Acceso Directo a Memoria (DMA)

El acceso directo a memoria (DMA, del inglés direct memory access) permite a cierto tipo de componentes de una computadora acceder a la memoria del sistema para leer o escribir independientemente de la unidad central de procesamiento (CPU) principal. Muchos sistemashardware utilizan DMA, incluyendo controladores de unidades de disco, tarjetas gráficas y tarjetas de sonido. DMA es una característica esencial en todos los ordenadores modernos, ya que permite a dispositivos de diferentes velocidades comunicarse sin someter a la CPU a una carga masiva de interrupciones.

Una transferencia DMA consiste principalmente en copiar un bloque de memoria de un dispositivo a otro. En lugar de que la CPU inicie la transferencia, la transferencia se lleva a cabo por el controlador DMA. Un ejemplo típico es mover un bloque de memoria desde una memoria externa a una interna más rápida. Tal operación no ocupa al procesador y como resultado éste puede ser planificado para efectuar otras tareas. Las transferencias DMA son esenciales para aumentar el rendimiento de aplicaciones que requieran muchos recursos.

Cabe destacar que aunque no se necesite a la CPU para la transacción de datos, sí que se necesita el bus del sistema (tanto bus de datoscomo bus de direcciones), por lo que existen diferentes estrategias para regular su uso, permitiendo así que no quede totalmente acaparado por el controlador DMA.

La DMA puede llevar a problemas de coherencia de caché. Imagine una CPU equipada con una memoria caché y una memoria externa que se pueda acceder directamente por los dispositivos que utilizan DMA. Cuando la CPU accede a X lugar en la memoria, el valor actual se almacena en la caché. Si se realizan operaciones posteriores en X, se actualizará la copia en caché de X, pero no la versión de memoria externa de X. Si la caché no se vacía en la memoria antes de que otro dispositivo intente acceder a X, el dispositivo recibirá un valor caducado de X.

Del mismo modo, si la copia en caché de X no es inválida cuando un dispositivo escribe un nuevo valor en la memoria, entonces la CPU funcionará con un valor caducado de X.

Este problema puede ser abordado en una de las dos formas en el diseño del sistema:

§  Los sistemas de caché coherente implementan un método en el hardware externo mediante el cual se escribe una señal en el controlador de caché, la cual realiza una invalidación de la caché para escritura de DMA o caché de descarga para lectura de DMA.

§  Los sistemas no-coherente dejan este software, donde el sistema operativo debe asegurarse de que las líneas de caché se vacían antes de que una transferencia de salida de DMA sea iniciada y anulada antes de que una parte de la memoria sea afectada por una transferencia entrante de DMA que se haya requerido. El sistema operativo debe asegurarse de que esa parte de memoria no es accedida por cualquier subproceso que se ejecute en ese instante. Este último enfoque introduce cierta sobrecarga a la operación de DMA, ya que la mayoría de hardware requiere un bucle para invalidar cada línea de caché de forma individual.

• Transferencias

Durante las operaciones del DMA, el rendimiento del sistema puede verse afectado debido a que este dispositivo hace un uso intensivo del bus y por lo tanto la cpu no puede leer datos de memoria, por ejemplo para leer la siguiente instrucción a ejecutar. Esto provoca que mientras el DMA esta operando, la cpu deba esperar a que finalice dicha tarea sin ejecutar ninguna instrucción. Para solventar esto, existe una memoria cache dentro de la CPU que permite a ésta seguir trabajando mientras el DMA mantiene ocupado el bus. En computadores que no disponen de memoria cache,el DMA debe realizar su tarea evitando ocupar el bus de datos mientras la CPU realiza la fase de captación de la instrucción. A partir de estas dos posibilidades, existen dos tipos de transferencias de datos del DMA:

Transferencias modo ráfaga

Una vez que la CPU concede el bus al DMA, este no lo libera hasta que finaliza su tarea completamente.

Este tipo de transferencia se usa en sistemas que disponen de una memoria cache en la unidad de procesamiento, ya que mientras la CPU puede seguir trabajando utilizando la cache.

Transferencias modo robo de ciclo

una vez que la CPU concede el bus al DMA, este lo vuelve a liberar al finalizar de transferir cada palabra. Teniendo que solicitar de nuevo el permiso de uso del bus a la CPU. Esta operación se repite hasta que el DMA finaliza la tarea. Este tipo de transferencia se suele usar en sistema que no disponen de memoria cache en la unidad de procesamiento, ya que de este modo, aunque la transferencia de datos tarda más en realizarse, la CPU puede seguir ejecutando instrucciones.

Buffer de E/S

Un buffer (o búfer) en informática es un espacio de memoria, en el que se almacenan datos para evitar que el programa o recurso que los requiere, ya sea hardware o software, se quede sin datos durante una transferencia.

Normalmente los datos se almacenan en un buffer mientras son transferidos desde un dispositivo de entrada (como un ratón) o justo antes de enviarlos a un dispositivo de salida (como unos altavoces). También puede utilizarse para transferir datos entre procesos, de una forma parecida a los bufferes utilizados en telecomunicaciones. Un ejemplo de esto último ocurre en una comunicación telefónica, en la que al realizar una llamada esta se almacena, se disminuye su calidad y el numero de bytes a ser transferidos, y luego se envian estos datos modificados al receptor.

Los buffers se utilizan, a menudo, conjuntamente con E/S de hardware, tal como unidades de disco, enviar o recibir datos a/o desde una red, o reproducción de sonido en un altavoz. Una línea a una montaña rusa en un parque de atracciones comparte muchas similitudes. Las personas que viajan en la montaña llegan, a menudo, a un ritmo desconocido y variable, pero la montaña rusa será capaz de cargar personas de golpe (tal como llegan se van montando). La zona de la cola actúa como un buffer: un espacio temporal donde los que deseen viajar deben esperar a que el viaje esté disponible. Los buffers utilizan generalmente un método FIFO (primero en entrar, primero en salir), es decir, la salida de datos se produce en el orden en que llegaron.