Организация прямого доступа к памяти

 

(слайд 37) 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 микро-ЭВМ 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 в специальном контроллере, который называется контроллером ПДП (см. рисунок 2 2, Лекция 2).

 

 

Рисунок 2.2 – Типичная трехшинная с труктура МПС

 

Обмен данными в режиме ПДП позволяет использовать в микро-ЭВМ быстродействующие ВЗУ (накопители на жестких магнитных дисках).

(слайд 38) Для реализации режима ПДП необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и памяти микро-ЭВМ. Для этой цели можно было бы использовать специально выделенные ША и ШД, связывающие контроллер ПДП с основной памятью. Но такое решение нельзя признать оптимальным, так как это приведет к значительному усложнению микро-ЭВМ в целом, особенно при подключении нескольких ВЗУ. В целях сокращения количества линий в шинах микро-ЭВМ контроллер ПДП подключается к памяти посредством ША и ШД 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";

- режим ПДП с блокировкой процессора.

Существуют две разновидности ПДП 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 микро-ЭВМ, но при этом обмен в режиме ПДП возможен только в случайные моменты времени одиночными байтами или словами.

(слайд 39) Более распространенным является ПДП с "захватом цикла" и принудительным отключением процессора от шин системного интерфейса. Для реализации такого режима ПДП системный интерфейс микро-ЭВМ дополняется двумя линиями для передачи управляющих сигналов "Требование ПДП" (ТПДП) и "Предоставление ПДП" (ППДП).

Управляющий сигнал ТПДП формируется контроллером ПДП. 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 микро-ЭВМ 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 микро-ЭВМ 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 (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 рисунке 14.11.

Перед началом очередного сеанса ввода данных из ВУ процессор загружает в регистры его контроллера следующую информацию:

- в счетчик байт – количество принимаемых байт данных

- в регистр адреса – начальный адрес области памяти для вводимых данных. Тем самым контроллер подготавливается к выполнению операции ввода данных из ВУ в память микро-ЭВМ в режиме ПДП.

Байты данных из ВУ поступают в регистр данных контроллера (РД) в постоянном темпе. При этом каждый байт сопровождается управляющим сигналом из ВУ "Ввод данных", который обеспечивает запись байта данных в регистр данных контроллера. Поэтому же сигналу и при ненулевом состоянии счетчика байт контроллер формирует сигнал ТПДП. По ответному сигналу процессора ППДП контроллер выставляет на ША и ШД 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 микро-ЭВМ. 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".

(слайд 40)

 

Рисунок 14.11 – Контроллер ПДП для ввода данных из ВУ в режиме "Захват цикла" и отключением процессора от шин системного интерфейса

 

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 ПДП 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.

4. ШИННЫЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ

 

(слайд 41) В каждый момент времени на внутренней магистрали МПС допускается только один активный модуль, в распоряжении которого отдаются все ресурсы магистрали. В простых МПС роль активного модуля играет, как правило, МП (ЦП), который организует управление магистралью.

МП выбирает лишь один какой-то модуль МПС, с которым будет производить обмен информацией через ШД, а остальные отключает. Такая способность МП избирательно подключать и отключать устройства обеспечивается наличием на их выходах, подсоединенным к ШД, логической схемы с тремя состояниями – шинного формирователя (рисунок 14.12).

 

 

Рисунок 14.12 – Составные части МПС, подключенные к ШД