Взаимодействие через пространство памяти

В реальном режиме (при отключенной страничной переадресации) физический адрес, фигурирующий на системной шине, совпадает с линейным адресом, фор­мируемым прикладной программой. Тут все просто, правда, в стандартном (а не большом) реальном режиме доступен только первый мегабайт адресного про­странства (то есть из устройств доступны только отображенные на область UMA).

В защищенном режиме, в принципе, доступно все физическое адресное про­странство, но появляются проблемы, связанные с отображением линейных ад­ресов на физические. Страничной переадресацией (поддержкой таблиц) ведает ОС, и у разных программных компонентов (приложений, драйверов, динамиче­ских модулей) имеются различающиеся возможности взаимодействия с систе­мой управления памятью. Заметим, что у каждой задачи может быть своя карта адресов, в которой не обязательно будут присутствовать физические адреса всех устройств.

Для обращения к регистрам устройства (или к области памяти устройства), расположенным в пространстве памяти, программа должна узнать физический адрес данной области. Далее она должна запросить у ОС линейный адрес, на который отображается этот физический адрес, и обращаться к устройству по этому линейному адресу. Иного пути добраться до физического устройства у программы нет, и если ОС откажет в данном запросе, устройство окажется для этой программы недоступным. Для обращения к устройствам через про­странство памяти у процессоров х86 предусмотрено большое число разнообраз­ных инструкций — как выполняющих просто пересылку, так и работающих с операндами в памяти (то есть в устройстве). Инструкции, модифицирующие ячейки памяти, порождают на системной шине блокированные транзакции «чтение-модификация-запись». Этот тип транзакций не приветствуется с точ­ки зрения эффективности использования времени шины, так что предпочти­тельно избегать таких инструкций при взаимодействии с устройствами. Заме­тим, что инструкции процессора обычно не порождают эффективных пакетных транзакций на шине PCI, они вызывают лишь одиночные транзакции1. Некото­рые программные ухищрения, позволяющие повысить эффективность программно-управляемого обмена, описаны в 14.4.

При организации прямого доступа к памяти как по стандартным каналам DMA, так и при использовании ведущих устройств шин ISA и PCI возникает ряд про­блем, связанных со страничным преобразованием адресов. Программе требуется организовать обмен данными между устройством и некоторым буфером дан­ных в ОЗУ, с которым программа общается по линейным адресам, а устройст­во — по физическим. Отметим ряд существенных моментов:

♦ Программа должна запросить у ОС физический адрес, которому соответст­
вует линейный адрес предполагаемого буфера обмена. Именно этот физиче­
ский адрес должен задаваться устройству, осуществляющему DMA (или
централизованному контроллеру DMA), при инициализации сеанса обмена
(при указании начального адреса, длины блока и запуске канала).

♦ Физические страницы, к которым обращаются посредством DMA, должны
быть зафиксированы: механизм замещения страниц не должен их затраги­
вать — по крайней мере, пока не завершится обмен посредством DMA.

Если буфер данных не умещается в одной логической странице, возникает
проблема пересечения границ. Обычный контроллер DMA работает по последовательно изменяемым (инкрементируемым или декрементируемым) адресам. При пересечении границы логической страницы, возможно, потре­буется скачок физического адреса, поскольку следующая логическая стра­ница может быть физически отображена на произвольное (относительно предыдущей страницы) место ОЗУ. Чаще всего ОС оперирует страницами по 4 Кбайт, при этом пересылка больших блоков данных ведется «коротки­ми перебежками», между которыми должна выполняться повторная инициа­лизация контроллера DMA.

Проблема пересечения границ решается усложнением контроллеров DMA — применением «разбросанной записи» (scatter write) в память и «собирающего чтения» (gather read) памяти. В этом случае контроллеру DMA задается список описателей блоков (начальный адрес и длина), каждый из которых не пересека­ет границ логической страницы. Обработав очередной блок памяти, контроллер переходит к следующему, и так до конца списка. Такие возможности имеет, на­пример, стандартный контроллер PCI IDE. Для передачи логически непрерыв­ного блока данных его описатель может быть сокращен. Так, можно задать пол­ный физический адрес начала блока, его длину и только список базовых адресов занимаемых им страниц. На каждой странице, кроме начальной, дан­ные будут начинаться с нулевого адреса; на каждой странице, кроме последней, данные будут доходить до последнего адреса. Вместо длины блока можно зада­вать и физический адрес его конца. Такие варианты описаний используются, например, в хост-контроллерах шин USB и FireWire.

Проблема пересечения границ может решаться и иначе, без усложнения кон­троллера DMA. Для этого в памяти резервируется буфер значительного разме­ра, отображенный на непрерывную область физической памяти, и обмен данны­ми физическое устройство выполняет только с этим буфером. Однако рядовое приложение не может создать такой буфер, он может быть организован лишь драйвером устройства. Приложения могут лишь получать указатели на этот бу­фер и обмениваться с ним данными. Таким образом, по пути от приложения к устройству появляются дополнительная «перевалочная база» (буфер драйве­ра) и дополнительная пересылка данных, что приводит к дополнительным за­тратам времени.

Поиск по сайту: