DMA (0)

Tallinna Polütehnikum
IT ja telekommunikatsioon
Otse mällu pöördumine ehk DMA
Referaat
Koostaja: Oskar -Ruben Järvemaa
Juhendaja: Urmas Krusell
Tallinn 2013

Sisukord

Sissejuhatus 3
1Otse mällu pöördumine DMA. Milleks seda vaja on? 4
2Otse mällu pöördumise ehk DMA tööpõhimõte 5
3DMA edastusmeetodid 7
4DMA töötlemine 8
5Kokkuvõte 9
Kasutatud kirjandus 10

Sissejuhatus

Antud materjaliga lugemine eeldab arvuti riistvara tööpõhimõtteid. Arvuti kasutab andmete edastamiseks ja lugemiseks I/O seadmetelt 3 erinevat meetodit polling, katkestus ja DMA ( direct memory access ). Erinevaid meetodeid kasutatakse erinevates kohtades vastavalt vajadusele, kuid tänapäeva arvutis on kasutusel peamiselt DMA. DMA vahemälu kasutatakse nii protsessori, graafika kui ka paljude teiste I/O seadmete juures. Kasutatakse teda igal pool kus on vaja vahendada andmeid suures koguses ja kiirelt. Kõikjal kus kasutatakse DMA-d töötab ta paralleelselt ja märkamatult protsessoriga ja vastava seadmega millega siis parasjagu suheldakse. DMA on võrreldes teiste meetoditega palju kiirem, kuna on konkreetse riistvara osa. Samuti vähendab DMA kasutus latentsust( latency ).

Otse mällu pöördumine DMA. Milleks seda vaja on?

DMA (Direct Memory Access - mälu otsepöördus) on emaplaadi arhidektuuriline suutlikkus saata edastatavad andmed seadmest (näiteks kõvaketas, Cd-ROM) otse emaplaadil olevasse mällu. Protsessor pole nõnda andmeesdastusega seotud ning seega tõuseb ka üleüldine arvuti jõudlus.
Tavaliselt on määratud teatud hulk mälust alaks, mida kasutatakse DMA tarvis. EISA ja MCA (Micro Channel Archidecture) standartid toetavad juurdepääsu kogu mälu aadressi ulatuses. PCI (Peripheral Component Interconnect) puhul teostatakse DMA bus master tehnoloogia abil (mikroprotsessor, mis delegeerib I/O lülitusi PCI kontrollerisse).
Standardis on kahte sorti DMA moode - ühesõnalised ( Single Word), kui korraga kantakse nagu PIO moodideski üle üks sõna, ja mitmesõnalised (Multiword). Ühesõnalised DMA moodid on küllalt mõttetud ja uuematest standarditest on nad välja jäetud. Personaalarvuti puhul ei anna ka mitmesõnaline DMA (PIO-ga sama ülekandekiiruse puhul) erilist võitu, sest protsessoril pole niikuinii ülekande ajal muud teha kui selle lõppu oodata.
Nagu mainitud , on alternatiiviks DMA-le on Programmed Input/Output (PIO) liides , kus andmevool suunatakse läbi protsessori.
DMA ülekande käigus liigutab ketta kontroller andmeid ketta puhvri ja arvuti mälu vahel otse, ilma protsessori abita. Protsessori ülesandeks on vaid enne ülekande algust vajalikud käsud anda ja parameetrid paika panna. Ülekandekiirus tähendab siinkohal kiirust andmete liigutamisel kettaseadmel oleva mälupuhvri ja arvuti vahel. Sellel pole midagi tegemist ketta enesega suhtlemise kiirusega, mis on ja peabki olema (oluliselt) madalam. Muidu muutuks see pudelikaelaks, sest puhvrist lugemise/kirjutamise vahepeal kulub ju lisaks aega muude tegevuste peale, ja kui puhver õigeks ajaks tühjaks/täis ei saa, peab ketas tegema terve pöörde, et vajalik koht jälle lugemis-kirjutamispeade alla satuks. Eriti ilmektalt väljendub see siis, kui ühe kaabli külge on ühendatud kaks ketast ja toimub näiteks kopeerimine neist ühelt teisele.

Otse mällu pöördumise ehk DMA tööpõhimõte

Kujutame ette arvuti riistvara ja kuidas käib käskude ja ülesannete liikumist protsessori poole. (Joonis 1) Arvuti protsessor teeb pidevalt tööd infoga mis tuleb temale BUS pealt. DMA kontroller suhtleb aga I/O seadmetega ja paigutab informatsiooni otse mällu. Kui see info on kokku korjatud siis annab DMA kontroller protsessorile märku ja protsessor võtab töö järjekorda ning lõpetab töö infoga mis tuleb talle BUS pealt ja võtab käsile DMA kontrolleri poolt edastatava info. DMA kontroller annab protsessorile ainult mälu aadressi ja infohulga suuruse ja protsessor läheb võtab mälust vajaliku informatsiooni töötlemiseks. Pärast lõpetamist võtab protsessor tagasi BUS pealt tuleva informatsiooni töötlemise. Seda kõike on vaja selleks et ei tekiks ifokadu näiteks siis kui I/O seade on liiga kiire ja infot on palju ning protsessor ei jõua seda ära töödelda. Samamoodi kui I/O seade on liiga aeglane.
 
Joonis 1.

DMA edastusmeetodid

DMA kasutab peamiselt kolme loogikat kuidas ta protsessorile infot ette valmistab. Vastavalt seadmele ja infole kasutatakse kõige sobivamat. Üldjuhul kasutatakse kahte esimest reziimi .
Single režiim ( burst mode) - Kogu info edastatakse ühe blokina protsessorile. Miinuseks on see et protsessor on kogu see aeg hõivatud ja ei võta ühtegi teist ülesannet vastu.
Block režiim (cycle stealing mode) - Info edastamine käib tükkide kaupa. Iga natukese aja tagant käib katkestuse (BR-bus request, BG-Bus grant ) ja vaadatakse kas tuleb vajalikku infot BUS pealt. Kui seda on siis võetakse see töö vahele ja jätkatakse sealt
Demand režiim (transparent mode) - Põhimõtteliselt kasutab DMA protsessorit kogu aeg kuni ei tule ülesandeid BUS pealt, kuid seda on suhteliselt raske teostada. ja kontrollida
Näiteks: Kui CD-ROM seadmelt tulevat informatsiooni edastataks Single režiimis siis oleks protsessor pidevalt hõivatud info lugemise ja ootamisega. Selle pärast kasutataksegi Block režiimi kus infot kogutakse ja edastatakse suurema tükina korraga. 

DMA töötlemine

Protsessor lõpetab käsiloleva töö ja annab BG (Bus Grant) signaali ootavale seadmele.

Seade võtab BG signaali vastu.

Protsessor saab kinnituse et BG signaal on vastu võetud ja jääb ootama aadressi ja andmeid seadmelt.

DMA seade edastab andmed allikast sihtkohta .

DMA andmed cachitakse protsessoris ja protsessor jälgib et BUS peal olev cachitud informatsiooni aadressid ei kattuks DMA omaga , kui seda juhtub siis protsessor kas tühistab sisese cache aadressi mis tal mälus või uuendab seda siis selle informatsiooniga mis talle antakse.

Kui DMA on lõpetanud siis edastatakse BR (bus release ) signaal.

Protsessor võtab BR signaali vastu ja pöördub tagasi BUS andmete töötlemise juurde.

Kokkuvõte

Ilma DMA-ta oleks raske ette kujutada arvutite tööd. Kui protsessor peaks näiteks ootama CD lugeja järgi oleks see arvuti ressursi ebaefektiivne kasutus. DMA võeti kasutusele kohe pc arvutite ilmumisega, kuna muud moodi ei olnud võimalik arvuti ressurssi efektiivselt kasutada. Loomulikult ei kasutata DMA vahemälu iga IO seadme puhul. Näiteks klaviatuuri ja hiire puhul ei oleks see eriliselt mõistlik. Kujutame ette et kirjutad teksti ja tekst ilmub ekraanile mingi aja pärast. Lõppkokkuvõttes lahendas DMA väga palju. Kiirendab arvuti tööd ja parandab andmete terviklikust näiteks siis kui kirjutad plaati. 
Andmete kopeerimine ilma DMA-ta tekitaks olukorra kus protsessor peab andmete kopeerimise kõrvalt tegema muid toiminguid ja see venitaks kopeerimise aja pikaks. Sellepärast ongi kasutusel DMA, kes tegeleb andmete liigutamisega aadress- ja andmesiinil ja protsessor saab tegeleda infoga mis ei vaja andme- ja aadressiini hõivamist. Tänu sellele toimub asi kasutaja jaoks märkamatult ja jääb mulje et katkestust ei ole.

Kasutatud kirjandus

https://wiki.itcollege.ee/index.php/DMA

www.battleit.ee/public/School/Varia/riistvara%20ja%20arhitektuur.doc‎

https://wiki.itcollege.ee/index.php/DMA