Канальные процессоры и прямой доступ к памяти

Одно из решений состоит в том, чтобы завести отдельный процессор и поручить ему всю работу по опросу. Процессор, занимающийся только организацией ввода-вывода, называют периферийным или канальным (channel).
Понятно, впрочем, что это повышает стоимость системы и не решает проблемы радикально — теперь вместо флагов, непосредственно сигнализирующих о внешних событиях, центральный процессор вынужден опрашивать флаги, выставляемые канальным процессором. В зависимости от характера событий и требуемой обработки это решение может оказаться и совсем неприемлемым, например, если на каждое событие требуется немедленная реакция именно центрального процессора.
В противном случае, если немедленно после события требуется лишь простая обработка, а сложные вычисления можно отложить на потом, канальный процессор можно упростить и сделать существенно дешевле центрального.
Так, при работе с контроллерами дисков, лент и других устройств массовой памяти возникает задача копирования отдельных байтов (или, в зависимости от разрядности шины контроллера, полуслов или слов) из контроллера в память и обратно. Передача одного блока (512 байт у большинства современных контроллеров) состоит из 128 операций передачи слова, идущих друг за другом с небольшими интервалами. Темп передачи данных определяется скоростью вращения диска или движения ленты. Этот темп обычно ниже скорости системной шины, поэтому передача данных должна включать в себя опрос признака готовности контроллера принять или предоставить следующее слово. Интервал между словами обычно измеряется несколькими циклами шины. Нередко бывает и так, что частоты шины и контроллера не кратны, поэтому последовательные слова надо передавать через различное число циклов.
Дополнительная сложность состоит в том, что, не предоставив вовремя следующее слово для записи, мы испортим весь процесс — эта проблема особенно серьезна на устройствах однократной записи, например прожигателях компакт-дисков. Аналогично, не успев прочитать очередное слово, мы потеряем его и вынуждены будем отматывать ленту назад пли ждать следующего оборота диска.
Видно, что это именно та ситуация, которую мы ранее описывали как показание к использованию режима опроса: поток следующих друг за другом с небольшим интервалом событий, каждое из которых нельзя потерять, а нужно обязательно обработать.
Обработка события, которая нужна, чтобы избежать такой неприятности, крайне проста, так что устройство, способное с ней справиться, не обязано даже быть полностью программируемым процессором.
При передаче надо всего лишь убедиться, что блок данных не кончился, взять следующее слово из памяти, дождаться готовности устройства, скопировать слово и вернуться к началу алгоритма. Если блок данных кончился или контроллер выдал ошибку, необходимо сообщить об этом центральному процессору.
Для реализации этого алгоритма достаточно трех регистров (указателя в памяти, значения текущего слова и счетчика переданных слов). Реализующее этот алгоритм устройство называют контроллером прямого доступа к памяти (Direct Memory Access controller, DMA controller) (рис. 6.1). Такие контроллеры часто рассчитаны на одновременную работу с несколькими устройствами — имеют несколько каналов — и, соответственно, больше регистров. Описание реальной микросхемы контроллера ПДП можно найтив [Паппас/Марри 1993].
Обычно контроллеры ПДП не считают процессорами, однако без большой натяжки можно сказать, что это все-таки канальный процессор, хотя и очень примитивный. Контроллеры ПДП, рассчитанные на совместную работу с процессором, обладающим виртуальной памятью, часто имеют некий аналог диспетчера памяти ЦП, для того, чтобы позволить операционной системе предоставлять указатель для ПДП в виртуальном адресном пространстве, или, во всяком случае, упростить работу по преобразованию виртуального адреса в физический.
Различают два типа реализаций ПДП:

• мастер шины (bus master) (в старой русскоязычной литературе встречалось также словосочетание задатчик шины), когда устройство имеет свой собственный контроллер ПДП,
• централизованный контроллер, устанавливаемый на системной плате и способный работать с несколькими различными устройствами.

Рис. 6.1. Структура контроллера ПДП

В качестве альтернативы ПДП можно предложить снабжение устройства буфером, который работает с частотой системной шины. Центральный процессор передает данные в буфер, и лишь когда заканчивает передачу, инициирует операцию устройства. Логика работы самого устройства с этим буфером, впрочем, ничем не отличается от ПДП, с той лишь разницей, что используется не общесистемная, а встроенная память. На практике, оба подхода часто используются совместно: ПДП позволяет минимизировать загрузку центрального процессора, а буфер — избежать потери данных, если системная шина занята другим устройством.
Типичный современный дисковый контроллер имеет и средства ПДП, и внутренний буфер. У кэширующих (имеющих кэш-память) и RAID-контроллеров объем буфера может измеряться многими мегабайтами. Кроме того, современные жесткие диски также имеют собственные буферы.
Периферийные процессоры находят широкое применение в современных вычислительных системах. Так, типичный современный персональный компьютер, кроме центрального процессора, обычно имеет и специализированный видеопроцессор, так называемый графический ускоритель. У кэширующих дисковых контроллеров и аппаратных реализаций RAID (см. разд. Дисковые массивы) обычно также есть собственный процессор, в данном случае, как правило, используются полностью программируемые процессоры. Лазерные и струйные печатающие устройства имеют процессор, который интерпретирует команды языка управления принтером (PCL или Postscript), есть процессоры модемах и во многих других периферийных устройствах. Впрочем, нередко встречаются и попытки обратить процесс децентрализации вычислений -так называемые "софтовые" или Win-модемы (называемые так потому, что программное обеспечение, способное работать с таким модемом, часто поставляется только под Windows), многие бытовые принтеры и т. д.
В отличие от перечисленных устройств, классический полностью программируемый канальный процессор подключен непосредственно к системной шине и может оперировать несколькими устройствами, в зависимости от загруженной в него канальной программы. Канатьные процессоры долгое время считались отличительной особенностью больших ЭВМ. В мини-и микрокомпьютерах использование специализированных канальных процессоров, более сложных, чем контроллер ПДП, считалось неприемлемым по стоимостным показателям. Удивительно, что даже современное радикальное удешевление оборудования не изменило положения: предложение консорциума I²O (Intelligent Input/Output) снабжать компьютеры на основе процессоров х86 канальным процессором Intel 960, с энтузиазмом поддержанное практически всеми поставщиками операционных систем, почему-то не было столь же горячо поддержано потребителями.
Потребители мини- и микросистем, нуждающиеся в высокой производительности, предпочитают использовать в качестве дополнительных процессоров устройства с той же архитектурой, что и центральный процессор. Это называется симметричной многопроцессорностью (SMP), и позволяет перераспределять между процессорами не только обработку событий, но и собственно вычислительную деятельность. Понятно, что обрабатывать все события по принципу опроса в такой архитектуре — бессмысленная, а зачастую и нетерпимая расточительность.
К счастью, еще с 60-х годов, практически все процессоры как центральные, так и канальные, используют стратегию работы с событиями, во многих отношениях гораздо более совершенную, чем опрос.