DMA y Discos - Departamento de Computación

Entrada-Salida
Entrada-Salida
DMA y Discos
Organización del Computador I
David Alejandro González Márquez
Departamento de Computación
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires
02.03.2011
Entrada-Salida
Entrada-Salida
¿Qué es DMA (Direct memory access )?
Es un dispositivo o caracterı́stica de un dispositivo,
por la que se le permite acceder a la memoria principal
independientemente del procesador central
En general cuenta con registros que indican qué direcciones
deben ser escritas o leı́das desde la memoria principal al
dispositivo o viceversa
Ver: DMA controller 8257
http://www.8085projects.info/
PROGRAMMABLE-DMA-CONTROLLER-INTEL8257.html
Entrada-Salida
Discos
Pista/
Cilindro
Los discos se componen por
platos divididos en pistas y
sectores.
Dos consideraciones
importantes,
Sector
La interfaz del disco,
IDE, SCSI, SATA, SAS, . . .
Cabezas
El sistema de archivos,
FAT, ext2 . . . ext4, NTFS,
HFS, ISO 9660, . . .
8 cabezas,
4 platos
Hard Drive Size Limitations and Barriers
Ver: http://www.dewassoc.com/kbase/hard drives/hard drive size barriers.htm
Entrada-Salida
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1
Se posee el siguiente sistema:
Memoria
Disk 1
Disk 2
Controladora
de discos
Disk 3
El controlador puede acceder a los discos; leer o escribir sus
sectores. Para esto posee un buffer interno donde se almacena
temporariamente esta información. La CPU puede solicitar al
controlador que lea o escriba a la memoria un sector de un disco
mediante un protocolo de DMA.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1
Algunas primitivas del controlador de disco son:
LeerDeDisco( Sector S, Disco D, Buffer B )
Lee el sector S del disco número D y lo almacena en el buffer
interno número B.
LeerDeMemoria( Dirección D, Buffer B )
Lee desde la dirección de memoria D un sector completo y lo
almacena en el buffer interno número B.
a. Identificar todos los registros que requiera el controlador
indicando su uso.
b. Identificar qué primitivas faltan definir para la controladora.
c. Escribir el seudocódigo de la controladora de discos.
d. Programar el controlador para copiar el sector número 387 del
disco 2, a la dirección de memoria 0x3041.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1: Solución
a. Identificar todos los registros que requiera el controlador
indicando su uso.
DISCO: Selecciona el disco con el cual se desea interactuar.
SECTOR: Indica que sector del disco que se desea leer o
escribir.
DIRECCION: Indica la dirección de memoria para leer o
escribir.
ESTADO: Proporciona el estado del dispositivo
0x86 : Ocupado Leyendo
0x82 : Ocupado Escribiendo
0x00 : Libre
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1: Solución
b. Identificar qué primitivas faltan definir para la controladora.
Faltan definir todas las primitivas de escritura en disco y en
memoria
EscribirEnDisco( Sector S, Disco D, Buffer B )
Escribir el buffer interno número B en el sector S del disco
número D.
EscribirEnMemoria( Dirección D, Buffer B )
Escribir el buffer interno número B desde la dirección de
memoria D.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1: Solución
c. Escribir el seudocódigo de la controladora de discos.
while(true)
if( ESTADO == 0x86 )
LeerDeDisco(SECTOR,DISCO,BUFFER_DMA_LECTURA)
EscribirEnMemoria(DIRECCCION,BUFFER_DMA_LECTURA)
ESTADO <- 0x00
if( ESTADO == 0x82 )
LeerDeMemoria(DIRECCCION,BUFFER_DMA_ESCRITURA)
EscribirEnDisco(SECTOR,DISCO,BUFFER_DMA_ESCRITURA)
ESTADO <- 0x00
Donde BUFFER DMA LECTURA y BUFFER DMA ESCRITURA son
buffers de la controladora reservados para el DMA.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 1: Solución
d. Programar el controlador para copiar el sector número 387 del
disco 2, a la dirección de memoria 0x3041.
esperar:
cmp [ESTADO], 0
jz esperar
mov [DISCO], 2
mov [SECTOR], 387
mov [DIRECCION], 0x3041
mov [ESTADO], 0x86
Entrada-Salida
Ejercicios
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
Interrupción
Capturadora
de Video
CPU
Memoria
Puente
Controlador
de DMA
M/IO
RW
RD
Request
Ready
Bus de Direcciones
Bus de Datos
A continuación se describe el protocolo entre el controlador de
DMA y un dispositivo de E/S para realizar transferencias de datos
usando el I/O Bus.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
1. El controlador DMA pone en el bus de direcciones el identificador del
dispositivo con el que desea iniciar la comunicación y levanta la señal
de Request, de RD o WR, según corresponda y baja la lı́nea de M/IO.
2. El controlador del dispositivo detecta la señal de Request y compara
su propio identificador con el contenido del bus de direcciones.
3. Si coincide el identificador y el dispositivo se encuentra listo, el
controlador del dispositivo levanta la señal de Ready.
4. El controlador DMA detecta la señal de Ready. En el caso de tratarse
de una escritura, el controlador DMA pone el dato a escribir junto con
su posición de memoria en los buses correspondientes. Por otro lado,
en el caso de una lectura, el controlador de DMA pone la dirección del
dato deseado.
5. El controlador DMA baja la señal de Request.
6. · · ·
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
5. · · ·
6. De tratarse de una escritura, el controlador del dispositivo ordena
grabar el dato, o en el caso de una lectura pone el dato en el bus.
Luego, baja la señal de Ready.
7. Si se trata de una lectura el DMAC lee el dato del bus de datos.
8. En ambos casos, lectura y escritura, el DMAC retira las lı́neas y baja
la señal de RD o WR según corresponda.
9. Si es una lectura, cuando el DMAC baja la señal de RD la controladora
del dispositivo quita el dato del bus de datos.
El protocolo para interactuar con la memoria es equivalente. Cambia el
valor de la lı́nea M/IO y no se coloca en el bus el identificador del
dispositivo.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
Primitivas de control del bus:
requestBus() : Solicita el bus para realizar cualquier transferencia.
releaseBus() : Libera el bus una vez que se termino de utilizar.
Además cada lı́nea de control posee una primitiva get seguida del
nombre y otra de nombre set. Que permiten leer o escribir cada
una de las lı́neas respectivamente.
setRequest(x)
getRequest()
setReady(x)
getReady()
setRead(x)
getRead()
setWrite(x)
getWrite()
setMemoryIO(x)
getMemoryIO()
Para las lı́neas de datos y direcciones se poseen primitivas que
permiten leer y escribir las lı́neas en su conjunto.
setData(x)
getData()
setAddress(x)
getAddress()
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
La Placa Capturadora de Video tienen su espacio de direcciones mapeado
a memoria en las direcciones FE00 a FF00. Por simplicidad suponemos
que es una pantalla de video. El identificador de este dispositivo es
0x005F. A su vez, el controlador de DMA posee los siguientes registros
también mapeados a memoria en las direcciones indicadas:
DEVICE (0xFFA0): identificador del dispositivo.
DEVICE ADDRESS (0xFFA1): dirección de memoria (en el espacio de
direccionamiento del dispositivo) que se desea leer/escribir.
MEM ADDRESS (0xFFA2): dirección de memoria (en el espacio de
direccionamiento de la memoria principal) que se desea leer/escribir.
SIZE (0xFFA3): cantidad de datos a transferir.
STATUS (0xFFA4):
si bit 0 contiene 1 indica que ya se han cargado todos los datos
necesarios, y se puede iniciar la transmisión.
el bit 1 contiene un 1 en caso de escritura, y un 0 en caso contrario.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
El comportamiento del controlador de DMA es el siguiente, cuando
el bit 0 de STATUS contiene un 1 significa que se puede comenzar
la transferencia.
Si el bit 1 de STATUS es un 1 entonces será de IO a Memoria, si es
0 sera de Memoria a IO.
Serán transferidos la cantidad de palabras que indique SIZE, de la
dirección indicada por MEM ADDRESS a DEVICE ADDRESS o
viceversa.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2
1
Escribir el seudo-código que realiza el controlador de DMA
2
Suponga que existe un proceso que muestra en la pantalla los
cuadros de video capturados por la placa. Este proceso posee
una rutina que escribe en la memoria principal el cuadro
capturado. La placa capturadora genera una interrupción,
cada vez que se captura un cuadro. Realizar el seudo-código
de la rutina que atiende la interrupción de la placa. (el rango
de memoria AB00 a AC00 esta reservado para guardar la
pantalla capturada en memoria principal)
3
Realizar el punto anterior utilizando el controlador de DMA.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2: Solución - 1
while(true)
if( STATUS AND [0...01] =/= 0 )
if( STATUS AND [0...010] =/= 0 )
// IO a Memoria
while( SIZE > 0 )
tempDato <- LeerDatoDeDispositivo()
EscribirDatoEnMemoria(tempDato)
MEM_ADDRESS <- MEM_ADDRESS + 1
DEVICE_ADDRESS <- DEVICE_ADDRESS + 1
SIZE <- SIZE - 1
STATUS <- STATUS AND [1...10]
else
// Memoria a IO
while( SIZE > 0 ) {
tempDato <- LeerDatoDeMemoria()
EscribirDatoEnDispositivo(tempDato)
MEM_ADDRESS <- MEM_ADDRESS + 1
DEVICE_ADDRESS <- DEVICE_ADDRESS + 1
SIZE <- SIZE - 1
STATUS <- STATUS AND [1...10]
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2: Solución - 1
Lectura de Dispositivo
Lectura de Memoria
requestBus()
setMemoryIO(0)
setRead(1)
setWrite(0)
setAddress(DEVICE)
setRequest(1)
wait( getReady() =/= 0 )
setAddress(DEVICE ADDRESS)
setRequest(0)
wait( getReady() =/= 1 )
tempDato <- getData()
setRead(0)
releaseBus()
requestBus()
setMemoryIO(1)
setRead(1)
setWrite(0)
setRequest(1)
wait( getReady() =/= 0 )
setAddress(MEM ADDRESS)
setRequest(0)
wait( getReady() =/= 1 )
tempDato <- getData()
setRead(0)
releaseBus()
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2: Solución - 1
Escritura en Dispositivo
Escritura en Memoria
requestBus()
setMemoryIO(0)
setRead(0)
setWrite(1)
setAddress(DEVICE)
setRequest(1)
wait( getReady() =/= 0 )
setAddress(DEVICE ADDRESS)
setData(tempDato)
setRequest(0)
wait( getReady() =/= 1 )
setWrite(0)
releaseBus()
requestBus()
setMemoryIO(1)
setRead(0)
setWrite(1)
setRequest(1)
wait( getReady() =/= 0 )
setAddress(MEM ADDRESS)
setData(tempDato)
setRequest(0)
wait( getReady() =/= 1 )
setWrite(0)
releaseBus()
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2: Solución - 2
rutina:
ciclo:
fin:
.....
.....
MOV R1, 0xAB00
MOV R2, 0xFE00
MOV R0, 0x0100
MOV [R1], [R2]
SUB R0, 1
ADD R1, 1
ADD R2, 1
CMP R0, 0
JE fin
JMP ciclo
.....
.....
RETI
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 2: Solución - 3
rutina:
.....
.....
MOV [DEVICE], 0x005F
MOV [DEVICE_ADDRESS], 0x0000
MOV [MEM_ADDRESS], 0xAB00
MOV [SIZE], 0x0100
OR [STATUS], 0x8000
.....
.....
RETI
Entrada-Salida
Ejercicios
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 3
A continuación se presentan algunos parámetros caracterı́sticos de
un disco rı́gido.
Cantidad de Bytes por Sector : |Sectorbytes | Bytes
Cantidad de Platos o Cantidad de Cabezas : |Cabezas|
Cantidad de Pistas por Plato o Cantidad de Cilindros : |Cilindros|
Cantidad de Sectores por Pista : |Sectorespista |
Tiempo entre Pistas adyacentes : |Tadyasentes | Seg
Tiempo promedio entre Pistas : |Tpromedio | Seg
Latencia : |Tlatencia | Seg
Capacidad del Buffer : |Buffer | Mb
Velocidad de Rotación : |Discorotacion | RPM
Velocidad de Transferencia de la Interfaz : |Interfazvelocidad | Mb/Seg
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 3
Calcular los siguientes valores caracterı́sticos a partir de los
parámetros presentados.
1
Cantidad de Sectores totales.
2
Capacidad máxima en Mbytes.
3
Tiempo de lectura de un sector.
4
Tiempo de transferencia de un sector.
5
Tiempo de transferencia de n sectores consecutivos sobre una
misma pista.
Entrada-Salida
Ejercicios
Ejercicio 3: Solución
1
|Sectorestotales | = |Cabezas| ∗ |Cilindros| ∗ |Sectorespista |
2
|Capacidadtotal | = |Sectorestotales | ∗ |Sectorbytes |
3
|TLectura.Sector | = 60/(|Discorotacion | ∗ |Sectorespista |)
4
|TTransferencia.Sector | =
|TLectura.Sector | + |Sectorbytes |/(220 ∗ |Interfazvelocidad |)
5
|TTransferencia.Sectores.Unica.Pista (n)| =
n ∗ |TTransferencia.Sector | + (n − 1)|Tlatencia |
Entrada-Salida
Ejercicios
¿Preguntas?
Entrada-Salida
Ejercicios
¿Preguntas?