Прямой доступ к памяти (dma)

Независимо от того, отображаются ли регистры или буферы ввода-вывода на память или нет, центральному процессору необходимо как-то адресоваться к контроллерам устройств для обмена данными с ними. Центральный процессор может запрашивать данные от контроллера ввода-вывода по одному байту, но подобная организация обмена данными крайне неэффективна, так как расходует огромное количество процессорного времени. Поэтому на практике часто применяется другая схема, называемая прямым доступом к памяти (DMA, direct memory access).

DMA используется не во всех компьютерах. Главный аргумент против использования DMA состоит в том, что центральный процессор обычно значительно превосходит DMA-контроллер по скорости и может выполнить ту же работу значительно быстрее (если только скорость ограничена не быстродействием устройства ввода-вывода). При отсутствии другой работы у центрального процессора заставлять быстрый центральный процессор ждать, пока медленный контроллер DMA выполнит свою работу, бессмысленно. Кроме того, компьютер без контроллера DMA, с центральным процессором, выполняющим всю работу программно, оказывается дешевле, что крайне важно в производстве компьютеров нижней ценовой категории (например, встроенных).

Шины

В системе имеется множество шин как для ускорения общения с устройствами ввода-вывода, так и для пересылки данных между процессором и памятью. Вследствие этой эволюции сейчас система Pentium выглядит примерно так, как изображено на рис. 3.

У этой системы восемь шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером и его конфигурации должны находиться сведения обо всех этих шинах.

Две основные шины — это ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектуpa), оригинальная шина компьютера IBM PC, и ее преемник, шина PCI (Peripheral Component Interconnect — интерфейс периферийных устройств). Шина ISA впервые появилась на компьютерах IBM PC/AT, она работает на частоте 8,33 МГц и может передавать два байта за такт с максимальной скоростью 16,67 Мбайт/с. Она включена в систему для обратной совместимости со старыми медленными платами ввода-вывода. Шина PCI была создана компанией Intel в качестве преемницы шины ISA. Она может работать на частоте 66 МГц и передавать сразу по 8 байт за такт со скоростью 528 Мбайт/с. Сейчас большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода используют шины PCI. Даже некоторые компьютеры с процессорами, отличными от Intel, пользуются шиной PCI, поскольку с ней совместимо очень много плат ввода-вывода.

При такой конфигурации центральный процессор по локальной шине передает данные микросхеме PCI-моста, который, в свою очередь, обращается к памяти по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц. Системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и намного больший внешний кэш второго уровня (кэш L2), подключенный к процессору отдельной шиной кэша.

Кроме того, в систему входят три специализированные шины: IDE, USB и SCSI. Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств к системе — дисков и устройств для чтения компакт-дисков (CD-ROM). IDE-шина — это потомок интерфейса контроллера диска на PC/AT, и сейчас она входит в стандартный комплект всех систем, основанных на процессорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) была придумана для того, чтобы присоединить к компьютеру все медленные устройства ввода-вывода, такие как клавиатура и мышь. Она использует маленький четырехпроводной разъем, причем два провода поставляют электропитание к USB-устройствам. USB — это централизованная шина, по которой главное устройство каждую миллисекунду опрашивает устройства ввода-вывода, чтобы узнать, есть ли у них данные. Она может управлять загрузкой данных со скоростью 1,5 Мбайт/с. Все USB-устройства используют один драйвер, избавляя нас тем самым от необходимости установки новых драйверов для каждого нового USB-устройства. Поэтому USB-устройства можно присоединять к системе без ее перезагрузки.

SCSI (Small Computer System Interface — системный интерфейс малых компьютеров) — это высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh с момента их появления, кроме того, она популярна в UNIX-системах и некоторых системах на базе процессоров Intel.

Шина IEEE 1394. Иногда ее также называют FireWire, хотя, строго говоря, FireWire — это название, данное компанией Apple собственной реализации шины 1394. Как и USB, IEEE 1394 является бит-последовательной шиной, но она поддерживает пакетную передачу данных со скоростью, достигающей 50 Мбайт/с. Это ее свойство позволяет подключать к компьютеру портативные цифровые видеокамеры и тому подобные мультимедийные устройства. В отличие от USB шина IEEE 1394 не имеет центрального контроллера. Шины SCSI и IEEE 1394 конкурируют с разработанной более быстрой версией шины USB.