dma что это такое
DMA для новичков или то, что вам нужно знать
Всем привет, сегодня мы с вами поговорим о DMA: именно о той технологии, которая помогает вашему компьютеру воспроизводить для вас музыку, выводить изображение на экран, записывать информацию на жесткий диск, и при этом оказывать на центральный процессор просто мизерную нагрузку.
DMA, что это? О чем вы говорите?
DMA, или Direct Memory Access – технология прямого доступа к памяти, минуя центральный процессор. В эпоху 486-ых и первых Pentium во всю царствовала шина ISA, а также метод обмена данными между устройствами – PIO (Programmed Input/Output).
Когда объемы данных, которыми оперирует процессор начали возрастать, стало понятно, что нужно минимизировать участие процессора в цепочке обмена данными, а то прийдется туго. И вот тогда активное применение нашла технология прямого доступа к памяти.
Кстати говоря, DMA используется не только для обмена данными между устройством и ОЗУ, но также между устройствами в системе, возможен DMA трансфер между двумя участками ОЗУ (хотя данный маневр не применим к x86 архитектуре). Также в своем процессоре Cell, IBM использует DMA как основной механизм обмена данными между синергетическими процессорными элементами (SPE) и центральным процессорным элементом (PPE). Также каждый SPE и PPE может обмениватся данными через DMA с оперативной памятью. Данный прием – на самом деле большое преимущество Cell, ибо избавляет от проблем когерентности кешей при мультипроцессорной обработке данных.
И снова теория
Прежде чем мы перейдем к практике, я бы хотел осветить несколько важных аспектов программирования PCI, PCI-E устройств.
Я вскользь упомянул о регистрах устройства, но как же к ним имеет доступ центральный процессор? Как многие из вас знают, есть такая сущность в компьютерных технологиях, как IO порты (Input/Output ports). Они предназначены для обмена информацией между центральным процессором и периферийными устройствами, а доступ к ним возможен с помощью специальных ассемблерных инструкций — in/out. BIOS (или OpenFirmware на PPC based системах) на ранних этапах инициализации PCI устройств, а также некоторых других (Super IO контроллера, контроллера PS/2 устройств, ACPI timer и т.д.), закрепляет за определенным контроллером собственный диапазон IO портов, куда и отображаются регистры устройства.
Итак, существует два метода утилизации DMA: contiguous DMA и scatter/gather DMA.
Contiguous DMA
Scatter/gather DMA
С ростом скорости Ethernet адаптеров, contiguous DMA показал свою несостоятельность. В основном из-за того, что требовались области памяти достаточно большого размера, которые подчас невозможно было выделить, так как в современных системах фрагментация физической памяти достаточно высока. Во всем виноват механизм виртуальной памяти, без которого нынче никуда 🙂
Решение напрашивается само собой: использовать вместо одного большого участка памяти несколько, но в разных регионах этой самой памяти. Возникает вопрос, но как же сообщить контроллеру устройства, как инициировать DMA трансфер и по какому адресу писать данные? И тут нашли решение, использовать дескрипторы, чтобы описывать каждый вот такой участок в оперативной памяти.
На сегодня пожалуй все, иначе информации станет слишком много. В следующей статье я покажу вам, как с этой уличной магией работает IOKit. Жду отзывов и дополнений 😉
DMA для новичков или то, что вам нужно знать
Всем привет, сегодня мы с вами поговорим о DMA: именно о той технологии, которая помогает вашему компьютеру воспроизводить для вас музыку, выводить изображение на экран, записывать информацию на жесткий диск, и при этом оказывать на центральный процессор просто мизерную нагрузку.
DMA, что это? О чем вы говорите?
DMA, или Direct Memory Access – технология прямого доступа к памяти, минуя центральный процессор. В эпоху 486-ых и первых Pentium во всю царствовала шина ISA, а также метод обмена данными между устройствами – PIO (Programmed Input/Output).
Когда объемы данных, которыми оперирует процессор начали возрастать, стало понятно, что нужно минимизировать участие процессора в цепочке обмена данными, а то прийдется туго. И вот тогда активное применение нашла технология прямого доступа к памяти.
Кстати говоря, DMA используется не только для обмена данными между устройством и ОЗУ, но также между устройствами в системе, возможен DMA трансфер между двумя участками ОЗУ (хотя данный маневр не применим к x86 архитектуре). Также в своем процессоре Cell, IBM использует DMA как основной механизм обмена данными между синергетическими процессорными элементами (SPE) и центральным процессорным элементом (PPE). Также каждый SPE и PPE может обмениватся данными через DMA с оперативной памятью. Данный прием – на самом деле большое преимущество Cell, ибо избавляет от проблем когерентности кешей при мультипроцессорной обработке данных.
И снова теория
Прежде чем мы перейдем к практике, я бы хотел осветить несколько важных аспектов программирования PCI, PCI-E устройств.
Я вскользь упомянул о регистрах устройства, но как же к ним имеет доступ центральный процессор? Как многие из вас знают, есть такая сущность в компьютерных технологиях, как IO порты (Input/Output ports). Они предназначены для обмена информацией между центральным процессором и периферийными устройствами, а доступ к ним возможен с помощью специальных ассемблерных инструкций — in/out. BIOS (или OpenFirmware на PPC based системах) на ранних этапах инициализации PCI устройств, а также некоторых других (Super IO контроллера, контроллера PS/2 устройств, ACPI timer и т.д.), закрепляет за определенным контроллером собственный диапазон IO портов, куда и отображаются регистры устройства.
Итак, существует два метода утилизации DMA: contiguous DMA и scatter/gather DMA.
Contiguous DMA
Scatter/gather DMA
С ростом скорости Ethernet адаптеров, contiguous DMA показал свою несостоятельность. В основном из-за того, что требовались области памяти достаточно большого размера, которые подчас невозможно было выделить, так как в современных системах фрагментация физической памяти достаточно высока. Во всем виноват механизм виртуальной памяти, без которого нынче никуда 🙂
Решение напрашивается само собой: использовать вместо одного большого участка памяти несколько, но в разных регионах этой самой памяти. Возникает вопрос, но как же сообщить контроллеру устройства, как инициировать DMA трансфер и по какому адресу писать данные? И тут нашли решение, использовать дескрипторы, чтобы описывать каждый вот такой участок в оперативной памяти.
На сегодня пожалуй все, иначе информации станет слишком много. В следующей статье я покажу вам, как с этой уличной магией работает IOKit. Жду отзывов и дополнений 😉
Контроллер прямого доступа к памяти
Описание
В современные ПК устанавливаются два контроллера DMA:
В данном случае разрядность контроллера указывает режим передачи данных (8-битный, 16-битный).
Среди этих восьми каналов наиболее часто используются:
Контроллер DMA-1 позволяет выполнять чтение или запись блока данных с физического адреса, записываемого как 20-битное число (в пределах первого мегабайта оперативной памяти), в то время как контроллер DMA-2 позволяет работать с 24-битными адресами (в пределах первых 16 мегабайт оперативной памяти).
Порты
Микросхема контроллера DMA (i8237A) содержит четыре независимых друг от друга канала, каждый из которых имеет свой набор регистров:
Весь список портов регистров DMA для каналов можно представить следующей таблицей:
|
Помимо этого, у каждого контроллера DMA есть свой набор регистров только для записи:
|
Управляющий регистр CR (Command Register) задаёт параметры работы контроллера DMA, общие для всех каналов микросхемы. Регистр представляет собой следующую структуру:
Регистр программного запроса RR (Request Register) имеет вид:
Регистр маскирования канала CMR (Channel Mask Register) позволяет временно блокировать сигнал запроса на обслуживание (DREQ) для определённого канала. Содержимое регистра представляется следующим образом:
Регистр установки режима работы MR (Mode Register) позволяет задать режим работы канала:
Регистр сброса контроллера предназначен для сброса контроллера DMA, который осуществляется при записи любого значения в соответствующий ему порт.
Сброс регистра маски контроллера предназначен для снятия маскирующих битов со всех каналов одновременно. Операция осуществляется записью любого значения в этот регистр.
Регистр одновременной записи всех масок каналов WAMR (Writa All Mask Register) предназначен для одновременного изменения масок всех каналов контроллера. Регистр имеет вид:
Регистр состояния SR (Status Register) имеет те же номера портов, что и регистр CR, но доступен только для чтения. Формат регистра следующий:
DMA вообще и в частности
Знал бы где упадешь, соломки подстелил бы
О существовании DMA (Direct Memory Access) — русскоязычное ПДП (Прямой Доступ к Памяти) многие разработчики встроенных устройств слышали, но вот применяют его гораздо реже, чем он (ПДП) этого заслуживает. Кстати, я буду упоминать именно эту аббревиатуру, но не потому, что я такой упрямый патриот и противник англоязычных заимствований, а всего лишь от того, что мне лень лишний раз переключать раскладку клавиатуры.
Основных причин недостаточного использования ПДП в программах для МК три: 1) относительная сложность данного устройства, которая вместе с 2) непониманием выгод его применения приводит к нежеланию данное устройство изучать и осваивать (как говорят в таких случаях, старшая сестра не велит — для тех, кто в танке — это про лень, котороая раньше нас родилась), отягощенному 3) отсутствием хороших и понятных примеров применения ПДП в поставляемых с МК руководствами. И если первые две причины носят явно субъективный характер, то третья несомненно объективна и внутри меня просыпается параноик и настойчиво утверждает, что это сделано специально с целью не допустить отечественных разработчиков МК на продвинутые уровни, где-то выше 60 (то, что при этом страдают и остальные разработчики по всему миру, параноиком игнорируется, поскольку либо 1) за пределами России распространяются правильные примеры, либо 2) ради великой цели не допустить вставания, сами понимаете кого, с колен буржуины готовы пойти на любые жертвы).
Тем не менее без шуток, действительно, в примерах в лучшем случае лежит модуль настройки отдельно взятого канала ПДП, а увязанную систему с ПДП драйвером Вы в примерах применений не найдете (даже в CMSIS не найдете, ну тут действительно есть объективная причина — напишу пост про него — упомяну). Почему так на самом деле — я не знаю, но разработчикам кристаллов виднее, единственное разумное обоснование, которое мне приходит в голову — это то, что ПДП довольно таки специфичны, поэтому «нельзя просто так взять и » перенести код из другого источника, а ввиду малой востребованности ПДП в реальных разработках отсутствие таких примеров не считается существенным недостатком. Восполнить указанный мной пробел в знаниях и предназначен настоящий пост (нескромное заявление, но если сам себя не похвалишь, весь день ходишь как оплеванный), поэтому те, кого я заинтриговал, могут нажать на кнопочку.
Тем не менее, должен предостеречь нетерпеливого читателя, что он не найдет тут серебряной пули, которую можно смело включать в свои разработки, а всего лишь (но и это немало) обнаружит некоторые мысли и подходы, которые облегчат ему построение своих собственных систем на МК с применением ПДП. То есть я поставлю флажки в тех местах, где точно лежат грабли, но не гарантирую, что непомеченных граблей не останется, что, впрочем, не мешает Вам повыкидывать флажки на фиг и пройтись по граблям самостоятельно. Вообще, те, кто читал мои посты, наверняка обратили внимание, что я делаю упор не на то, ЧТО следует сделать и КАК именно, а на то, ПОЧЕМУ я рекомендую сделать именно так.
Итак, ПДП — это часть аппаратуры МК, которая позволяет производить пересылку данных между различными составными частями данного МК (и системы с его участием) без привлечения ресурсов процессора (точнее говоря, с минимальным привлечением, поскольку делать что либо в МК системе вообще БЕЗ участия процессора — мысль смелая и далеко заводящая).
Основная идея данных устройств состоит в том, что при выполнении программы далеко не каждая команда вызывает обращение по системной шине к внешним устройствам или к оперативной памяти (обращение к памяти программ не рассматривается), поэтому у устройства, обслуживающего системную шину, имеются циклы простоя, которые было бы неплохо как нибудь использовать.
Другой причиной, способствующей созданию ПДП, было появление быстродейтвующих устройств ввода-вывода, обслуживание которых по полингу требовало значительных затрат процессорного времени, а обслуживание по прерываниям было практически невозможно. Предтечей ПДП следует считать так назывемые периферийные процессоры в архитектуре майнфрэймов с локальной памятью, которые потом трансформировались в настоящие ПДП, решающие задачи передачи данных между быстродействующими устройствами ввода-вывода и основной оперативной памятью и являющиеся частью аппаратуры, управляющей конкретным внешним устройством.
Встречалась картина (например в ДВК), когда одно ВУ работало по ПДП, а второе — по прерываниям или даже в цикле опроса (драйвер MX, если кто помнит). Когда появились первые МК, в которых память интегрирована в чип, создание внешних по отношению к кристаллу устройств с ПДП стало весьма нетривиальной задачей и, естественно, ПДП перекочевало внутрь МК и стало частью его архитектуры. Этот процесс не имел линейного поступательного характера и можно встретить как МК на основе 51й архитектуры с поддержкой ПДП, так и МК на основе Cortex-M3 с богатым набором периферии, но без поддержки ПДП (например, Stellaris). Тем не менее, в бОльшей части современных МК на основе ARM ПДП присутствует и можем перейти к их изучению и для начала остановиться на рассмотрению их особенностей.
Как было сказано выше, основное назначение ПДП — передача данных между разными устройствами с минимальным привлечением процессора. Как правило, одним из этих устройств является основная память МК, хотя иногда возможны как передачи между двумя внешними устройствами, так из памяти в память. Некоторые ПДП поддерживают такие возможности, некоторые нет, и это следует учитывать при выборе МК.
Следующей особенностью можно считать механизм обслуживания запросов в одном канале. Остановимся на этом моменте поподробнее и разберем в общих чертах работу одного запроса одного канала ПДП.
Для того, чтобы совершить передачу, нам следует сообщить ПДП о своих намерениях, то есть откуда мы хотим передавать данные, куда их следует направить, сколько именно данных следует передать, режимы передачи (об этом чуть позже), и, возможно, служебная информация. Поместить данную информацию мы можем либо в регистры, ответственные за работу ПДП (устаревший способ и дальше мы поймем, почему) либо в оперативную память системы, причем в последнем случае это должна быть либо специальная выделенная область памяти, чтобы ПДП знал, откуда надо взять информацию, либо в какой то регистр ПДП должна быть помещена информация о том, где именно в оперативной памяти лежат данные (говоря привычным языком, мы должны поместить ссылку). Именно последний метод и используется, поскольку он имеет следующие преимущества: оперативная память МК — ценный ресурс и сегментировать ее на детерминированные блоки не есть хорошая практика.
На практике встречаются разнообразные комбинированные схемы, в основном с целью экономии аппаратуры МК — указатель на область памяти, в которой размещаются 2 или более БУП, циклически переключающиеся по мере исполнения, указатель на следующий БУП в служебном поле текущего БУП, иерархический доступ, когда БУП содержит указания на последовательность БУП, которые собственно и выполняются и так далее.
Теперь перейдем от рассмотрения ПДП вообще к рассмотрению конкретной реализации, а именно к МК фирмы «Миландр» 1986ВЕ1Т.
Почему именно к нему? Ну, во-первых, я с ним работаю, во-вторых, у него достаточно богатый по возможностям ПДП, а в-третьих, у него богато фич (это не баг это фича такая — да да именно из этого разряда), которые делают работу с МК увлекательным занятием, после которого работа с аналогами от известных производителей покажется легкой и простой.
Сначала о хорошем — ПДП поддерживает 32 независимых канала доступа — по одному на каждое внешнее устройство в составе МК и еще один для пересылок память-память. Кроме того, как вы уже поняли из предыдущего предложения, ПДП поддерживает все возможные режимы пересылки, а именно: регистры ВУ-память, регистры ВУ-регистры ВУ, память-память, и если вам кажется, что так и должно быть, то это совсем не так, и разные режимы функционируют слегка по-разному и не везде реализованы.
Далее, ПДП поддерживает разные форматы данных: 1 байт, 2 байта и 4 байта (слово в нашей архитектуре), а также разные виды инкремента адреса отдельно источника и приемника: на 1, на 2 и на 4 (декремент не поддерживается). ПДП имеет систему арбитража обслуживаемых каналов с возможностью назначения гибких приоритетов для каждого канала и настраиваемого размера элементарной транзакции (количества передач одного канала, по выполнению которых производится арбитраж). Кроме того, каждый канал может иметь до 2 БУП, которые могут сменяться по циклической системе, либо работать в иерархическом режиме, вместе с тем возможен и однократный режим.
Чтобы соблюсти баланс, скажем и о менее хорошем. Опять про документацию — если Вы на знаете, как работает ПДП, то из документации фирмы вы об этом точно не узнаете. Документация явно переводная, есть и ошибки перевода, которые сильно искажают смысл, есть и весьма невнятно описанные места, но в целом для подготовленного разработчика ее может и хватить, если вы привыкли домысливать за автора. Из более существенных недостатков (конечно по сравнению с идеальным устройством) — значительные затраты ресурса шины (6 доступов на 1 пересылку, хотя может я чего-то недопонял) и еще ряд фич, о которых чуть позже.
ЗАСАДА №1 от разработчиков — прерывание от окончания передачи не проявляются в внешних устройствах. То есть у нас есть один вектор прерывания по окончанию транзакции от любого из запрограммированных каналов. Более того, нет никакого регистра, в котором хранился бы номер канала, завершившего транзакцию, либо хотя бы битовый регистр с флагами. То есть единственный способ определить номер завершившего передачу канала — перебирать все каналы и смотреть соответствующие поля TCB, и это нам придется делать в обработчике прерывания, который должен занимать минимальное время. Напрашивающееся решение — перенести поиск канала в нижнюю половину драйвера обработки не проходит, поскольку нас ожидает:
ЗАСАДА № 2 от разработчиков — прерывание является потенциальным и прекратить работу верхней половниы, не сбросив его явным образом, мы не можем. Более того, есть еще и
ЗАСАДА № 3 от них же — мы не можем сбросить прерывание путем манипуляции реистрами ПДП, а должны проводить сброс разрешения выработки запросов в регистрах внешнего устройства. Да да, именно так, драйвер ПДП должен что то знать о составе регистров обслуживаемых устройств, более чудовищного нарущения принципа инкапсуляции (а он справедлив и для проектирования аппаратуры) трудно себе представить. Я не знаю, что курили разработчики ПДП, но, как написано у Гайдука, «что то очень интересное». То есть, вы можете не верить, но если мы запретим прохождение запросов соостветствующего канала и запретим его обработку, то прерывание мы все равно НЕ СБРОСИМ.
Что-то получилось больше букв, чем было запланировано, поэтому оставим читателей размышлять о сложной ситуации, в которой оказался главный герой истории, что особенно актуально в пятницу вечером, а сам напишу Продолжение следует…
DMA — технология прямого доступа к памяти
Термин DMA наверняка не раз встречался читателям в различных компьютерных статьях. Что же он означает, влияет ли это понятие на работу компьютера, и если да, то как? В этом мы и попытаемся разобраться.
Принцип работы
Большинство устройств ПК нуждаются в периодическом обмене данными не только с центральным процессором (ЦП), но и с оперативной памятью. В первых вариантах персональных компьютеров процесс обмена данными какого-либо устройства с ОЗУ протекал при помощи процессора. Такой метод получил название PIO (Programmable Input-Output, программируемый ввод-вывод). Однако этот метод имел ряд недостатков. Прежде всего, было очевидно, что поскольку процессор загружен множеством задач, то он не всегда может отвлекаться на то, чтобы управлять процессом чтения и записи данных ОЗУ, тем более, что объем этих данных в результате прогресса компьютерной техники все увеличивался и увеличивался.
Так появилась идея технологии DMA (сокращение от Direct Memory Access, т.е. Прямой Доступ к Памяти), состоящая в том, чтобы позволить различным устройствам обращаться к оперативной памяти напрямую, минуя ЦП. Также часто используется русская аббревиатура данной технологии – ПДП.
Первоначально практическая реализация этой технологии (в материнских платах на основе шины ISA) была осуществлена при помощи встроенного в материнскую плату контроллера ПДП, который был призван управлять процессом обмена данными между устройством и ОЗУ. При этом процессор также не был полностью исключен из этого процесса. Прежде всего, механизм ПДП инициализировался самим процессором, однако в ход процесса передачи данных он не вмешивался, занимаясь в это время другими задачами. После того, как обмен информацией между устройством и ОЗУ завершался, то процессор получал соответствующее прерывание, которое отсылал ему контроллера DMA.
В шине ISA также использовались специальные каналы ПДП, которые часто закреплялись за отдельным устройством:
Обычно данные каналы можно было устанавливать программным путем, но на некоторых старых устройствах, например, картах расширения для подключения накопителей CD-ROM, необходимо было вручную устанавливать значения нужных каналов при помощи перемычек.
Современная реализация
Начиная с появления шины ввода-вывода PCI, концепция практической реализации ПДП претерпела изменения. В материнских платах с шиной PCI больше не использовался контроллер DMA, а вместо этого стала применяться технология Bus Mastering. Суть этой технологии заключается в том, что любое устройство может обратиться к шине и полностью использовать ее в своих целях, в том числе, и для доступа к оперативной памяти. Кроме того, в шине PCI отпала необходимость в использовании каналов доступа к памяти. Подобный механизм используется также и в преемниках шины PCI –сверхбыстрых шинах AGP и PCI-Express.
Прямой доступ к памяти могут использовать любые устройства, расположенные в слотах расширения материнской платы, или подключенные к ней при помощи внутренних шин. Это могут быть, например, жесткие диски, накопители для оптических дисков, видеокарты, звуковые и сетевые карты, и т.д. Кроме того, технология DMA может использоваться как внутри процессоров – для передачи данных между отдельными ядрами, так и внутри самой оперативной памяти – для обмена данными между различными участками памяти.
Современные операционные системы, такие как MS Windows, умеют управлять режимом ПДП для многих устройств. В частности, пользователь имеет возможность включить или выключить режим DMA для жестких дисков.
В жестких дисках с интерфейсом IDE технология ПДП получила свое развитие в виде дополнительных режимов ПДП, получивших название Ultra DMA (UDMA). Всего стандарт Ultra DMA поддерживает 8 основных режимов передачи данных, обеспечивающих скорость от 16,7 до 167 МБ/c. Использование режимов Ultra DMA для винчестеров позволило значительно увеличить пропускную способность шины IDE. Включить или изменить режим Ultra DMA для жестких дисков можно при помощи специальной опции BIOS, обычно носящей название DMA (UDMA) Mode.
Заключение
Появление технологии ПДП позволило разгрузить процессор и избавить его от большого объема рутинной работы по пересылке данных между оперативной памятью и устройствами, расположенными на материнской плате или подключенными к ней. Особенно важно использование разновидности технологии ПДП – Ultra DMA в винчестерах на основе интерфейса IDE, что позволяет значительно ускорить обмен данными между накопителем IDE и материнской платой.