Прямой доступ к памяти. Организация прямого доступа к памяти. Контроллер ПДП.

 

Прямой доступ к памяти (ПДП) является одним из способов обмена данными с ПУ. В этом режиме обмен данными между ПУ и памятью микропроцессорной системы происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа, выполняемая процессором, а внешнее по отношению к процессору специальное устройство, называемое контроллером ПДП (КПДП). ПДП используется для быстрого ввода/вывода блоков данных и разгрузки процессора от управления операциями ввода/вывода. Обмен блоками данных с помощью программно-управляемого обмена осуществляется относительно медленно, так как на обмен каждым байтом затрачивается несколько команд процессора. ПДП освобождает процессор от управления операциями ввода/вывода, позволяя тем самым осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между ПУ и памятью, производить этот обмен со скоростью, ограниченной только пропускной способностью памяти или ПУ. Таким образом, ПДП, разгружая процессор от обслуживания операций ввода/вывода, способствует возрастанию общей производительности микропроцессорной системы.

Для реализации режима ПДП необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и памяти микропроцессорной системы, т.е. специальный информационный канал, по которому осуществляется обмен в режиме ПДП, – канал ПДП. Для этой цели можно использовать специально выделенную магистраль, связывающую контроллер ПДП с памятью. Однако такое решение нельзя признать оптимальным, так как это приведет к значительному усложнению микропроцессорной системы в целом, особенно при подключении нескольких ПУ. С целью сокращения количества линий в шинах микропроцессорной системы контроллер ПДП подключается к памяти посредством шин системной магистрали. При этом возникает проблема совместного использования шин системной магистрали процессором и контроллером ПДП. Можно выделить два основных способа ее решения:

- реализация обмена в режиме ПДП с захватом цикла;

- реализация обмена в режиме ПДП с блокировкой процессора.

Существует две разновидности прямого доступа к памяти с захватом цикла. Наиболее простой способ организации ПДП состоит в том, что для обмена используются те 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. Если процессор не формирует такого сигнала, то для выделения свободных циклов необходимо применение в контроллере ПДП специальной схемы, что приводит к усложнению последнего. Применение этого способа организации ПДП не снижает производительности системы, но при этом обмен в режиме ПДП возможен только в случайные моменты времени одиночными словами.

Наиболее распространенным является ПДП с захватом цикла и принудительным отключением процессора от шин системной магистрали. Для реализации такого режима ПДП системная магистраль дополняется двумя управляющими сигналами – «Требование прямого доступа к памяти» HOLD и «Предоставление прямого доступа к памяти» HLDA.

Управляющий сигнал HOLD формируется контроллером ПДП. Процессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей команды, не дожидаясь ее завершения, отключается от шин системной магистрали и выдает контроллеру ПДП управляющий сигнал HLDA. С этого момента все шины системной магистрали управляются контроллером ПДП. Контроллер ПДП, используя шины системной магистрали, осуществляет обмен одним словом данных с памятью и затем, сняв сигнал HOLD, возвращает управление системной магистралью процессору. Как только контроллер ПДП будет готов к обмену следующим словом данных, он вновь захватывает цикл процессора и т.д. В промежутках между захватами циклов контроллером ПДП процессор продолжает выполнять команды программы. Тем самым выполнение программы замедляется, но значительно в меньшей степени, чем при обмене в режиме прерывания.

Передача блока данных с использованием ПДП предполагает выполнение определенной последовательности действий (рис. 32):

1) начальная установка (предварительная подготовка) контроллера ПДП;

2) запуск контроллера ПДП;

3) многократное занятие цикла процессора;

4) завершение обмена.

Рис. 32 – Алгоритм передачи блока данных с использованием контроллера ПДП

 

Программа используется только для начальной установки и пуска обмена через канал ПДП. После этого процессор может выполнять основную программу, которая не связана с обменом. Во время выполнения этой программы каждый раз при поступлении запроса на ПДП контроллер ПДП будет занимать цикл процессора, и осуществлять передачу. После окончания обмена для передачи управления программе завершения обмена в режиме ПДП используется прерывание. Затем основная программа может быть продолжена.

Рассмотрим организацию контроллера ПДП, обеспечивающего ввод данных в память микропроцессорной системы в режиме ПДП (рис. 33).

Рис. 33 – Организация контроллера ПДП

 

Начальная подготовка к обмену в режиме ПДП состоит в выделении ПУ области памяти, используемой при обмене, и указании ее размера, т.е. количества записываемых в память или читаемых из памяти слов информации. Следовательно, контроллер ПДП должен иметь в своем составе регистр адреса и счетчик слов. Перед началом обмена с ПУ в режиме ПДП процессор должен выполнить программу загрузки, которая обеспечивает запись в указанные регистры контроллера ПДП начального адреса выделенной ПУ памяти и ее размера в словах заданной разрядности.

Таким образом, перед началом ввода из ПУ очередного блока данных процессор загружает в регистры контроллера ПДП следующую информацию: в счетчик слов – количество принимаемых слов, а в регистр адреса – начальный адрес области памяти для вводимых данных. Тем самым контроллер подготавливается к выполнению операции ввода данных из ПУ в память в режиме ПДП.

Запуск контроллера ПДП осуществляется командой вывода, по которой устанавливается в 1 триггер пуска. Триггер пуска подключает ПУ к контроллеру ПДП. После команды пуска контроллера ПДП должна быть команда разрешения прерывания. В дальнейшем ввод блока данных через канал ПДП осуществляется без участия команд программы.

Когда ПУ подготовит слово данных, оно посылается в регистр данных контроллера. При этом каждое слово сопровождается управляющим сигналом из ПУ «Ввод данных», который обеспечивает запись слова данных в регистр данных контроллера. По этому же сигналу (при установленном в 1 триггере пуска) устанавливается в 1 триггер запроса, сигнал с выхода которого поступает на вход процессора «Требование прямого доступа к памяти» HOLD. После формирования процессором ответного сигнала «Предоставление прямого доступа к памяти» HLDA следующий машинный цикл занимается под обмен. При этом осуществляется одна пересылка слова данных в ячейку памяти по адресу, находящемуся в регистре адреса контроллера. По сигналу HLDA контроллер выставляет на шины адреса и данных системной магистрали содержимое своих регистров адреса и данных соответственно. Формируя управляющий сигнал MEMWR, контроллер ПДП обеспечивает запись слова данных из своего регистра данных в память. Сигнал «Предоставление прямого доступа к памяти» HLDA используется в контроллере также для выполнения трех операций:

- сброса триггера запроса;

- увеличения содержимого регистра адреса на 1;

- уменьшения содержимого счетчика слов на 1.

По каждому сигналу HLDA из содержимого счетчика слов вычитается 1, и когда оно становится равным 0, устанавливается в 1 триггер окончания передачи блока данных, сигнал с выхода которого используется в качестве запроса на прерывание и поступает на соответствующий вход процессора. Процессор прерывает выполнение программы и передает управление подпрограмме обработки прерывания для завершения обмена.

Завершение обмена осуществляется путем отключения ПУ от контроллера ПДП командой вывода, по которой сбрасывается в 0 триггер пуска. Кроме того, аналогичным образом сбрасывается в 0 триггер окончания передачи блока данных. По окончании обработки прерывания управление возвращается основной программе.

Если нет необходимости продолжать выполнение некоторой программы параллельно с передачей в режиме ПДП, используется в качестве сигнала готовности, который доступен процессору через регистр состояния контроллера ПДП. В этом случае прерывание не используется (выход триггера окончания передачи не подключается к входу запроса на прерывание процессора или прерывание в процессоре запрещается). В течение обмена через канал ПДП процессор находится в цикле ожидания окончания передачи, опрашивая соответствующий разряд готовности регистра состояния контроллера ПДП по команде ввода. Как только процессор обнаружит готовность, он переходит к процедуре завершения обмена (шаг 4 рассмотренной выше последовательности), после чего выполнение программы продолжается.

Завершение обмена путем отключения ПУ от контроллера ПДП – сброс в 0 триггера пуска – может осуществляться не по команде вывода в подпрограмме обработки прерывания, а автоматически, когда содержимое счетчика слов становится равным 0 (также как и установка в 1 триггера окончания передачи). В этом случае в контроллере ПДП отпадает необходимость в триггере пуска, а подключение/отключение ПУ к контроллеру осуществляется в зависимости от состояния счетчика слов. При загрузке в счетчик количества принимаемых слов сигнал «0=» устанавливается в 1 и подключает ко входу S триггера запроса управляющий сигнал из ПУ «Ввод данных». После передачи всех слов содержимое счетчика становится равным 0, сигнал «0=» сбрасывается в 0 и запрещает поступление управляющего сигнала из ПУ «Ввод данных» на вход S триггера запроса, отключая тем самым ПУ от контроллера ПДП.

Выше были рассмотрены только процесс подготовки контроллера ПДП и непосредственно передача данных в режиме ПДП. На практике любой сеанс обмена данными с ПУ в режиме ПДП всегда включает также и этап подготовки ПУ к обмену. На этом этапе процессор в режиме программно-управляемого обмена опрашивает состояние ПУ, проверяя его готовность к обмену, и посылает в ПУ команды, обеспечивающие его подготовку к обмену данными по каналу ПДП. Такая подготовка может сводиться, например, к перемещению головок на требуемую дорожку в НМД. Затем выполняется загрузка регистров контроллера ПДП, после чего обмен данными в режиме ПДП начинается либо по инициативе контроллера ПДП, как это было рассмотрено выше, либо по инициативе ПУ.

Следует отметить, что использование в микропроцессорной системе обмена в режиме ПДП с захватом цикла требует от программиста очень ясного понимания процессов, происходящих в системе при выполнении программы, и четкой синхронизации процесса выполнения программы и ввода /вывода по каналу ПДП.

Прямой доступ к памяти с блокировкой процессора отличается от режима ПДП с захватом цикла тем, что управление системной магистралью передается контроллеру ПДП не на время передачи одного слова, а на время обмена блоком данных. Такой режим ПДП необходим в тех случаях, когда время между двумя сигналами «Требование прямого доступа к памяти» HOLD сопоставимо с циклом процессора. В этом случае процессор не успевает выполнить хотя бы одну команду между очередными операциями обмена в режиме ПДП.

В микропроцессорной системе можно использовать несколько ПУ, работающих в режиме ПДП. Предоставление таким ПУ шин системной магистрали для обмена данными производится на приоритетной основе. В этом случае приоритеты ПУ реализуются так же, как и при обмене данными в режиме прерывания. Как правило, для каждого ПУ используется своя пара управляющих сигналов «Требование прямого доступа к памяти» HOLD и «Предоставление прямого доступа к памяти» HLDA и отдельный канал в контроллере ПДП.