Datenübertragung per Direct Memory Access (DMA)

Transkript

1 Datenübertragung per Direct Memory Access (DMA) Durch einen direkten Speicherzugriff können die Daten ohne Umweg über den Prozessor in den Speicher geschrieben werden. So lässt sich die Ausführungsgeschwindigkeit erhöhen.

2 Datenübertragung per Direct Memory Access (DMA) Durch einen direkten Speicherzugriff können die Daten ohne Umweg über den Prozessor in den Speicher geschrieben werden. So lässt sich die Ausführungsgeschwindigkeit erhöhen.

3 Direct Memory Access (DMA) Der DMA-Controller ist dafür gedacht, Daten zwischen Arbeitsspeicher und Peripherie zu transportieren und den Prozessor mit diesen Aufgaben zu entlasten. In Zeiten von langsamen Prozessoren machte sich der Geschwindigkeitsunterschied bei großen Datenmengen deutlich bemerkbar. In früheren Rechnerarchitekturen spielte DMA eine große Rolle. Viele Schnittstellen, die mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten (wie Netzwerkadapter, Laufwerk- und Multimedia-Controller) realisierten ihre Datenübertragung mit DMA. DMA-Zugriffe erhöhten die Geschwindigkeit

4 Direct Memory Access (DMA) Der DMA-Controller ist dafür gedacht, Daten zwischen Arbeitsspeicher und Peripherie zu transportieren und den Prozessor mit diesen Aufgaben zu entlasten. In Zeiten von langsamen Prozessoren machte sich der Geschwindigkeitsunterschied bei großen Datenmengen deutlich bemerkbar. In früheren Rechnerarchitekturen spielte DMA eine große Rolle. Viele Schnittstellen, die mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten (wie Netzwerkadapter, Laufwerk- und Multimedia-Controller) realisierten ihre Datenübertragung mit DMA. DMA-Zugriffe erhöhten die Geschwindigkeit

5 Direct Memory Access (DMA) In modernen Chipsätzen ist der DMA-Controller (DMA-C) fest integriert (bzw. fest integrierter BUS-Bestandteil PCIe). Ältere Motherboards hatten einen separaten Baustein, z. B. den 8237 von Intel.

6 Direct Memory Access (DMA) Frühere Aufteilung unter ISA (ISA-DMA): Es gibt nur eine echte DMA-Leitung. Der Zugriff der unterschiedlichen Komponenten (Steckkarten) wird anhand eines Index unterschieden. Demnach darf ein DMA-Index nur einem Gerät zugeordnet werden. Der Index gibt die Nummer des DMA-Kanals an. Insgesamt gibt es 8 DMA- Kanäle: Die Kanäle 0, 2 und 4 sind für interne Zwecke bereits fest vergeben. Die Kanäle 1, 3, 5, 6 und 7 können frei belegt werden. Die Kanäle 0, 1, 2 und 3 arbeiten mit 8 Bit. Die Kanäle 4, 5, 6 und 7 arbeiten mit 16 Bit.

7 Direct Memory Access (DMA) PCI-DMA Das betreffende Peripheriegerät ist in der Lage, auf die Daten im Arbeitsspeicher selbst zuzugreifen (als sogenannter Busmaster). Typische DMA- bzw. busmasterfähige PCI-Geräte sind z. B. -(S)ATA-Host-Controller, -Netzwerkkarten und -neuere USB-Host-Controller. Busmastering bedeutet, dass ein Peripheriegerät selbständig (in Abhängigkeit von entsprechenden Ereignissen) auf den Speicher, oder auch auf andere Peripheriegeräte zugreifen kann so wie die CPU auch selbstständig (in Abhängigkeit vom gerade ausgeführten Programm) auf den Speicher zugreift.

8 DMA / E-A / IRQ Direct Memory Access (DMA) PCI-DMA Die PCI-DMA-Aktionen verlaufen für den Anwender transparent und können auch im Gerätemanager nicht angezeigt werden (keine klare Zuordnung möglich).

9 E/A (Ein-/Ausgabe) Ports Die Peripheriegeräte müssen ggfs. Informationen mit dem System austauschen, daher sind ihnen Speicheradressen für den Versand und den Empfang von Daten zugeordnet. Diese Adressen heißen: «E/A-Ports», «E/A-Adresse» oder I/O Address («Input/Output Address»)

10 E/A (Ein-/Ausgabe) Ports Über diese Basisadresse kann das Peripheriegerät neutral mit dem Betriebssystem kommunizieren. Es kann daher nur eine einmalige Basisadresse pro Peripheriegerät geben. Liste bekannterer Basisadressen: 060h - Tastatur 220h - Audiokarte 300h - Netzwerkkarte 3F2h - Diskettenlaufwerk-Kontroller 3F8h - COM1 378h - LPT1 Alles geschieht jedoch für den normalen Benutzer transparent; vollständig vom Betriebssystem verwaltet.

11 E/A (Ein-/Ausgabe) Ports

12 Jedes Computersystem besteht nicht nur aus CPU und Speicher, sondern auch aus der Peripherie, die im Gehäuse eingebaut oder an den äußeren Schnittstellen angeschlossen ist. Damit der Prozessor mitbekommt, wenn Daten von außen anstehen, muss es die Möglichkeit geben, den Prozessor bei seiner Arbeit zu unterbrechen.

13 Hierzu gibt es die Möglichkeit, dass der Prozessor alle Eingabe-Geräte zyklisch abfragt (Polling). Bei der Vielzahl an Komponenten in einem Computer würde das bedeuten, dass der Prozessor mit nichts anderem mehr beschäftigt wäre. Eine Alternative ist die sogenannten Unterbrechungsanforderung (to interrupt, unterbrechen), die dann eintritt, wenn Daten von außen anstehen. Dazu wurde die Möglichkeit geschaffen den Hauptprozessor auf definierte Weise bei der laufenden Arbeit zu unterbrechen.

14 Ablauf eines Interrupts Wenn ein Gerät Daten zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung hat oder einfach nur eine Rückmeldung geben will, dann wird dem Prozessor in seiner laufenden Arbeit eine Unterbrechungsanforderung, also ein Interrupt-Request (IRQ) gesendet. Wird zum Beispiel eine Taste auf der Tastatur gedrückt, dann schickt der Tastatur-Controller einen IRQ an den Prozessor. Der unterbricht seine aktuelle Tätigkeit und führt einen Befehl an einer bestimmten Speicheradresse aus, die vom IRQ-Eingang abhängig ist. In diesem Fall wird auf den Tastatur-Treiber verwiesen, der dafür sorgt, dass der Buchstabe auf dem Bildschirm erscheint. Das passiert durch den Interrupt (Leitung), der dem betreffenden Gerät zugewiesen ist.

15 Für den IRQ können folgende Aktionen verantwortlich sein: Mausbewegung Datenempfang vom Modem Tastatureingabe Audioaufnahme durch die Soundkarte Lesen von Speichermedien Damit aus Anwendersicht das System optimal funktioniert, ist die Gewichtung zwischen den Interrupts unterschiedlich. So kann sich die CPU um die wichtigen Aufgaben kümmern.

16 Für den IRQ können folgende Aktionen verantwortlich sein: Mausbewegung Datenempfang vom Modem Tastatureingabe Audioaufnahme durch die Soundkarte Lesen von Speichermedien Damit aus Anwendersicht das System optimal funktioniert, ist die Gewichtung zwischen den Interrupts unterschiedlich. So kann sich die CPU um die wichtigen Aufgaben kümmern.

17 IRQ-Controller auf älterem Board:

18 Innerhalb der PC-Architektur ist die Interrupt-Verwaltung schon immer eine große Schwachstelle gewesen. Üblicherweise benötigen alle Peripherie-Geräte einen eigenen Interrupt. Mit der Zeit kamen immer mehr Geräte und Schnittstellen hinzu. Allerdings wurde die Anzahl der Interrupts nicht erhöht. So kam es, dass von diesem wichtigen Element innerhalb des Computersystems immer zu wenig vorhanden war. Geplante Aufrüstungen scheiterten in der Regel an der zu geringen Anzahl freier Interrupts. Dieses grundsätzliche Problem stammt aus der Zeit der ISA-Architektur. Es wurde auch dann nicht besser, als Plug & Play die Hardware-Installation einfacher machen sollte.

19 IRQ-Controller auf älterem Board Erst der PCI Local Bus brachte die Möglichkeitdes IRQ-Sharings, die gemeinsame Nutzung der Interrupt-Leitungen durch mehrere PCI-Steckkarten. Da die Anzahl der Interrupts grund sätzlich zu gering ist, übernimmt das Betriebssystem die Rolle der Interrupt-Organisation, die auch die Doppelnutzung durch zwei Komponenten kontrollieren kann IRQ Funktion Veränderbar? 0 Systemzeitgeber nein 1 Tastatur nein 2 Programmierbarer Interrupt-Controller 3 COM 2 ja 4 COM 1 ja 5 LPT 2/Soundkarte ja 6 Standard-Disketten- Controller 7 LPT 1 ja nein nein 8 CMOS-/Echtzeitsystemuhr nein 9 intern nein 10 USB-Host-Controller ja 11 Grafikarte/Netzwerkkarte ja 12 Maus nein 13 Nummerischer Coprozessor nein 14 Primary IDE Controller nein 15 Secondary IDE Controller nein ja

20 Windows 98 Windows XP

21 Windows 7

22 Der APIC-Modus Sowohl das Betriebssystem, als auch die Hardware unterstützen APIC. Außerdem führt die intensive Nutzung von Peripherie am USB dazu, dass Interrupts ausreichend zur Verfügung stehen Der APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller),ist eine Steuereinheit für Interrupts in einem Computer

23 Der APIC-Modus Durch APIC ist es einem Betriebssystem möglich, sofern es APIC unterstützt, Interrupts mehrfach zu belegen. Aus diesem Grund ist APIC heute in jedem Prozessor und auf jedem Motherboard integriert. Vollautomatischen Interrupt-Verwaltung durch das Betriebssystem Ab Windows 2000 und Windows XP, sowie auch nachfolgend Windows Vista /7, ist eine manuelle Änderung der IRQ-Verteilung nicht möglich. In der Regel sind diese Betriebssysteme im APIC-Modus installiert. Eine Änderung durch den Anwender ist auch nicht notwendig. Sollte trotzdem der Verdacht auftreten, dass das automatische IRQ-Sharing Probleme bereitet, dann hilft nur das Vertauschen der vorhandenen PCI- Steckkarten.

24 Der APIC-Modus Durch APIC ist es einem Betriebssystem möglich, sofern es APIC unterstützt, Interrupts mehrfach zu belegen. Aus diesem Grund ist APIC heute in jedem Prozessor und auf jedem Motherboard integriert. Vollautomatischen Interrupt-Verwaltung durch das Betriebssystem Ab Windows 2000 und Windows XP, sowie auch nachfolgend Windows Vista /7, ist eine manuelle Änderung der IRQ-Verteilung nicht möglich. In der Regel sind diese Betriebssysteme im APIC-Modus installiert. Eine Änderung durch den Anwender ist auch nicht notwendig. Sollte trotzdem der Verdacht auftreten, dass das automatische IRQ-Sharing Probleme bereitet, dann hilft nur das Vertauschen der vorhandenen PCI- Steckkarten.