku, aby nie było potrzeby Kontroler DMA mówi kontrolerowi dysku, aby przesłał dane z bufora kontrolera dysku do pamięci głównej? (Nie rozumiem, dlaczego potrzebujemy kontrolera DMA do przesyłania danych między dyskiem a pamięcią główną, więc zgadnij, że brakuje mi czegoś ważnego, aby zrozumieć cytat).

3. Kontroler urządzenia steruje urządzeniem i wykonuje operacje na urządzeniu. Na jakim urządzeniu kontroluje kontroler DMA i wykonuje operacje?

Dzięki!

Pytanie 1

W pierwszym kroku NIE używamy DMA, więc procesor odczytuje zawartość kontrolera dysku kawałek po kawałku. Procesor oczywiście (zakładając, że dane zostaną faktycznie wykorzystane do czegoś, a nie tylko wyrzucone) zapisze je w pamięci systemu.

Bufor w tym przypadku jest fragmentem pamięci na samym dysku twardym (kontrolerze), a urządzenie kontrolne rejestruje rejestr kontrolny samego dysku twardego (kontrolera).

Brak udziału systemu operacyjnego (lub innego oprogramowania) wymagałby pewnego rodzaju operacji DMA, a sekcja tekstu, którą omawiasz w tej części pytania, NIE używa DMA. Więc nie, tak się nie stanie w tym przypadku.

Q2

Tak więc cały sens kontrolera DMA polega na „wykonywaniu żmudnego zadania przechowywania rzeczy z wewnętrznego bufora urządzenia do pamięci głównej”. CPU będzie współpracował zarówno z kontrolerem DMA, jak i urządzeniem dyskowym. Gdyby dysk mógł to zrobić sam, kontroler DMA nie byłby potrzebny.

I rzeczywiście, w nowoczesnych systemach funkcja DMA jest zwykle wbudowana w sam kontroler dysku twardego, w tym sensie, że kontroler ma możliwości „master bus”, co oznacza, że ​​sam kontroler jest kontrolerem DMA dla urządzenia. Jednak spojrzenie na nie jako na dwa osobne urządzenia sprawia, że ​​cała koncepcja DMA jest nieco trudniejsza do zrozumienia.

Q3 (rodzaj)

Jeśli myślisz o dysku twardym jako stosie cegieł właśnie dostarczonych na plac budowy, a procesorem jest murarz, który kładzie cegły na budowę domu. Kontroler DMA jest robotnikiem, który przenosi cegły ze stosu cegieł tam, gdzie są potrzebne dla murarza, co oznacza, że ​​murarz może skoncentrować się na wykonywaniu rzeczywistej pracy układania cegieł (co jest pracą wykwalifikowaną, jeśli kiedykolwiek próbowałeś samemu), a proste zadanie „przynieś i przenieś” może wykonać mniej wykwalifikowany pracownik.

Niepotwierdzone dowody: kiedy po raz pierwszy dowiedziałem się o przeniesieniu DMA z dysku do pamięci, było to około 1997 r., Kiedy kontrolery IDE zaczęły korzystać z DMA, i trzeba było uzyskać sterownik „kontrolera IDE płyty głównej”, aby umożliwić IDE wykonanie DMA, i wtedy , odczyt z dysku twardego zajmie około 6-10% czasu procesora, podczas gdy DMA w tej samej konfiguracji zużyje około 1% czasu procesora. Wcześniej tylko wymyślne systemy z kontrolerami dysków SCSI używały DMA.

To nie jest odpowiedź; jest to prośba o wyjaśnienie, która jest zbyt długa, aby zmieścić się w komentarzach.

Aby ktokolwiek mógł odpowiedzieć na to pytanie, należy jasno wyjaśnić omawianą architekturę systemu komputerowego. Mianowicie:

• Jakie systemy magistrali są objęte tym opisem?

  • Większość systemów komputerowych ma magistralę pamięci.
  • Większość komputerów ma również inne rodzaje systemów magistrali.

• Czy IO dysku również przechodzi przez magistralę pamięci?

  • Innymi słowy, czy dysk używa linii magistrali adresu dla adresów i linii magistrali danych dla danych?

• Czy kontroler dysku widzi magistralę pamięci jako ...

  • Magistrala pamięci? To znaczy, że myśli, że mówi do układu pamięci; tj. RAS (strobe dostępu do wiersza), CAS (strobe dostępu do kolumny), ...
  • Bardzo mało prawdopodobne - rozmowa z układem pamięci wymaga bardzo dużej precyzji w wydawaniu poleceń zgodnie z taktowaniem pamięci DRAM (opóźnienia) - kilka cykli zegara za wcześnie lub za późno, nastąpi utrata danych.

• Więc ... co według kontrolera dysku magistrala „faktycznie jest”?

• W większości systemów komputerowych istnieje rodzaj IO o nazwie „Port I / O”.

  • Port I / O może albo nałożyć na magistralę pamięci, albo mieć inną dedykowaną magistralę.
  • Cechą charakterystyczną portów I / O jest to, że można zakończyć wszystko w jednym (lub z góry określonej stałej liczbie) cyklu magistrali - nie trzeba się martwić niebezpieczeństwami związanymi z taktowaniem pamięci DRAM.

• W bardziej zaawansowanych (cóż, od dwóch dekad) systemach istnieją nowsze typy systemów magistrali. Na przykład ISA, PCI, AGP, PCMCIA ... SCSI, ATA, SAS, SATA, FC-AL ...

Teraz, gdy pojawia się tak wiele wątpliwości dotyczących „omawianego systemu komputerowego”, możesz zrozumieć, dlaczego nie uzyskasz jasnej odpowiedzi na swoje pytanie.

Tak, wiem, że pochodzi z podręcznika. Masz kopię. Ja nie. (Nie w domu - jest jednak jeden w biurze.) Dlatego jeśli potrzebujesz odpowiedzi, musisz pokazać schematy i wyjaśnić, jak wygląda system magistrali komputera.

Jednak na samym dole:

• DMA jest urządzeniem programowalnym. Oznacza to, że procesor ponosi najwyższą odpowiedzialność za poinformowanie DMA, co ma robić. Oczywiście w przedziale czasowym, w którym DMA przejmuje system, procesor będzie współpracował, umożliwiając DMA uruchomienie programu.

• Pod kontrolą procesora (i systemu operacyjnego, który go uruchamia), DMA ma możliwość przejęcia kontroli nad jedną lub większą liczbą magistrali (liczba mnoga) w celu ułatwienia przesyłania danych z kontrolera dysku do pamięci głównej.

• W czasie, w którym DMA przejmuje magistralę (liczba mnoga), DMA wydaje polecenia na tej magistrali - tj. Zamiast zwykłego kontrolera, tj. DMA udaje, że wykonuje pracę procesora.

• Jeśli transfer danych obejmuje dwie różne magistrale, DMA może być zmuszone to zrobić do innej magistrali.

• Aby móc przenieść pewną liczbę bajtów (słów itp.), DMA zawiera licznik pętli do śledzenia pozostałej ilości danych do skopiowania.

• Aby móc zapisywać w pamięci głównej, DMA zawiera rejestr adresów pamięci, który jest programowalny przez CPU, dzięki czemu CPU może powiedzieć DMA, gdzie zapisać dane.

• W zależności od projektu magistrali systemu DMA może, ale nie musi, radzić sobie z makabrycznym szczegółem cykli taktowania DRAM.

• Dawno, dawno temu, po wynalezieniu DMA, niektóre urządzenia peryferyjne zaczynają wstępnie pakować DMA do swoich kontrolerów - nazywa się to Bus Mastering . Niezależnie od tego, czy DMA znajduje się na pakiecie procesora, płycie głównej, czy na karcie we / wy, musi być ostatecznie kontrolowane (programowanie) procesora, ponieważ muszą one w jakiś sposób negocjować dostęp do magistrali systemowej (liczba mnoga) i pamięć główna.

• Nowoczesne systemy komputerowe mają dedykowany podsystem o nazwie Kontroler DRAM. Jeśli tak, to prawie pewne, że ten kontroler DRAM będzie również spełniał funkcję DMA, to znaczy wygląda na programowalną „bajtową pętlę kopiującą”, a cała wspomniana złożoność jest ukryta w krzemie DRAM Kontroler.

Jeśli uznasz to za bardzo mylące - uważam to również za mylące - będziesz potrzebować diagramów. Wiele diagramów. Diagramy systemowe. Schematy magistrali. Diagramy czasowe. Diagramy przejścia stanu. itp.