Архитектурные компоненты IBM PC-совместимого компьютера
Аппаратные интерфейсы, описанные в книге, в IBM-PC-совместимом компьютере «живут» в специфическом архитектурном окружении. Эту специфику приходится учитывать при проектировании аппаратной части устройств, чтобы обеспечить с ними эффективное программное взаимодействие. В этой главе вкратце рассматриваются особенности процессоров x86 и связанные с этими особенностями распределение памяти, организация ввода-вывода и прерываний. Здесь же рассматривается традиционный контроллер DMA, системные средства измерения времени, а также способы внедрения собственных расширений BIOS и нетрадиционной (бездисковой) загрузки ПО в специализированные компьютеры на базе IBM PC.
Пространство физической памяти
Основную часть физического адресного пространства PC занимает оперативная память (ОЗУ), начинающаяся с нулевого адреса. В нее вклинивается область адресов A0000h-FFFFFh — Upper Memory Area (UMA ), 384 Кбайт — верхняя память, зарезервированная со времен IBM PC для системных нужд. В UMA размещаются области буферной памяти адаптеров шины (E)ISA (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). ОЗУ продолжается и за областью UMА. Под самой верхней границей физического адресного пространства имеется образ памяти системной ROM BIOS.
Для доступности сервисов BIOS в реальном режиме все ПК имеют образ ROM BIOS в адресах E0000h-FFFFFh или F0000h-0FFFFFh. Кроме того, образ BIOS должен находиться и под самой верхней границей адресного пространства, поскольку все процессоры х86 по аппаратному сбросу стартуют с адреса начала последнего параграфа памяти (FFFF0h — 8086/88, FFFFF0h — 80286 и 386SX, FFFFFFF0h — 386DX и выше с 32-разрядной шиной адреса, FFFFFFFF0h — P6 и выше с 36-разрядной шиной адреса).
Для компьютеров класса АТ-286 и 386SX с 24-битной шиной адреса верхняя граница оперативной памяти — FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит образ ROM BIOS, обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh.
Для ПК на процессорах 386DX и выше с 32-битной шиной адреса теоретический предел объема ОЗУ — почти 4 Гбайт, верхний образ BIOS находится в адресах FFFE0000h-FFFFFFFFh. Для ПК на процессорах P6+ с 36-битной шиной адреса предел объема ОЗУ — почти 64 Гбайт и верхний образ BIOS находится в адресах FFFFE0000h-FFFFFFFFFh.
Области физических адресов, не занятые ОЗУ и ROM BIOS, могут быть использованы устройствами шин (E)ISA и PCI (AGP).
Для памяти адаптеров, устанавливаемых в шину ISA, безусловно доступна часть области адресов UMA A0000h-EFFFFh или A0000h-DFFFFh (до начала ROM BIOS). В этой области располагаются и модули расширений BIOS (см. п. 12.7.1). Карты ISA могут иметь память и в области FE0000h-FFFFFFh, но она программно доступна лишь в защищенном (и большом реальном) режимах процессора. Для отображения этой области памяти на шину ISA (а не ОЗУ) в CMOS Setup предусмотрен параметр Memory Hole At 15-16М, но его включение не позволит использовать оперативную память свыше 15 Мбайт.
Поскольку шина ISA имеет 24-разрядную шину адреса, ведущие устройства этих шин (ISA Bus Master) способны обращаться к памяти (ОЗУ и память адаптеров) в пределах первых 16 Мбайт (000000-FFFFFFh). To же ограничение касается и стандартного контроллера DMA, которым могут пользоваться устройства шины ISA (и иные устройства системной платы).
Шина PCI имеет 32-разрядную шину адреса, так что ее ведущим устройствам доступна вся физическая память[5]. Для устройств PCI могут выделяться любые области адресов, свободные от ОЗУ, ROM BIOS и устройств ISA. Области адресов памяти, используемые каждым устройством PCI, описаны в заголовках их конфигурационных пространств. Эти данные требуются при распределении ресурсов и настройке мостов PCI в процессе инициализации шины.
Пространство ввода-вывода
Пространство ввода-вывода в IBM PC, как и в процессорах х86, отделено от пространства памяти. У всех этих процессоров, в том числе и 32-разрядных, в пространстве ввода-вывода используется 16-разрядная адресация (диапазон адресов 0-FFFFh). Для дешифрации адресов портов в оригинальном PC из 16 бит использовались только младшие 10 (А0-А9), что обеспечивает обращением портам в диапазоне адресов 0-3FFL Старшие биты адреса, хотя и поступают на шину, устройствами игнорируются. В результате обращения по адресам, к примеру 378h, 778h, B78h и F78h, будут восприниматься устройствами одинаково. Это упрощение, нацеленное на снижение стоимости как системной платы, так и схем плат адаптеров, для шины ISA никто не отменял. Традиционные адаптеры для шины ISA, называемые Legacy Card («наследие тяжелого прошлого»), для старших бит адреса не имеют даже печатных ламелей на своем краевом разъеме. Впоследствии перешли к 12-битной адресации устройств шины ISA, но ее приходится применять с оглядкой на возможное присутствие устройств с 10-битной адресацией. В адаптерах для шин MCA и PCI и во всех современных системных платах используются все 16 бит адреса. Карта распределения адресов ввода-вывода стандартных устройств PC приведена в табл. 12.1. Эта карта подразумевает 10-битную дешифрацию адреса. Естественно, что в конкретном компьютере реально присутствуют не все перечисленные устройства, но в то же время там могут оказаться другие, не попавшие в таблицу.
Таблица 12.1 . Стандартная карта портов ввода-вывода
| AT и PS/2 | PC/XT | Назначение |
| 000-00F | 000-00F | Контроллер DMA #1 8237 |
| 010-01F | PS/2 — расширение DMA#1 | |
| 020-021 | 020-021 | Контроллер прерываний #1 — 8259A |
| 040-05F | 040-043 | Таймер (PC/XT: 8253, AT: 8254) |
| Диагностический регистр POST (только запись) | ||
| 060-063 | Системный интерфейс 8255 | |
| 060, 064 | Контроллер клавиатуры AT 8042 | |
| Источники NMI и управление звуком | ||
| 070-07F | Память CMOS и маска NMI | |
| Диагностический регистр | ||
| 080-08F | 080-083 | Регистры страниц DMA |
| 090-097 | PS/2 микроканал, арбитр | |
| 0А0 | Маска NMI | |
| 0A0-0BF | Контроллер прерываний #2 — 8259A | |
| 0C0-0DF | Контроллер DMA #2 8237A-5 | |
| 0F0-0FF | Сопроцессор 80287 | |
| 100-1EF | PS/2 управление микроканалом | |
| 170-177 | Контроллер НЖМД #2 (IDE#2) | |
| 1F0-1F7 | Контроллер НЖМД #1 (IDE#1) | |
| 200-207 | 200-20F | Игровой адаптер |
| 210-217 | Блок расширений | |
| 238-23F | COM4 | |
| 278-27F | 278-27F | Параллельный порт LPT2 (LPT3 при наличии MDA) |
| 2A2-2A3 | часы MSM48321RS | |
| 2C0-2DF | 2C0-2DF | EGA #2 |
| 2E0-2E7 | COM4 | |
| 2E8-2EF | COM4 | |
| 2F8-2FF | 2F8-2FF | COM2 |
| 300-31F | Плата прототипа | |
| 320-32F | Жесткий диск XT | |
| 338-33F | COM3 | |
| 370-377 | Контроллер НГМД #2 | |
| 376-377 | Порты команд IDE#2 | |
| 378-37F | 378-37F | Параллельный порт LPT1 (LPT2 при наличии MDA) |
| 380-38F | 380-38F | Синхронный адаптер SDLC/BSC #2 |
| 3A0-3AF | 3A0-3A9 | Синхронный адаптер BSC#1 |
| 3B0-3BB | 3B0-3BB | Монохромный адаптер (MDA) |
| 3B4-3C9 | PS/2 видеосистема | |
| 3BC-3BF | 3BC-3BF | Параллельный порт LPT1 платы MDA |
| 3C0-3CF | 3C0-3CF | EGA#1 |
| 3C0-3DF | 3C0-3DF | VGA |
| 3D0-3DF | 3D0-3DF | CGA/EGA |
| 3E0-3E7 | COM3 | |
| 3E8-3EF | COM3 | |
| 3F0-3F7 | 3F0-3F7 | Контроллер НГМД #1 |
| 3F6-3F7 | Порты команд IDE#1 | |
| 3F8-3FF | 3F8-3FF | COM1 |
Каждой шине назначается своя область адресов ввода, поэтому дешифратор адресов, расположенный на системной плате, при чтении открывает соответствующие буферы данных, так что реально считываться будут данные только с одной шины. При записи в порты данные (и сигнал записи) могут распространяться по всем шинам компьютера. В стандартном распределении адреса 0h-0FFh отведены для устройств системной платы. При наличии (и разрешении работы) периферийных устройств на системной плате чтение по этим адресам не распространяется на шины расширения. Для современных плат со встроенной периферией и несколькими шинами (ISA, PCI) распределением адресов управляет BIOS через регистры конфигурирования чипсета.
Аппаратные прерывания
Аппаратные прерывания обеспечивают реакцию процессора на события, происходящие асинхронно по отношению к исполняемому программному коду. Прерывания в процессорах х86 подробно рассмотрены в литературе [6, 7]. Здесь напомним, что аппаратные прерывания делятся на маскируемые и немаскируемые.
На немаскируемое прерывание (NMI) 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 паритета памяти, от линий контроля шины ISA (IOCHK) или 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 (инструкции СLI — запретить прерывания, STI — разрешить). По возникновении события, требующего реакции, адаптер (контроллер) устройства формирует запрос прерывания, который поступает на вход контроллера прерываний. Контроллер прерываний формирует общий запрос маскируемого прерывания для процессора, а когда процессор подтверждает этот запрос, контроллер сообщает процессору вектор прерывания, по которому выбирается программная процедура обработки прерываний. Процедура должна выполнить действия по обслуживанию данного устройства, включая сброс его запроса для обеспечения возможности реакции на следующие события и посылку 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 процедуры (по инструкции IRET) процессор восстанавливает сохраненные флаги, в том числе и установленный 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).
Маскируемые прерывания используются для сигнализации о событиях в устройствах. Обработка сигналов запросов прерывания выполняется контроллером прерываний, программно совместимым с 8259A. Контроллер прерываний позволяет маскировать отдельные входы запросов и организовывать систему приоритетов запросов от различных входов. В машинах класса AT применяется каскадное соединение двух контроллеров. Ведущий контроллер 8259А#1 обслуживает запросы 0, 1, 3–7; его выход подключается к входу запроса прерываний процессора. К его входу 2 подключен ведомый контроллер 8259А#2, который обслуживает запросы 8-15. При этом поддерживается вложенность приоритетов — запросы 8-15 со своим рядом убывающих приоритетов вклиниваются между запросами 1 и 3 ведущего контроллера, приоритеты запросов которого также убывают с ростом номера. В XT каскадирование не применялось, и один контроллер 8259А обслуживал все 8 линий запросов.
Контроллер прерываний i8259A подробно описан в литературе [1, 7]; здесь приведем лишь необходимые сведения, в большинстве случаев достаточные для работы. Контроллеры расположены по адресам 20-21h (8259A#1) и A0-A1h (8259A#2), обращаться к ним следует как к однобайтным портам ввода-вывода. После инициализации (процедурой POST и при загрузке ОС) все неиспользуемые входы контроллеров замаскированы (на запросы прерываний реагировать не будут), а их векторы прерываний указывают на «заглушку» — процедуру с единственной инструкцией IRET. Первым делом программа должна загрузить в память свой обработчик и подставить указатель на его начало в соответствующее место таблицы прерываний. Далее следует размаскировать вход, для чего выполняется чтение регистра маски (адрес 21h для 8259А#1, A1h для 8259А#2), обнуление соответствующего бита (см. табл. 12.2) и запись в регистр нового значения маски. При работе с контроллером прерываний от программы требуется лишь управление маской своего запроса (при инициализации программы нужно обнулить маску требуемого запроса) и корректное завершение обработки прерываний. Каждая процедура обработки аппаратного прерывания должна завершаться командой EOI (End Of Interruption), посылаемой контроллеру:
♦ для 1-го контроллера — посылка байта 20h по адресу 20h;
♦ для 2-го контроллера — посылка байта 20h по адресу A0h (EOI для ведомого контроллера), затем посылка байта 20h по адресу 20h (EOI для ведущего контроллера).
Таблица 12.2 . Аппаратные прерывания (в порядке убывания приоритета)
| Имя (номер¹) | Вектор | Контроллер/маска | Описание |
| NMI | 02h | Контроль канала, паритет (в XT — сопроцессор) | |
| IRQ0 | 08h | #1/1h | Таймер (канал 0 8253/8254) |
| IRQ1 | 09h | #1/2h | Клавиатура |
| IRQ2 | 0Ah | #1/4h | XT — резерв, AT — недоступно (подключается каскад IRQ8-IRQ15) |
| IRQ8 | 70h | #2/1h | CMOS RTC — часы реального времени |
| IRQ9 | 71h | #2/2h | Резерв |
| IRQ10 | 72h | #2/4h | Резерв |
| IRQ11 | 73h | #2/8h | Резерв |
| IRQ12 | 74h | #2/10h | PS/2-Mouse (резерв) |
| IRQ 13 | 75h | #2/20h | Математический сопроцессор |
| IRQ14 | 76h | #2/40h | HDC — контроллер НЖМД |
| IRQ15 | 77h | #2/80h | Резерв |
| IRQ3 | 0Bh | #1/4h | COM2, COM4 |
| IRQ4 | 0Ch | #1/10h | COM1, COM3 |
| IRQ5 | 0Dh | #1/20h | XT — HDC, AT — LPT2, Sound (резерв) |
| IRQ6 | 0Eh | #1/40h | FDC — контроллер НГМД |
| IRQ7 | 0Fh | #1/80h | LPT1 — принтер |
¹ Запросы прерываний 0, 1, 8 и 13 на шины расширения не выводятся.
Некорректно завершенная процедура не позволит повторно использовать данный или другие запросы прерываний. Если обработчик прерывания удаляется из памяти, предварительно должен быть замаскирован соответствующий ему вход контроллера. Все изменения в таблице прерываний должны выполняться при замаскированных прерываниях, чтобы избежать попытки использования вектора в процессе его модификации (это приведет к «вылету» программы).
На входы контроллеров прерываний поступают запросы от системных устройств (клавиатура, системный таймер, CMOS-таймер, сопроцессор), периферийных контроллеров системной платы и от 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. 12.2). 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.
Для запросов прерывания с шины PCI используются 4 линии запросов прерывания, которые обозначают как INTR А, В, С, D. Эти линии работают по низкому уровню, что дает возможность их разделения (совместного использования). Линии циклически сдвигаются в слотах и независимо коммутируются на доступные линии IRQx с помощью конфигурационных регистров чипсета. Линии IRQx, используемые шиной PCI, становятся недоступными для шины ISA. «Дележку» линий между шинами, а также управление чувствительностью отдельных линий обеспечивают параметры CMOS Setup, а также система PnP. В параметрах ISA или Legacy подразумевают использование линий IRQx традиционными адаптерами шины ISA (статическое распределение), a PCI/PnP — использование адаптерами шины PCI или адаптерами PnP для шины ISA (динамическое распределение). Общая схема формирования запросов прерываний изображена на рис. 12.1.
Рис. 12.1 . Коммутация запросов прерываний
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 (джамперами 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.
Контроллер прерываний позволяет программировать свои входы на чувствительность к уровню или перепаду сигнала.
♦ Чувствительность к уровню (level sensitive) означает, что контроллер прерываний вырабатывает запрос прерывания процессора по факту обнаружения определенного уровня (на ISA — высокого) на входе DRQx. Если к моменту завершения обработки этого запроса (после записи команды EOI в регистр контроллера прерываний) контроллер снова обнаруживает активный уровень на том же входе DRQx, то он снова сформирует запрос на прерывание процессора.
♦ Чувствительность к перепаду (edge sensitive) означает, что контроллер прерываний вырабатывает запрос прерывания процессора только по факту обнаружения перепада (на ISA — положительного) на входе DRQx. Повторно запрос по этому входу возможен только по следующему такому же перепаду, то есть сигнал предварительно должен вернуться в исходное состояние.
В любом случае сигнал запроса аппаратного прерывания IRQx должен удерживаться генерирующей его схемой, по крайней мере, до цикла подтверждения прерывания процессором. В противном случае источник прерывания корректно идентифицирован не будет, и контроллер сообщит ложный вектор прерывания (spurious interrupt), соответствующий его входу с максимальным номером (IRQ7 для первого контроллера и IRQ15 для второго). Обычно адаптеры строят так, что сигнал запроса сбрасывается при обращении программы обслуживания прерывания к соответствующим регистрам адаптера.
В шине ISA прерывание вырабатывается по положительному перепаду сигнала на линии запроса. Это плохо по двум причинам: такой способ подачи сигнала, во-первых, имеет меньшую помехозащищенность, чем срабатывание по отрицательному перепаду, во-вторых, отрезает путь к нормальному разделению линий запросов (см. ниже), для которого полностью пригоден способ подачи сигнала по низкому уровню. Поскольку традиционный контроллер позволяет задавать чувствительность — уровень (Level) или перепад (Edge) — только для всех входов одновременно, в общем случае разделяемые прерывания на шине ISA вместе с корректной работой системных устройств использоваться не могут.
На современных системных платах функции контроллеров прерываний возлагаются на чипсет, который может иметь и более гибкие возможности управления, чем пара контроллеров 8259A. В операционном режиме всегда сохраняется программная совместимость с 8259A. Процедура инициализации контроллеров может и отличаться от традиционной, но ею занимается тест POST, который «знает» особенности системной платы. В симметричных мультипроцессорных системах аппаратные прерывания работают сложнее, поскольку их могут обслуживать различные процессоры. Для реализаций системы прерываний процессоры Pentium и выше имеют встроенный контроллер прерываний APIC (Advanced Programmable Interruption Controller). Внутренние контроллеры процессоров связаны между собой по шине APIC, к которой подключена и «ответная часть» чипсета, преобразующая запросы аппаратных прерываний в сигналы протокола APIC. В операционном режиме такая связка также совместима с 8259A.