Шины PCI, USB и FireWire

Устройства PCI имеют возможность сигнализации об асинхронных событиях с помощью прерываний. На шине PCI возможны четыре типа сигнализации прерываний:

• традиционная проводная сигнализация по линиям INTx;

• проводная сигнализация событий управления энергопотреблением по линии PME#;

• сигнализация с помощью сообщений – M5I; • сигнализация фатальной ошибки по линии SERR#.

В данной главе рассматриваются все эти типы сигнализации, а также общая картина поддержки аппаратных прерываний в PC-совместимых компьютерах.

Аппаратные прерывания в PC-совместимых компьютерах

Аппаратные прерывания обеспечивают реакцию процессора на события, происходящие асинхронно по отношению к исполняемому программному коду. Прерывания в процессорах x86, используемых в PC-совместимых компьютерах, подробно рассмотрены в литературе [2]. Напомним, что аппаратные прерывания делятся на маскируемые и немаскируемые. Процессор x86 по сигналу прерывания приостанавливает выполнение текущего потока инструкций, сохраняя в стеке состояние (флаги и адрес возврата), и выполняет процедуру обработки прерывания. Конкретная процедура обработки выбирается из таблицы прерываний по вектору прерывания – однобайтному номеру элемента в данной таблице. Вектор прерывания доводится до процессора разными способами: для немаскируемого прерывания он фиксирован, для маскируемых прерываний его сообщает специальный контроллер прерываний. Кроме аппаратных прерываний у процессоров x86 имеются также внутренние прерывания – исключения (exceptions), связанные с особыми случаями выполнения инструкций, и программные прерывания. Для исключений вектор определяется самим особым условием, и под исключения фирмой Intel зарезервированы первые 32 вектора (0-31 или 00-1Fh). В программных прерываниях номер вектора содержится в самой инструкции (программные прерывания – это лишь специфический способ вызова процедур по номеру, с предварительным сохранением в стеке регистра флагов). Все эти прерывания используют один и тот же набор из 256 возможных векторов. Исторически сложилось так, что векторы, используемые для аппаратных прерываний, пересекаются с векторами исключений и векторами для программных прерываний, используемых для вызовов сервисов BIOS и DOS. Таким образом, для ряда номеров векторов процедура, на которую ссылается таблица прерываний, должна в начале содержать программный код, определяющий, по какому поводу она вызвана: из-за исключения, аппаратного прерывания или же для вызова какого-то системного сервиса. Таким образом, процедура, собственно и обеспечивающая реакцию процессора на то самое асинхронное событие, будет вызвана только после ряда действий по идентификации источника прерываний. Здесь еще заметим, что один и тот же вектор прерывания может использоваться и несколькими периферийными устройствами – это так называемое разделяемое использование прерываний, которое подробно обсуждается ниже.

Вызов процедуры обслуживания прерываний в реальном и защищенном режимах процессора существенно различается:

• в реальном режиме таблица прерываний содержит 4-байтные дальние указатели (сегмент и смещение) на соответствующие процедуры, которые вызываются дальним вызовом (Call Far с предварительным сохранением флагов). Размер (256 х 4 байт) и положение таблицы (начинается с адреса 0) фиксированы;

• в защищенном режиме (и в его частном случае – режиме V86) таблица содержит 8-байтные дескрипторы прерываний, которые могут быть шлюзами прерываний (interrupt Gate), ловушек (Trap Gate) или задач (Task Gate). Размер таблицы может быть уменьшен (максимальный – 256 х 8 байт), положение таблицы может меняться (определяется содержимым регистра iDT процессора). Код обработчика прерываний должен быть не менее привилегированным, чем код прерываемой задачи (иначе сработает исключение защиты). По этой причине обработчики прерываний должны работать на уровне ядра ОС (на нулевом уровне привилегий). Смена уровня привилегии при вызове обработчика приводит к дополнительным затратам времени на переопределение стека. Прерывания, вызывающие переключение задач (через Task Gate), расходуют значительное время на переключение контекста – выгрузку регистров процессора в сегмент состояния старой задачи и их загрузку из сегмента состояния новой.

Номера векторов, используемых для аппаратных прерываний в операционных системах защищенного режима, отличаются от номеров, используемых в ОС реального режима, чтобы исключить их конфликты с векторами, используемыми для исключений процессора.

На немаскируемое прерывание (NMI – Non-Maskable Interrrupt) процессор реагирует всегда (если обслуживание предыдущего NMI завершено); этому прерыванию соответствует фиксированный вектор 2. Немаскируемые прерывания в PC используются для сигнализации о фатальных аппаратных ошибках. Сигнал на линию NMI приходит от схем контроля памяти (четности или ECC), от линий контроля шины ISA (IOCHK) и шины PCI (SERR#). Сигнал NMI блокируется до входа процессора установкой в 1 бита 7 порта 070h, отдельные источники разрешаются и идентифицируются битами порта 061h:

• бит 2 R/W – ERP – разрешение контроля ОЗУ и сигнала SERR# шины PCI;

• бит 3 R/W – EIC – разрешение контроля шины ISA;

• бит 6 R – IOCHK – ошибка контроля на шине ISA (сигнал IOCHK#);

• бит 7 R – PCK – ошибка четности ОЗУ или сигнал SERR# на шине PCI.

Реакция процессора на маскируемые прерывания может быть задержана сбросом его внутреннего флага IF (инструкция CLI запрещает прерывания, STI – разрешает). Маскируемые прерывания используются для сигнализации о событиях в устройствах. По возникновении события, требующего реакции, адаптер (контроллер) устройства формирует запрос прерывания, который поступает на вход контроллера прерываний. Задача контроллера прерываний – довести до процессора запрос прерывания и сообщить вектор, по которому выбирается программная процедура обработки прерываний.

Процедура обработки прерывания от устройства должна выполнить действия по обслуживанию данного устройства, включая сброс его запроса для обеспечения возможности реакции на следующие события, и послать команды завершения в контроллер прерываний. Вызывая процедуру обработки, процессор автоматически сохраняет в стеке значение всех флагов и сбрасывает флаг IF, что запрещает маскируемые прерывания. При возврате из этой процедуры (по инструкции IRET) процессор восстанавливает сохраненные флаги, в том числе и установленный (до прерывания) IF, что снова разрешает прерывания. Если во время работы обработчика прерываний требуется реакция на иные прерывания (более приоритетные), то в обработчике должна присутствовать инструкция STI. Особенно это касается длинных обработчиков; здесь инструкция STI должна вводиться как можно раньше, сразу после критической (не допускающей прерываний) секции. Следующие прерывания того же или более низкого уровня приоритета контроллер прерываний будет обслуживать только после получения команды завершения прерывания EOI (End Of Interrupt).

В IBM PC-совместимых компьютерах применяется два основных типа контроллеров прерываний:

• PIC (Peripheral Interrupt Controller) – периферийный контроллер прерываний, программно совместимый с «историческим» контроллером 8259A, применявшимся еще в первых моделях IBM PC. Со времен IBM PC/AT применяется связка из пары каскадно соединенных PIC, позволяющая обслуживать до 15 линий запросов прерываний;

• APIC (Advanced Peripheral Interrupt Controller) – усовершенствованный периферийный контроллер прерываний, введенный для поддержки мультипроцес

• сорных систем в компьютеры на базе процессоров 4–5 поколений (486 и Pentium) и используемый поныне для более поздних моделей процессоров. Кроме поддержки мультипроцессорных конфигураций современный APIC позволяет увеличивать число доступных линий прерываний и обрабатывать запросы прерываний от устройств PCI, посылаемые через механизм сообщений (MSI). Компьютер, оснащенный контроллером APIC, обязательно имеет возможность функционировать и в режиме, совместимом со стандартной связкой пары PIC. Этот режим включается по аппаратному сбросу (и включению питания), что позволяет использовать старые ОС и приложения MS DOS, «не знающие» APIC и мультипроцессирования.

Традиционная схема формирования запросов прерываний с использованием пары PIC изображена на рис. 3.1.

На входы контроллеров прерываний поступают запросы от системных устройств (клавиатура, системный таймер, CMOS-таймер, сопроцессор), периферийных контроллеров системной платы и карт расширения. Традиционно все линии запросов, не занятые перечисленными устройствами, присутствуют на всех слотах шины ISA/ EISA. Эти линии обозначаются как IRQx и имеют общепринятое назначение (табл. 3.1). Часть этих линий отдается в распоряжение шины PCI. В таблице отражены и приоритеты прерываний – запросы расположены в порядке их убывания. Номера векторов, соответствующих линиям запросов контроллеров, система приоритетов и некоторые другие параметры задаются программно при инициализации контроллеров. Эти основные настройки остаются традиционными для обеспечения совместимости с программным обеспечением, но различаются для ОС реального и защищенного режимов. Так, например, в ОС Windows базовые векторы для ведущего и ведомого контроллеров – 50h и 58h соответственно.

Каждому устройству, для поддержки работы которого требуются прерывания, должен быть назначен свой номер прерывания. Назначения номеров прерываний выполняются с двух сторон: во-первых, адаптер, нуждающийся в прерываниях, должен быть сконфигурирован на использование конкретной линии шины (джампе-рами или программно). Во-вторых, программное обеспечение, поддерживающее данный адаптер, должно быть проинформировано о номере используемого вектора. В процессе назначения прерываний может участвовать система PnP для шин ISA и PCI, для распределения линий запросов между шинами служат специальные параметры CMOS Setup. Современные ОС имеют возможность изменить назначение запросов относительно распределения, сделанного через CMOS Setup.

После того как произведено конфигурирование системы прерываний (проинициа-лизирован контроллер прерываний, устройствам назначены линии запросов и установлены указатели на процедуры обработки), отработка маскируемых аппаратных прерываний происходит следующим образом:

• устройство по событию прерывания возбуждает назначенную ему линию запроса прерывания;

• контроллер принимает сигналы запросов от источников прерываний (сигналы IRQx) и при наличии незамаскированного запроса подает сигнал общего запроса прерывания (сигнал INTR) процессору x86;