2.3.5 DMA-Controller

Ein DMA-Controller ist eine Hardware-Komponente, die zum Ziel hat, die Geschwindigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Erreicht werden soll dies u.a. durch eine Reduzierung der Anzahl an Interrupts, die bei der Kommunikation zwischen der CPU und den E/A-Geräten ausgelöst werden.

Wichtige Voraussetzung!

Wichtig

Du erinnerst dich doch noch an den enormen Aufwand, der betrieben wurde, um ein einzelnes Datenwort von der Festplatte, über die CPU in den Hauptspeicher zu kopieren, oder?

Und daran, dass für jedes einzelne Datenwort ein Interrupt ausgelöst wurde, oder?

Falls nicht: Lies dir erst das Kapitel Kommunikation mit E/A-Geräten noch einmal durch, und schau dir das Video an!

Mit der Bearbeitung der folgenden Aufgabe 1 reflektierst du noch einmal diesen wichtigen Sachverhalt.

Aufgabe 1

Aufgabe

 Aufg. 54: Datentransfer (noch) ohne DMA

Erläutere anhand der folgenden (vereinfachten) Abbildung, wie der Transfer von Daten zwischen Festplatte und RAM abläuft. Wann treten dabei Interrupts auf?

 Abb. 44: Vereinfachter Rechner, noch ohne DMA-Controller

CC-BY

Direct Memory Access

Die Abkürzung DMA steht für Direct Memory Access, auf Deutsch also: direkter Speicherzugriff, und beschreibt die Möglichkeit, Datenwörter direkt zwischen dem Hauptspeicher und einem DMA-fähigen Peripheriegerät auszutauschen, ohne dass daran die CPU beteiligt ist.

Die CPU wird also durch einen vorhandenen DMA-Controller entlastet. Sie muss lediglich zu Beginn und am Ende der Übertragung eingreifen.

Allgemeiner Ablauf

Der allgemeine Ablauf des DMA-Verfahrens ist wie folgt:

1. Daten sollen zwischen dem Hauptspeicher und einem weiteren DMA-fähigen Peripheriegerät übertragen werden.
2. Die CPU versorgt den DMA-Controller mit allen notwendigen Informationen:
   $\rightarrow$ Beteiligte Komponenten
   $\rightarrow$ Start- und Zieladresse
   $\rightarrow$ Anzahl zu übertragener Datenwörter
   $\rightarrow$ Übertragungsrichtung
3. Die CPU erteilt dem DMA-Controller die Erlaubnis, mit der Datenübertragung zu beginnen.
4. Der DMA-Controller steuert die Übertragung aller Datenwörter zwischen den beteiligten Betriebsmitteln. Die Übertragung geschieht über das Bus-System.
5. Sobald alle Daten übertragen sind, informiert der DMA-Controller mit einem Interrupt über den Abschluss des Datentransfers.
6. Der Interrupt-Controller empfängt den Interrupt und leitet ihn an die CPU weiter.
7. Auf der CPU wird die zugehörige Interruptbehandlungsroutine ausgeführt.
8. Die Datenübertragung per DMA ist abgeschlossen.

Reduzierung der Anzahl der Interrupts

An der vorangegangenen Auflistung ist erkennbar, dass bei Einsatz des DMA-Controllers die Anzahl der Interrupts deutlich reduziert wird. Die CPU muss somit sehr viel weniger Interruptbehandlungsroutinen ausführen, die so gewonnene CPU-Zeit kommt anderen Prozessen zu Gute.

Wichtig

Bei einem Datentransfer ohne DMA-Controller ereignete sich ein Interrupt pro Datenwort.

Mit DMA-Controller ist es nur noch ein Interrupt für die gesamte Übertragung.

Aufgabe 2

Aufgabe

 Aufg. 55: Datentransfer mit DMA

Erläutere anhand der folgenden (vereinfachten) Abbildung, wie der Transfer von Daten zwischen Festplatte und RAM abläuft, wenn ein DMA-Controller zur Verfügung steht. Wann und wie oft muss die CPU auf ein Interruptsignal reagieren? (Gemeint sind nur die Interrupts, welche durch den Datentransfer ausgelöst werden.)

Welche Änderungen ergeben sich zu Aufgabe 1 oben?

 Abb. 45: Vereinfachter Rechner, mit DMA-Controller

CC-BY

Der DMA-Controller macht den Unterschied

Die Einsparung von Interrupts führt unweigerlich zu einer Beschleunigung des Gesamtsystems, da die Abarbeitung jedes einzelnen Interrupts sehr aufwendig ist. Der Abschnitt Datentransfer und Interrupts hat dies bereits gezeigt.

Ein weiterer Grund für einen Geschwindigkeitsvorteil ist, dass ein DMA-Controller von seiner Bauart her auf Datenübertragungen spezialisiert ist. Er kann diese Tätigkeiten deshalb mit einer höheren Geschwindigkeit ausführen, als eine CPU, die universell für viele verschiedene Tätigkeiten entwickelt wurde.

Brinkschulte et al. 2010 erläutern beispielsweise, dass eine Datenübertragung auf der CPU mittels einer in Software programmierten Schleife erfolgt, während auf einem spezialisierten DMA-Controller jegliche Steuerung mittels Hardware erfolgt.

Hinweis

Weiterführende Literatur

Brinkschulte et al. 2010 erläutern in Kapitel 4.6 (DMA) weitere Hintergründe zum Thema. Die Lektüre dieser Quelle sei ausdrücklich empfohlen.

Studierende sind oftmals berechtigt, eine PDF-Version dieses Buches ohne entstehende Kosten über ihre Hochschulen von Springerlink zu beziehen.

Aufgabe 3

Aufgabe

 Aufg. 56: DMA und CPU

Der Einsatz eines DMA-Controllers hat nicht nur Vorteile. Ein Nachteil ist beispielsweise, dass Datenbus und Adressbus während eines Datentransfers per DMA nicht der CPU zur Verfügung stehen.

• Welche Auswirkungen hat dies auf die Arbeitsweise der CPU?
• Was kann die CPU während der Zeit des DMA-Transfers erledigen, und was geht nicht mehr?

Aufgabe 4

Aufgabe

 Aufg. 57: Arten des DMA-Transfers

Brinkschulte et al. 2010 beschreiben in Kapitel 4.6 drei Arten des DMA-Transfers.

• Welche drei Arten werden beschrieben?
• Worin unterscheiden sie sich?
• Welche Auswirkungen hat dies auf die Arbeit der CPU?
• Bei einer der beschriebenen Arten hat das beteiligte E/A-Gerät die Möglichkeit zu bestimmen, wann der Bus für den DMA-Transfer reserviert wird.
  Erläutere, warum dies Sinn macht!
  Berücksichtige dabei die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen Hauptspeicher und E/A-Geräte arbeiten.