DMA

2.1 Pengertian DMA (Direct Memory Access)

Direct memory access (DMA) adalah suatu alat pengendali khusus disediakan untuk memungkinkan transfes blok data langsung antar perangkat eksternal dan memori utama, tanpa intervensi terus menerus dari prosesor. Transfer DMA dilakukan oleh sirkuit kontrol yang merupakan bagian dari antar muka perangkat I/O. Istilah ini yang sering banyak kita ketahui adalah sebagai kontroler DMA. Kontroler DMA melakukan fungsi yang biasanya dilakukan oleh prosesor pada saat mengakses memori utama (yang sering disebut :RAM). Untuk setiap word yang ditransfer, kontroler ini menyediakan alamat memori dan semua sinyal bus yang mengontrol transfer data. Karena harus mentransfer sejumlah blok data, maka kontroler DMA harus menaikkan alamat memori untuk word yang berurutan dan mencatat jumlah transfer.

Sekalipun kontroler DMA dapat mentransfer data tanpa intervensi dari prosesor, operasinya tetap berada dibawah kontrol program yang dieksekusi oleh prosesor. Untuk menginisiasi transfer suatu blok word, prosesor mengirim alamat awal, jumlah word dalam blok, dan arah transfer. Pada saat seluruh blok telah ditransfer, kontroler tersebut memberitahu prosesor dengan memunculkan sinyal interupt. Pada saat transfer DMA terjadi, program yang meminta transfer tersebut berhenti bekerja dan prosesor dapat digunakan untuk mengeksekusi program lain. Setelah transfer DMA selesai, prosesor dapat kembali ke program yang meminta transfer tersebut.

Operasi I/O selalu dilakukan oleh OS sebagai respon terhadap request dari program aplikasi. OS juga bertanggung jawab untuk menunda eksekusi satu program dan memulai eksekusi program lain. Sehingga, untuk operasi I/O yang melibatkan DMA, OS menetapkan program yang meminta transfer tsb pada keadaan blocked, menginisiasi operasi DMA, dan memulai eksekusi program lain. Pada saat transfer selesai, kontroler DMA memberitahu prosesor dengan mengirim interupt request. Sebagai responnya, OS menetapkan program yang ditunda ke keadaan runnable sehingga dapat dipilih oleh scheduler untuk melanjutkan eksekusi.

DMA ialah sebuah prosesor khusus (special purpose processor) yang berguna untuk menghindari pembebanan CPU utama oleh program I/O (PIO). Untuk memulai sebuah transfer DMA, host akan menuliskan sebuah DMA command block yang berisi pointer yang menunjuk ke sumber transfer, pointer yang menunjuk ke tujuan transfer, dan jumlah byte yang ditransfer, ke memori. CPU kemudian menuliskan alamat command block ini ke pengendali DMA, sehingga pengendali DMA dapat kemudian mengoperasikan bus memori secara langsung dengan menempatkan alamatalamat pada bus tersebut untuk melakukan transfer tanpa bantuan CPU.

DMA (Direct Memory Access) adalah suatu hardware spesial (chip) yang dapat mengontrol aliran bit data antara memory (RAM) dan beberapa controller dari I/O devices tanpa memerlukan interferensi dari CPU secara terus menerus. (Mengakses dan mengontrol memori sistem tanpa interferensi CPU secara terus menerus).

2.2 Jenis-Jenis DMA (Direct Memory Access)

Ada 2 jenis DMA, yaitu:

a.                   Third−party DMA, untuk melakukan operasi transfer data menggunakan DMA controller yang ada pada motherboard.

b.                  First−party DMA (busmastering DMA). Untuk melakukan operasi transfer data dikerjakan oleh bagian logic di interface card.

2.3  Struktur DMA (Direct Memory Access)

·         Transfer data dari buffer ke memori atau sebaliknya dilakukan per-karakter.

·         dimana setiap kali transfer selalu ada interruptdari CPU sebelum dan sesudah transfer.

·         Jika waktu untuk mentransfer satu karakter sebesar 2 µs dan sekali interrupt butuh 1ms, maka untuk mentransfer data dari memori kebuffer butuh 4 µs per karakter.

·         Dengan menggunakan DMA transfer data dapatdilakukan secara langsung oleh device controller per-blok tanpa ada campur tangan dari CPU.

·         CPU hanya memberikan interrupt sebelum dansesudah transfer setiap blok.

2.4 Fungsi DMA (Direct Memory Access)

Fungsi dari DMA sendiri adalah agar CPU dapat melakukan pekerjaan atau instruksi yang berbeda ketika melakukan operasi baca tulis dari perangkat peripheral. Tanpa adanya  DMA CPU akan terus sibuk melakukan operasi baca tulis (transfer data) dan tidak dapat melakukan atau menyelesaikan instruksi yang lain. Dengan adanya DMA, CPU cukup mempersiapkan DMA chip dengan cara memberikan beberapa informasi seperti jumlah data bit yang ditransfer, alamat dari device dan memory yang diperlukan dan arah dari aliran data tersebut, setelah itu DMA chip sendiri yang akan menyelesaikannya. DMA chip akan melakukan interupt, ketika pekerjaannya sudah selesai. Selama DMA chip melakukan tugasnya hingga munculnya interupt, CPU dapat menyelesaikan instruksi yang lainnya.

DMA chip atau DMA controller sangat beragam tergantung dari teknologi yang ditanamkan padanya, untuk menjelaskan cara kerjanya akan digunakan jenis yang paling sederhana, yaitu DMA chip yang menangani sebuah transfer setiap waktunya. Berikut ini cara kerjanya:

Pertama, CPU akan memprogram atau mengeset DMA chip dengan mengatur registerinya, agar DMA chip mengetahui apa saja yang perlu ditransfer dan kemana informasi tersebut perlu ditransfer. Selain itu CPU juga akan memberikan command atau perintah pada disk controller untuk membaca data dari disk dan menuliskannya pada internal buffer, serta melakukan checksum untuk memastikan tidak adanya error yang terjadi ketika membaca dan menuliskan data dari disk menuju internal buffer. Bila tidak ada terjadi error maka DMA chip dapat  memulai untuk melakukan transfer. DMA chip akan melakukan request kepada disk controller untuk melakukan transfer data menuju main memory (RAM). Selama melakukan transfer menuju memory akan terjadi bus cycle, dan setiap kali selesai menuliskan data pada memory, disk controller akan mengirim suatu sinyal (acknowledgement signal) pada DMA chip.

Kemudian DMA chip akan menaikkan alamat memory untuk digunakan dan melakukan pengurangan pada counter bit data. Proses dari DMA chip melakukan request sampai disk controller mengirimkan sinyal kembali pada DMA chip akan terus berlangsung hingga counter mencapai 0. Ketika counter mencapai 0, maka DMA chip akan melakukan interupt dan memberitahukan pada CPU bahwa proses transfer sudah selesai. Semua transfer data dan sinyal ini dikirimkan melalui suatu bus yang menghubungkan CPU, DMA chip (controller), Disk controller dan main memory. Berikut ini gambar untuk mempermudah penjelasan:

2.5 Metode Kerja DMA (Direct Memory Access)

Ada Beberapa Metode DMA dalam mentrasfer data :

a.                   Metode yang sangat baku dan sederhana disebut HALT, atau Burst  Mode DMA, karena pengendali DMA memegang kontrol dari sistem bus dan mentransfer semua blok data ke atau dari memori pada single burst. Selagi transfer masih dalam prosres, sistem mikroprosessor diset idle, tidak melakukan instruksi operasi untuk menjaga internal register. Tipe operasi DMA seperti ini ada pada kebanyakan komputer.

b.      Metode kedua, mengikutsertakan pengendali DMA untuk memegang kontrol dari sistem bus untuk jangka waktu yang lebih pendek pada periode dimana mikroprosessor sibuk dengan operasi internal dan tidak membutuhkan akses ke sistem bus. Metode DMA ini disebut cycle stealing mode. Cycle stealing DMA lebih kompleks untuk diimplementasikan dibandingkan HALT DMA, karena pengendali DMA harus mempunyai kepintaran untuk merasakan waktu pada saat sistem bus terbuka

Pada dasarnya cara kerja DMA terkait erat dengan : DMA controller, Processor,  Memory, I/Odevice. Adapun juga cara kerjanya sebagai berikut:

1.      I/O Device terhubung dengan DMA controller memberikan instruksi yang harus di proses

2.      DMA controller mengirimkan pemberitahuan ke processor akan ada proses yang dihandle oleh DMA controller

3.      Processor menginformasikan ke memory bahwa DMA akan mengakses memory untuk pemrosesan suatu instruksi

4.      DMA Controller terhubung dengan memory dan akses alamat, data yang diperlukan

5.      DMA controller mengirimkan hasil proses kembali ke I/O device

6.      Jika proses selesai, DMA controller kembali melaporkan ke processor bahwa proses telah beres dilakukan.

Menurut reverensi lain cara kerja DMA sebagai berikut:

CPU mengirimkan data data berikut ini ke DMA controller: Perintah read/write Alamat device yang akan diakses Alamat awal blok memori yang akan dibaca/ditulis Jumlah blok data yang akan ditransfer

·         CPU mengeksekusi program lain

·         DMA controller mengirimkan seluruh blok data (per satu word) langsung ke memori(tanpa melibatkan CPU)

·         DMA controller mengirim interrupt ke CPU jika telah selesai.

Dapat disimpulkan Prinsip sederhanya : DMA controller mengambil alih kerja processor dalam memproses instruksi yang masuk melalui I/O device. Processor cukup mendapatkan laporan saja bahwa akan ada tugas yang dihandle oleh DMA controller, dan setelah beres, tinggal nunggu laporan ” tugas beres”

(Gambar : Blog Diagram DMA)

2.6 Transfer DMA (Direct Memory Access)

Ada 3 langkah dalam transfer DMA :

a.                   Prosesor menyiapkan DMA transfer dengan menyedia kan data-data dari perangkat, operasi yang akan ditampilkan, alamat memori yang menjadi sumber dan tujuan data, dan banyaknya byte yang ditransfer.

b.                  Pengendali DMA memulai operasi (menyiapkan bus, menyediakan alamat, menulis dan membaca data), sampai seluruh blok sudah di transfer.

c.                   Pengendali DMA meng-interupsi prosesor  dimana selanjutnya akan ditentukan tindakan berikutnya.

2.7 Implementasi DMA

Dalam pelaksanaannya, beberapa komputer menggunakan memori fisik untuk proses DMA , sedangkan jenis komputer lain menggunakan alamat virtual dengan melalui tahap “penerjemahan” dari alamat memori virtual menjadi alamat memori fisik, hal ini disebutDirect Virtual-Memory Address atau DVMA. Keuntungan dari DVMA adalah dapat mendukung transfer antara dua memori mapped device tanpa intervensi CPU.

2.8 Konfigurasi modul DMA

a.                   Konfigurasi 1 (Single Bus)

·         Hanya menggunakan single bus

·         DMA dan modul I/O terpisah

·         Setiap transfer harus mengakses bus 2 kali:
modul I/O ke DMA kemudian DMA ke memori

·         Lebih lambat CPU (tertunda 2 kali)

b.      Konfigurasi 2 (Single Bus, Integrated DMA-I/O)

·         Hanya menggunakan single bus

·         Modul I/O terintegrasi

·         Satu DMA controller dapat menangani >1 modul I/O

·         Setiap transfer hanya perlu mengakses bus satu kali saja DMA ke memori

·         CPU hanya tertunda satu kali (lebih baik dari konfigurasi 1)

c.       Konfigurasi 3 (IO Bus)

·         Digunakan bus I/O secara terpisah

·         Lebih hemat hardware◊Semua modul I/O cukup dilayani dengan sebuah DMA

·         Setiap transfer hanya perlu mengakses bus satu kali saja DMA ke memori

·         CPU hanya tertunda (lebih baik dari konfigurasi 2)

2.9 Proses Handshaking pada DMA

Proses handshaking antara pengendali DMA dan pengendali perangkat dilakukan melalui sepasang kabel yang disebut DMA-request dan DMA-acknowledge. Pengendali perangkat mengirimkan sinyal melalui DMA-request ketika akan mentransfer data sebanyak satu word. Hal ini kemudian akan mengakibatkan pengendali DMA memasukkan alamat-alamat yang dinginkan ke kabel alamat memori, dan mengirimkan sinyal melalui kabel DMA-acknowledge. Setelah sinyal melalui kabel DMA-acknowledgediterima, pengendali perangkat mengirimkan data yang dimaksud dan mematikan sinyal pada DMA-request.

Hal ini berlangsung berulang-ulang sehingga disebut handshaking. Pada saat pengendali DMA mengambil alih memori, CPU sementara tidak dapat mengakses memori (dihalangi), walau pun masih dapat mengaksees data pada cache primer dan sekunder. Hal ini disebut cycle stealing, yang walau pun memperlambat komputasi CPU, tidak menurunkan kinerja karena memindahkan pekerjaan data transfer ke pengendali DMA meningkatkan performa sistem secara keseluruhan.

2.10 Keuntungan menggunakan DMA:

·         Dapat dilihat pada operasi multiasking seperti UNIX.

·         Transfer data dengan mode DMA akan menghemat sumberdaya CPU sehingga CPU dapat melakukan pekerjaan yang lain.

·         Sedangkan pada DOS (yang merupakan operasi single-tasking) harus menunggu sampai proses selesai terlebih dahulu baru kemudian bisa menjalankan proses berikutnya

Sumber : http://fajarjabrik.blogspot.com/2014/11/makalah-organisasi-komputer-direct.html#ixzz4RFobzwsQ
Follow us: @fajar_jabrik on Twitter | 546577202031418 on Facebook