Контроллеры устройств ввода-вывода весьма различны как по своему внутреннему строению, так и по исполнению (от одной микросхемы до специализированной вычислительной системы со своим процессором, памятью и т. д.), поскольку им приходится управлять совершенно разными приборами. Не вдаваясь в детали этих различий, мы выделим некоторые общие черты контроллеров, необходимые им для взаимодействия с вычислительной системой. Обычно каждый контроллер имеет по крайней мере четыре внутренних регистра, называемых регистрами состояния, управления, входных данных и выходных данных. Для доступа к содержимому этих регистров вычислительная система может использовать один или несколько портов, что для нас не существенно. Для простоты изложения будем считать, что каждому регистру соответствует свой порт.
Регистр состояния содержит биты, значение которых определяется состоянием устройства ввода-вывода и которые доступны только для чтения вычислительной системой. Эти биты индицируют завершение выполнения текущей команды на устройстве (бит занятости), наличие очередного данного в регистре выходных данных (бит готовности данных), возникновение ошибки при выполнении команды (бит ошибки) и т. д.
Регистр управления получает данные, которые записываются вычислительной системой для инициализации устройства ввода-вывода или выполнения очередной команды, а также изменения режима работы устройства. Часть битов в этом регистре может быть отведена под код выполняемой команды, часть битов будет кодировать режим работы устройства, бит готовности команды свидетельствует о том, что можно приступить к ее выполнению.
Регистр выходных данных служит для помещения в него данных для чтения вычислительной системой, а регистр входных данных предназначен для помещения в него информации, которая должна быть выведена на устройство. Обычно емкость этих регистров не превышает ширину линии данных (а чаще всего меньше ее), хотя некоторые контроллеры могут использовать в качестве регистров очередь FIFO для буферизации поступающей информации.
Разумеется, набор регистров и составляющих их битов приблизителен, он призван послужить нам моделью для описания процесса передачи информации от вычислительной системы к внешнему устройству и обратно, но в том или ином виде он обычно присутствует во всех контроллерах устройств.
25. Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA)
Для перемещения больших объемов данных может использоваться более эффективный метод — прямой доступ к памяти (direct memory access — DMA). Функции DMA выполняются отдельным контроллером системной шины или могут быть встроены в контроллер ввода-вывода. В любом случае метод работает следующим образом. Когда процессору нужно прочитать или записать блок данных, он генерирует команду для модуля DMA, посылая ему следующую информацию:
· указание, требуется ли выполнить чтение или запись;
· адрес устройства ввода-вывода;
· начальный адрес блока памяти, использующегося для чтения или записи;
· количество слов, которые должны быть прочитаны или записаны.
Передав полномочия по выполнению этих операций контроллеру DMA, процессор продолжает работу. Контроллер DMA слово за словом передает весь блок данных в память или из нее, не задействуя при этом процессор. После окончания передачи контроллер DMA посылает процессору сигнал прерывания. Таким образом, процессор участвует только в начале и в конце передачи (рис. 1.19,в см. Операции ввода вывода).
Для передачи данных в память и из нее контроллеру DMA нужен контроль над шиной. Если в это время процессору также нужна шина, может возникнуть конфликтная ситуация, и процессор должен ждать окончания работы модуля DMA. Заметим, что в этом случае нельзя говорить о прерывании, так как процессор не сохраняет информацию о состоянии задачи и не переходит к выполнению других операций. Вместо этого он вынужден сделать паузу на время выполнения одного цикла шины. В результате это приведет к тому, что во время передачи данных с использованием прямого доступа к памяти замедляется выполнение процессором тех команд, для которых ему требуется шина. Тем не менее при передаче большого количества информации прямой доступ к памяти намного более эффективен, чем программируемый ввод-вывод или ввод-вывод, управляемый прерываниями.