【コラム】

セカンド・オピニオン

55 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(16)

 

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○シェアードバスのアーキテクチャ(4)

今回はDMAの続きを説明したい。さて、大量のデータを移動するにはどうすれば良いか? これには2つの発想の転換が必要だった。

  1. CPUを使わない
    従来のI/O命令を使う限り、高速アクセスを行う場合には十分なスピードを得る事が出来ない。前回の例で示したとおり、x86を例に取れば1回の転送あたり最低でも2命令(実際には3~4命令になるだろう)を要することになるから、CPUを介さずにデータの転送を行わなければならない。
  2. バースト転送
    毎回、転送命令→データ転送→転送命令→データ転送→....を繰り返していたら、バスの転送効率はどんなに高くても50%程度ということになる。実際にはコマンドオーバーヘッドやら、転送リクエスト→データ転送開始までのオーバーヘッドなどもあるから、実質10%に満たない事も珍しくない。例えばPCIバスだと32bit/33MHzで、カタログ上の転送速度は133MB/secということになるが、これをポートI/O転送で利用すると実質的な転送速度は2~6MB/sec程度まで低下してしまう。そこで転送方法を、転送命令→データ転送→データ転送→データ転送→....という具合にすることで、効率を上げることにした(こうした転送の仕方を一般的にバースト転送と呼ぶ)。

以上の2つを実現するために必要なものを考えると、

  1. バースト転送を実現するためには、送信側は切れ目無くデータをバスに送り出し、受信側は切れ目無くこれを受け取らなければ意味が無い。そこで、DMA転送で1回に転送できる分のバッファメモリを各デバイスは持ち、言わばI/Oバスを介してMemory to Memoryのコピーを行えるようにする。
  2. 転送自体にCPUが介在しないため、転送が終わった事をバスコントローラからCPUに通知するメカニズム。CPU側はこの通知を受け取るメカニズム。

の2つが必要となる。これを実装するとどんな手順になるかをまとめたのが、図1だ。

(図1)DMAのメカニズム

ここでDevice2からDevice1(CPU側)にデータを送る事を考えると、

  1. Bus ControllerからDevice2に対して転送リクエストを出す
  2. これを受け、Device2は自分のローカルバッファから、Device1のローカルバッファに対してバースト転送を掛ける(図中の赤の実線)
  3. 転送が終わったら、Bus ControllerからCPUに転送完了の通知を行う(図中の緑の実線)
  4. CPUは、Device1のローカルバッファから、自分のメモリにデータを転送する(図中の青の実線)

といったシーケンスを取る事になる。ちなみにここで(3)のために利用されるのが「割込み」(Interrupt)という仕組みだ。IBM-PC/ATアーキテクチャでは、ハードウェアから利用できる割込みが16種類(x86自体は256種類の割込みがハンドリングできるが、大半はソフトウェア側で使われており、ハードウェアから利用できるものはごくわずかである)用意されていた。今は事実上無くなってしまったISAバスでは、各デバイス毎に異なった割込みを割り当てる必要があり、拡張カードを増やしてゆくと割り込みの干渉が大問題となったりした。これを回避するためにConnect Interruptなんて仕組みやPnP(Plug & Play)による割込みの自動割当なんぞも登場したりしたのだが、これらは本論から外れるのでここでは論じない。

同じ事をI/O命令を使った場合はというと、

  1. Bus ControllerからDevice2に対して転送リクエストを出す
  2. Device2のローカルバッファから1回分のデータが送り出され、Bus Controllerを経由してCPUに送り込まれる(図中の赤の破線)
  3. CPUからメモリに書き込まれる(図中の青の破線)

というシーケンスとなる。

さてこの図1の仕組みの場合、確かにバスの転送効率自体は上がるのであるが、トータルのI/O性能はI/O命令を使っていたときと大差ない。というのは、DMAを使ってDevice2のバッファメモリからDevice1のバッファメモリへは高速に転送される訳だが、ここからもう一回、Memoryへのデータの移し変えが発生するからだ。この作業は結局CPUが行う事になるため、結局CPUがI/Oに介在するのと大して変わらないことになる。

そこで、これをもう一歩進めたのがメモリマッピングを利用した方式だ。次回は、この方式について説明したい。

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