ISA Bus (Industry Standard Architecture) — шина расширения, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом, В компьютере XT использовалась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса — 20 бит. В компьютерах AT ее расширили до 16 бит данных и 24 бит адреса. Конструктивно, как показано на рис. 6.1, шина выполнена в виде двух щелевых разъемов с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма). В подмножестве ISA-8 используется только 62-контактный слот (ряды А, В), в ISA-16 применяется дополнительный 36-контактный слот (ряды С, D). Шина PC/104, разработанная для встраиваемых контроллеров на базе PC, отличается от обычной ISA только конструктивно. В шине EISA — дорогом 32-разрядном расширении ISA — используется «двухэтажный» слот, позволяющий устанавливать и обычные карты ISA.

Рис. 6.1. Слот ISA

Для шины ISA выпущено (и продолжает выпускаться) огромное количество разнообразных карт расширения. Ряд фирм выпускает карты-прототипы (Prototype Card), представляющие собой печатные платы полного или уменьшенного формата с крепежной скобой. На платах установлены обязательные интерфейсные цепи — буфер данных, дешифратор адреса и некоторые другие. Остальная часть платы свободна, и здесь разработчик может разместить макетный вариант своего устройства. Эти платы удобны для проверки нового изделия, а также для монтажа единичных экземпляров устройства, когда разработка и изготовление печатной платы нерентабельно.

В каждый момент времени шиной может управлять только одно устройство-задатчик, обращающееся к ресурсам (портам или ячейкам памяти) устройств-исполнителей. Шина ISA обеспечивает возможность обращения к 8- или 16-битным регистрам устройств, отображенным на пространства ввода-вывода и памяти. Диапазон адресов памяти для устройств ограничен областью верхней памяти UMА (А0000-FFFFFh). Для шины ISA-16 настройками CMOS Setup может быть разрешено пространство между 15-м и 16-м мегабайтом памяти (при этом компьютер не сможет использовать более 15 Мбайт ОЗУ). Для шины ISA диапазон адресов ввода-вывода сверху ограничен количеством задействованных для дешифрации бит адреса, нижняя областью адресов 0-FFh недоступна (зарезервирована под устройства системной платы). В PC была принята 10-битная адресация ввода-вывода, при которой линии адреса А[15:10] устройствами игнорировались. Таким образом, диапазон адресов устройств шины ISA ограничивается областью 100h–3FFh. Впоследствии стали применять 12-битную адресацию (диапазон 100h-FFFh). При этом приходится учитывать возможность присутствия на шине старых 10-битных адаптеров, которые «отзовутся» на адрес с подходящими ему битами А[9:0] во всей допустимой области 12-битного адреса четыре раза (у каждого 10-битного адреса будет еще по три 12-битных псевдонима). Полный 16-битный адрес используется только в шинах EISA и PCI.

Шина ISA-8 может предоставить до 6 линий запросов прерываний, ISА-16 — 11. Часть из них могут «отобрать» устройства системной платы или шина PCI.

Шина ISA-8 позволяет использовать до трех 8-битных каналов DMA. На 16-битной шине доступны еще три 16-битных и один 8-битный канал.

Все перечисленные ресурсы шины должны быть бесконфликтно распределены. Бесконфликтность подразумевает выполнение перечисленных ниже условий.

♦ Каждое устройство-исполнитель должно управлять шиной данных только при чтении по его адресам или по используемому им каналу DMA. Области адресов, по которым выполняется чтение регистров различных устройств, не должны пересекаться. Поскольку при записи шиной данных управляет лишь текущий задатчик, возможность конфликтов, приводящих к искажениям данных, исключена. «Подсматривать» операции записи, адресованные не данному устройству, не возбраняется.

♦ Назначенную линию IRQx или DRQx устройство должно держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса. Неиспользуемыми линиями запросов устройство управлять не имеет права, они должны электрически отсоединяться или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии. Одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и из требований совместимости тиражируется до сих пор.

Задача распределения ресурсов для старых адаптеров решалась с помощью джамперов, затем появились программно конфигурируемые устройства, которые вытесняются автоматически конфигурируемыми платами PnP.

Назначение контактов слотов шин ISA и EISA приведено в табл. 6.2 и 6.3.

Таблица 6.2. Основной разъем шин ISA-8, ISA-16 и EISA

¹ B4: XT=IRQ2, AT=IRQ9.

² B8: XT-Card Selected.

Таблица 6.3. Дополнительный разъем шин ISA-16 и EISA

Сигналы шины ISA естественны для периферийных микросхем фирмы Intel (в стиле семейства 8080). Набор сигналов ISA-8 предельно прост. Программное обращение к ячейкам памяти и пространства ввода-вывода обеспечивают следующие сигналы.

♦ SD[7:0] — шина данных. Иное название сигналов — Data или D.

♦ SA[19:0] (Addr[19:0], A[19:0]) — шина адреса.

♦ AEN — разрешение адресации портов (запрещает ложную дешифрацию адреса в цикле DMA).

♦ IOW# (IOWC#, IOWR#) — запись в порт.

♦ IOR# (IORC#, IORD#) — чтение порта.

♦ SMEMW# (SMEMWR#, SMWTC#) — запись в системную память (в диапазоне адресов 0-FFFFFh).

♦ SMEMR# (SMEMRD#, SMRDC#) — чтение системной памяти (в диапазоне адресов 0-FFFFFh).

Ниже перечислены сигналы, относящиеся к сигналам запросов прерывания и каналам прямого доступа к памяти.

♦ IRQ2/9, IRQ[3:7] — запросы прерываний. Положительный перепад сигнала вызывает запрос аппаратного прерывания. Для идентификации источника высокий уровень должен сохраняться до подтверждения прерывания процессором, что затрудняет разделение (совместное использование) прерываний. Линия IRQ2/9 в шинах XT вызывает аппаратное прерывание с номером 2, а в AT — с номером 9.

♦ DRQ[1:3] — запросы 8-битных каналов DMA (положительным перепадом).

♦ DACK[1:3]# — подтверждение запросов 8-битных каналов DMA.

♦ TC — признак завершения счетчика циклов DMA.

Шина имеет и несколько служебных сигналов синхронизации, сброса и регенерации памяти, установленной на адаптерах.

♦ IOCHRDY (CHRDY, I/OCHRDY) — готовность устройства, низкий уровень удлиняет текущий цикл (не более 15 икс).

♦ BALE (ALE) — разрешение защелки адреса. После его спада в каждом цикле процессора линии SA[0:19] гарантированно содержат действительный адрес.

♦ REFRESH# (REF#) — цикл регенерации памяти (в XT называется DACK0#). Сигнал появляется каждые 15 мкс, при этом шина адреса указывает на очередную регенерируемую строку памяти.

♦ IOCHK# — контроль канала, низкий уровень вызывает NMI CPU (разрешение и индикация в системных портах 061h, 062h).

♦ RESET (RESDRV, RESETDRV) — сигнал аппаратного сброса (активный уровень — высокий).

♦ BCLK (CLK) — синхронизация шины с частотой около 8 МГц. ПУ могут не использовать этот сигнал, работая только по управляющим сигналам записи и чтения.

♦ OSC — несинхронизированная с шиной частота 14,431818 МГц (использовалась старыми дисплейными адаптерами).

Кроме логических сигналов шина имеет контакты для разводки питания +5, -5, +12 и -12 В.

Дополнительный разъем, расширяющий шину до 16-битной, содержит линии данных, адреса, запросов прерываний и каналов прямого доступа.

♦ SD[15:8] — шина данных.

♦ SBHE# — признак наличия данных на линиях SD[15:8].

♦ LA[23:17] — нефиксированные сигналы адреса, требующие защелкивания по спаду сигнала BALE. Такой способ подачи адреса позволяет сократить задержку. Кроме того, схемы дешифратора адреса памяти плат расширения начинают декодирование несколько раньше спада BALE.

♦ IRQ[10:12], IRQ[14:15] — дополнительные запросы прерываний.

♦ DRQ[5:7] — запросы 16-битных каналов DMA (положительным перепадом).

♦ DACK[5:7]# — подтверждение запросов 16-битных каналов DMA.

♦ DRQ0 и DACK0# — запрос и подтверждение 8-битного канала DMA, освободившегося от регенерации памяти.

Перечисленные ниже сигналы связаны с переключением разрядности данных.

♦ МEMCS16# (M16#) — адресуемое устройство поддерживает 16-битные обращения к памяти.

♦ IOCS16# (I/OCS16#, IO16#) — адресуемое устройство поддерживает 16-битные обращения к портам.

К новым управляющим сигналам относятся следующие.

♦ MEMW# (MWTC#) — запись в память в любой области до 16 Мбайт.

♦ MEMR# (MRDC#) — чтение памяти в любой области до 16 Мбайт.

♦ OWS# (SRDY#, NOWS#, ENDXFR) — укорочение текущего цикла по инициативе адресованного устройства.

♦ MASTER# (MASTER16#) — запрос от устройства, использующего 16-битный канал DMA на управление шиной. При получении подтверждения DACK[5:7] Bus-Master может захватить шину.

В шине EISA на дополнительных контактах слотов (недоступных картам ISA) располагается расширение шин данных и адреса до 32 бит, а также набор сигналов, обеспечивающих передачу данных в синхронном режиме с возможностью пакетных циклов.

6.1.1. Обычная передача данных

Для передачи данных от исполнителя к задатчику предназначены циклы чтения ячейки памяти или порта ввода-вывода, для передачи данных от задатчика к исполнителю — циклы записи ячейки памяти или порта ввода-вывода. В каждом цикле текущий (на время данного цикла) задатчик формирует адрес обращения и управляющие сигналы, а в циклах записи еще и данные на шине. Адресуемое устройство-исполнитель в соответствии с полученными управляющими сигналами принимает (в цикле записи) или формирует (в цикле чтения) данные. Также оно может, при необходимости, управлять длительностью цикла и разрядностью передачи. Обобщенные временные диаграммы циклов чтения или записи памяти или ввода-вывода приведены на рис. 6.2. Здесь условный сигнал CMD* изображает один из следующих сигналов:

♦ SMEMR#, MEMR# — в цикле чтения памяти;

♦ SMEMW#, MEMW# — в цикле записи памяти;

♦ IOR# — в цикле чтения порта ввода-вывода;

♦ IOW# — в цикле записи порта ввода-вывода.

Рис. 6.2. Временные диаграммы циклов чтения или записи на шине ISA

В каждом из рассматриваемых циклов активными (с низким уровнем) могут быть только сигналы лишь из одной строки данного списка, и во время всего цикла сигнал AEN имеет низкий уровень. Цикл прямого доступа к памяти, в котором это правило не соблюдается, рассмотрен ниже, и в таком цикле сигнал AEN будет иметь высокий уровень. Сигналы SMEMR# и SMEMW# вырабатываются из сигналов MEMR# и MEMW# соответственно, когда адрес принадлежит диапазону 0-FFFFFh. Поэтому сигналы SMEMR# и SMEMW# задержаны относительно MEMR# и MEMW# на 5-10 нс.

В начале каждого цикла контроллер шины устанавливает адрес обращения: на линиях SA[19:0] и SBHE# действительный адрес сохраняется на время всего текущего цикла; на линиях LA[23:17] адрес действителен только в начале цикла, так что требуется его «защелкивание». Каждое устройство имеет дешифратор адреса — комбинационную схему, срабатывающую только тогда, когда на шине присутствует адрес, относящийся к данному устройству. В фазе адресации устройства еще «не знают», к какому из пространств (памяти или ввода-вывода) относится выставленный адрес. Но дешифраторы адресов уже срабатывают, и, когда в следующей фазе шина управления сообщает тип операции, адресуемое устройство уже оказывается готовым к ее исполнению. Если устройство использует линии LA[23:17] (они нужны лишь для обращений к памяти выше границы FFFFFh), то они на дешифратор адреса должны проходить через регистр-защелку, «прозрачный» во время действия сигнала BALE и фиксирующий состояние выходов по его спаду. Это позволяет дешифратору, всегда вносящему некоторую задержку, начинать работу раньше, чем поступит управляющий сигнал чтения или записи. При обращении к портам ввода-вывода сигналы LA[32:17] не используются.

Если устройство имеет более одного регистра (ячейки), то для выбора конкретного регистра (ячейки) ему требуется несколько линий адреса. Как правило, старшие биты шины адреса поступают на вход дешифраторов адреса, формирующих сигналы выборки устройств, а младшие биты — на адресные входы самих устройств. Тогда каждое устройство в пространстве будет занимать наиболее компактную область смежных адресов размером в 2n байт, где n — номер младшей линии адреса, поступающей на дешифратор. Из них реально необходимы 2m адресов, где m — номер самой старшей линии адреса, участвующей в выборе регистра устройства. В идеале должно быть n=m+1: при большем значении n отведенное (по дешифратору) пространство адресов не будет использовано полностью и регистры устройства будут повторяться в отведенной области 2n-m-1 раз, то есть у них появятся адреса-псевдонимы (alias). Адреса-псевдонимы будут отличаться от истинного адреса (минимального из всех псевдонимов) на K×2m+1, где K — целое число. Меньшее значение n недопустимо, поскольку тогда не все регистры устройства будут доступны задатчику. В принципе можно использовать дешифратор адреса, срабатывающий только на какой-то части адресов из области 2n (не кратной степени двойки), если устройству требуется «неудобное» количество регистров. Однако на практике «фигурное выпиливание» областей из пространства адресов обычно не делают, так что часть адресов может пропадать бесполезно.

Разрядность данных в каждом цикле обращения определяется потребностями текущего задатчика и возможностями исполнителя. В IBM PC/XT и системная шина, и шина ISA были 8-разрядными, так что вопросов согласования разрядности не возникало. В IBM PC/AT286 (и 386-SX) системная шина уже 16-разрядная, и в современных ПК с 32- и 64-разрядными системными шинами контроллер шины ISA является ее 16-разрядным задатчиком. На системной плате имеется «косой буфер», он же перестановщик байтов, который при необходимости транслирует данные с младшего байта шины на старшую или обратно. Логика управления этим буфером использует сигналы SBHE#, SA0, IOCS16# и MEMCS16#. Поддержка 16-разрядных передач сообщается адресуемым исполнителем сигналами IOCS16# и MEMCS16# при срабатывании его дешифратора адреса. Сигнал IOCS16# влияет только на разрядность обращений к портам, MEMCS16# — к памяти. Все операции обмена (транзакции) начинаются задатчиком единообразно, поскольку он еще не «знает» возможностей исполнителя. Развитие событий зависит от намерений задатчика и полученных сигналов разрешения 16-битных передач. В чисто 16-разрядных машинах начальный адрес однозначно соответствует передаваемому байту или младшему байту передаваемого слова. В машинах с 32-разрядными процессорами начальный адрес, выставляемый на шине в начале транзакции, зависит от разрядности данных, запланированной задатчиком, и может зависеть от положения адресуемых данных относительно границы двойного слова (32 битного). 16-разрядные передачи выполняются за 1 цикл только при условии передачи по четному адресу (A0=0) и при ответе исполнителя сигналом IOCS16# или MEMCS16#, в иных случаях они разбиваются на два цикла. 32-разрядные передачи будут разбиваться на 2 (16+16), 3 (8+16+8) или 4 (8+8+8+8) цикла, в зависимости от возможностей исполнителя и четности адреса. Порядок, в котором передаются байты (во времени), неоднозначен (возможен как инкремент, так и декремент адреса), но в адресном пространстве они раскладываются по своим местам однозначно.

В табл. 6.4 приводятся состояния сигналов шины ISA для различных вариантов записи в порты ввода-вывода, проверенные экспериментальным путем. Вывод 16-разрядных данных выполнялся командой OUT DX, AX (в DX — адрес порта, в АХ — данные; AL содержит младший байт, АН — старший), вывод 8-разрядных — командой OUT DX, AL. Несколько неожиданные (для автора) варианты 3 и 6 с декрементом адреса, возможно, будут иметь место не на всех системных платах, но их следует иметь в виду при проектировании устройств, претендующих на глобальную совместимость. Правда на практике 16-битных передач по нечетным адресам обычно избегают (даже чисто подсознательно), и побочные эффекты от такого порядка маловероятны.

Таблица 6.4. Состояние сигналов при 8- и 16-битных обращениях к устройству ISA

Момент помещения действительных данных на линии SD[15:0] определяется управляющими сигналами чтения/записи, так что исполнителю не требуется синхронизация с тактовым сигналом шины. В циклах чтения адресованный исполнитель должен выдать данные на шину по началу (спаду) соответствующего сигнала чтения (IOR#, MEMR#, SMEMR#) и удерживать их до конца действия сигнала (пока не произойдет подъем сигнала). В циклах записи задатчик выставляет действительные данные несколько позже начала (спада) сигнала записи (IOW#, MEMW#, SMEMW#). Устройство-исполнитель должно фиксировать для себя эти данные в конце цикла по подъему сигнала записи. От устройства-исполнителя не предусматривается никаких подтверждений исполнения циклов; длительность цикла устанавливает задатчик, но исполнитель может потребовать удлинения или укорочения циклов. С помощью сигнала IOCHRDY исполнитель может удлинить цикл на произвольное число тактов, при этом задатчик будет вводить дополнительные такты ожидания (wait states). Обычно контроллер шины следит за длительностью цикла и по достижении критического времени принудительно его завершает (по тайм-ауту, возможно, и не сообщая об этом событии). Слишком длинные циклы тормозят работу компьютера, а превышение длительности 15 мкс может привести к сбою регенерации и потере данных в ОЗУ. С помощью сигнала 0W# исполнитель предлагает задатчику укоротить цикл, исключив такты ожидания. Реакция задатчика на одновременное использование сигналов IOCHRDY и 0WS# непредсказуема, этой ситуации следует избегать.

ВНИМАНИЕ

Некорректное управление сигналом IOCHRDY (его «залипание» на низком уровне) тормозит работу компьютера.

Номинальная длительность цикла определяется чипсетом и может программироваться в BIOS Setup заданием числа тактов ожидания (wait states). При этом циклы обращения к памяти, как правило, короче циклов обращения к портам ввода-вывода. Для управления длительностью цикла используются также сигналы управления разрядностью передачи: если устройство поддерживает 16-битные передачи, предполагается, что оно может работать с меньшим количеством тактов ожидания. Этим объясняется, что в BIOS Setup длительности циклов ISA задаются раздельно как для памяти и ввода-вывода, так и для 8- и 16-битных операций.

Кроме длительности цикла, устройства могут быть критичны к времени восстановления (recovery time) — длительности пассивного состояния управляющих сигналов чтения-записи между циклами. Этот параметр также может программироваться в BIOS Setup и тоже раздельно для 8- и 16-разрядных операций.

Карты расширения для подключения к шине данных, как правило, используют буферные микросхемы, раздельные для линий SD[7:0] и SD[15:8]. Здесь широко применяются микросхемы 74ALS245 (1533АП6) — 8-разрядные двунаправленные приемопередатчики. Буфер должен открываться сигналом ОЕ# (Output Enable — разрешение выхода), когда на шине адреса присутствует адрес, относящийся к диапазону адресов подключаемого устройства. «Дежурным» является направление передачи «от шины — к устройству»; переключение в обратную сторону производится по сигналу IOR#, если устройство представляет порты ввода-вывода, или MEMRD#, если устройство приписано к пространству памяти. Таким образом, буферы имеют право передавать данные на шину (управлять шиной данных) только во время действия сигнала чтения, относящегося к зоне адресов данного устройства. Карта расширения может являться комбинацией 8- и 16-битных устройств; например, некогда популярные мультикарты содержали 16-битный адаптер ATA и набор 8-битных контроллеров портов COM, LPT, GAME и контроллера НГМД. В таких картах логика управления буферами и сигналами IOCS16# и MSC16# управляется сигналами от дешифратора адреса. Если устройство по данному адресу является 8-разрядным (не формирует сигналы IOCS16# или MSC16#), то оно имеет право разрешать чтение только через буфер линий SD[7:0], а буфер старших линий SD[15:8] (если он имеется на карте) должен быть переведен в третье состояние. Если устройство по данному адресу является 16-разрядным, то оно формирует сигнал IOCS16# или MSC16#, а разрешением буферов управляют сигналы SBHE# и SA0. В этом случае буфер линий SD[7:0] разрешается только при SA0=0, а буфер линий SD[15:8] разрешается только при SBHE#=L. Некорректное разрешение буферов может приводить к их конфликту с перестановщиком байтов системной платы и искажениям данных.

Восьмиразрядные устройства (например, микросхемы 8255, 8250, 8253 и т. п.) следует подключать только к линиям SD[7:0] и при обращении к ним не формировать сигналы IOCS16# или MSC16#. Никакие «косые» буферы (перестановщики байтов) на интерфейсных картах не нужны.

В одном из источников описывается эффект перестановки байтов при обращении к порту ввода-вывода: «Если прочитать слово из порта по четному адресу, значение одно, а если по нечетному — старшие 8 бит предыдущего значения становятся младшими, а старшие нового = FFh». Первые подозрения падают на ошибку в логике управления буферами. На самом деле все объясняется гораздо проще. Пусть имеется устройство с двухбайтным регистром, младший байт которого имеет адрес R0 (четный), старший — R0+1, а по адресу R+2 устройство (и никакие другие) не откликается. Пусть в данный момент в нем записано число AA55h, тогда чтением порта по команде IN AX, R0 получим в регистрах процессора AL=55h, AH=AAh. Теперь если попытаться его «прочитать по нечетному адресу», то есть командой IN АХ, R0+1, то получим AL=AAh (содержимое R0+1, к которому мы на самом деле и адресовались!), a AH=FFh (результат чтения «пустоты»). Так что это не «эффект перестановки», а просто незнание общего правила «интеловской» адресации: адресом слова (двойного, учетверенного…) является адрес его младшего байта. Если в нашем устройстве применяется неполная дешифрация адреса (линия SA1 не используется ни для дешифрации адреса, ни для выбора регистра), то мы увидим полную перестановку байт — в AH=55h, результат чтения R0 по адресу-псевдониму R0+2. Логика работы контроллера шины вместе со всеми буферами делает обращение к любой ячейке памяти или порту инвариантным к способу программной адресации — что закажешь, то и получишь, но требуется учитывать особенности периферийных устройств, у которых в адресации портов нередко встречаются псевдонимы. Адреса-псевдонимы встречаются и в пространстве памяти (например, копии образов BIOS под границей 1-го и 16-го мегабайтами памяти в «классических» PC/AT).

6.1.2. Прямой доступ к памяти — DMA

Прямой доступ к памяти позволяет абоненту шины организовывать обмен данными между своим регистром и памятью под управлением контроллера DMA, минуя центральный процессор. До выполнения обмена канал DMA должен быть инициализирован — задан начальный адрес и размер пересылаемого блока памяти, направление и режим обмена. После инициализации канала обмен выполняется по инициативе ПУ.

Для интерфейса ПУ каждый канал DMA представляется парой сигналов: запрос обмена — DRQx и подтверждение обмена — DACKx#, где x — номер используемого канала. На рис. 6.3 приведена диаграмма стандартного цикла передачи байта (для 8-битного канала) или слова (для 16-битного) от ПУ в память по каналу DMA. Цикл передачи блока байтов или слов в память будет выглядеть следующим образом.

1. По сигналу DRQx контроллер DMA запрашивает управление шиной и дожидается его предоставления процессором (и другими контроллерами шины).

2. Контроллер выставляет адрес ячейки памяти и формирует в одном цикле шины сигналы IOR#, DACKx# и MEMW#. Адрес на всех линиях, включая LA[23:17], действителен во время всего цикла (защелкивание не требуется), BALE=H в течение всего цикла. Сигнал DACKx# указывает на то, что операция выполняется для канала x, a IOR# — на направление в канале (для пересылки из памяти в канал использовался бы сигнал IOW#). Чтобы по сигналу IOR# не было ложного чтения (по IOW# — ложной записи) порта, адрес которого совпадает с адресом памяти, присутствующим в цикле DMA, контроллер высоким уровнем сигнала AEN запрещает портам дешифрацию адреса. Байт, считанный из ПУ, в том же цикле шины записывается в ячейку памяти.

3. Контроллер модифицирует счетчик адреса и повторяет шаги 1–2 для каждого следующего сигнала DRQx, пока не будет исчерпан счетчик циклов. В последнем цикле обмена контроллер формирует общий сигнал окончания TC (Terminate Count), который может быть использован устройством для формирования сигнала аппаратного прерывания.

Рис. 6.3. Цикл обмена DMA

Диаграмма обратной пересылки (из памяти в ПУ) отличается только тем, что на месте сигнала IOR# будет сигнал MEMR#, а на месте MEMW# — сигнал IOW#. Направление обмена и параметры режима задаются программированием контроллера DMA.

Цикл DMA, и так довольно длинный, может быть растянут устройством с помощью сигнала IOCHRDY (но сократить его сигналом 0WS# невозможно). Запрашивать удлинение цикла может только адресованная память — подразумевается, что когда ПУ выставляет запрос DRQx, оно уже должно быть готово к обмену.

На 16-битной шине ISA доступно 7 каналов DMA: четыре 8-битных (номера 0–3) и три 16-битных (5–7), подключенные к первичному и вторичному контроллерам соответственно. Канал 4 используется для каскадирования (соединения контроллеров). На 8-битном слоте доступны только четыре 8-битных канала (в XT только 3 — канал 0 требовался для регенерации памяти).

Кроме приведенного на рисунке режима одиночной передачи возможны и иные, описанные в п. 12.4.

Напомним, что по 8-битным каналам DMA за один сеанс настройки контроллера можно передавать не более 64К байт данных, начинающихся с любого адреса (но не пересекая границ страниц, см. п. 12.3.2 и 12.5). По 16-битным каналам за сеанс можно передавать не более 64К слов данных, начинающихся с четного адреса, и границы страниц иные. Используя DMA в режимах, отличных от одиночного, длительность непрерывной передачи не должна превышать 15 мкс (для обеспечения регенерации памяти).

6.1.3. Прямое управление шиной

В случае прямого управления шиной (bus mastering) инициатором обмена становится контроллер какого-либо устройства или интерфейса, но не процессор и не канал DMA. Прямое управление позволяет контроллеру, не отвлекая центральный процессор, выполнять обмен данными с высокой производительностью и, возможно, по более сложным правилам и без ограничений, присущих каналам DMA (невозможность пересечения границы страницы). Контроллер, как правило, обеспечивает обмен данными между системным ОЗУ и своим периферийным устройством или интерфейсом. В принципе он может общаться с памятью или портами другого абонента шины, но для упрощения организации всех информационных связей центральным «перевалочным пунктом» все-таки является системное ОЗУ. Получить право на управление шиной ISA может только контроллер, подключенный к 16- битному слоту. Для арбитража запросов на управление шиной от нескольких источников — центрального процессора, контроллера DMA и контроллеров- абонентов шины используется второй контроллер DMA (каналы 5–7). Устройство, желающее получить управление, выставляет запрос DRQx (x=5…7), по которому контроллер DMA запрашивает управление шиной у центрального процессора. Получив подтверждение от процессора, контроллер устанавливает сигнал AEN (для блокировки дешифрации адреса портов) и формирует сигнал DACKx. Получив этот сигнал, устройство устанавливает низкий уровень на линии MASTER#, по которому контроллер шины DMA снимает сигнал AEN и освобождает линии командных сигналов. Таким образом, управление шиной переходит к данному устройству до тех пор, пока оно не снимет запрос DRQx. В режиме прямого управления шиной ISA устройство становится полновластным и бесконтрольным хозяином как самой шины, так и системы в целом (через мост шины). Если шина захватывается более чем на 15 мкс, контроллер устройства должен заботиться о регенерации памяти (см. ниже). Устройства (и память), к которым обращается задатчик шины, могут потребовать введения тактов ожидания сигналом IOCHRDY, и это требование должно удовлетворяться.

6.1.4. Регенерация памяти

Динамическая память, применяемая в компьютере в качестве системного ОЗУ, а также, возможно, находящаяся на картах расширения, требует регенерации — периодического обновления (refresh) всех строк матрицы. На системной плате всегда имеется контроллер регенерации памяти, в задачу которого входит регулярный перебор строк памяти с формированием специального цикла регенерации. Каждые 15 мкс контроллер регенерации формирует цикл регенерации (сигнал REFRESH#), диаграмма которого аналогична циклу DMA, но вместо чтения данных выполняется регенерация. В этом цикле считывания данных из микросхем памяти не производится, но стробы строк формируются (подробнее о методах регенерации см. в книге «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия»). На шине ISA контроллер регенерации работает как нулевой канал DMA (в старых машинах он непосредственно и использовался). Каждые 15 мкс контроллер регенерации формирует сигнал REFRESH#, во время действия которого устанавливается AEN=H и BALE=H, формируется сигнал MEMR#, а на линиях SA[7:0] устанавливается адрес текущей регенерируемой строки. Диаграмма цикла регенерации аналогична циклу DMA, но сигнал REFRESH# указывает на то, что вместо чтения данных выполняется регенерация.

Если какое-либо устройство захватывает управление шиной более чем на 15 мкс, оно должно позаботиться о регенерации памяти. Для этого раз в 15 мкс оно должно вырабатывать сигнал REFRESH#, «отпуская» все адресные и управляющие сигналы. При этом контроллер шины, расположенный на системной плате и отвечающий за регенерацию памяти, сформирует очередной адрес на линиях SA[7:0] и сигнал MEMR#, а также установит AEN=0 и BALE=1 на все время цикла регенерации. Если устройство, надолго захватившее шину, сигнал регенерации не формирует, то запросы регенерации накапливаются в контроллере регенерации, и, как только управление будет возвращено, эти запросы будут немедленно удовлетворены. Однако число безнаказанно пропущенных запросов ограничено свойствами динамической памяти, и очередь запросов в контроллере регенерации может ограничиваться, например, четырьмя.

6.1.5. Прерывания

На шине ISA имеются линии запросов маскируемых и немаскируемых аппаратных прерываний. Линии запросов маскируемых прерываний IRQ2-IRQ7 поступают на входы первичного контроллера прерываний, IRQ9-IRQ15 — на входы вторичного. Контакт B4 (IRQ2/9) запрос IRQ2 вырабатывал только у машин PX/XT. На всех современных машинах (класса AT) он является запросом IRQ9, хотя на многих адаптерах (всех 8-битных) он обозначается как IRQ2. Приоритеты у запросов убывают по порядку IRQ9…IRQ15 и далее IRQ3…IRQ7. Запросы от конкретных линий могут быть замаскированы записью в регистры контроллера (см. п. 12.4), общий запрет/разрешение осуществляется манипулированием флагом разрешения прерываний (IF) процессора. Устройство может использовать одну или несколько линий запроса прерывания. На используемой линии запроса устройство в покое должно формировать низкий уровень сигнала, а при возникновении условия прерывания устанавливать на нем высокий уровень запроса. Неиспользуемые линии должны быть электрически отключены от шины или же их выходные формирователи должны переводиться в третье состояние. Переход из низкого в высокий уровень является сигналом для контроллера прерываний на формирование запроса прерывания к процессору. Устройство должно удерживать высокий уровень запроса до тех пор, пока к нему не обратится программа-обработчик прерывания, что будет означать не только обнаружение, но и правильную идентификацию источника запроса прерывания. Если запрос снят преждевременно, идентификация будет некорректной. Детально механизм обслуживания прерываний рассмотрен в п. 12.4.

Способ подачи сигнала прерывания, принятый в ISA, — чувствительность к уровню, причем к высокому, — имеет меньшую помехозащищенность, чем срабатывание по отрицательному перепаду, и отрезает путь к нормальному разделению (совместному использованию) линий запросов.

Линия IOCHK# позволяет вызывать немаскируемое прерывание (NMI), на которое процессор реагирует вне зависимости от каких-либо флагов. Это прерывание принято использовать для сообщения о серьезных ошибках, требующих реакции системы, но не для регулярной работы. Вызов NMI от данной линии разрешается установкой бита 3 (EIC) системного порта 061h, а признаком того, что прерывание NMI вызвано сигналом IOCHK#, является единичное значение бита 6 (IOCHK) того же порта.

6.1.6. Шина PC/104

Шина PC/104, предназначенная для построения относительно несложных встраиваемых контроллеров, логически эквивалентна ISA. В ее названии 104 — число контактов коннектора, на который выводятся сигналы шины ISA. От ISA шина PC/104 отличается только типом коннектора и нагрузочными характеристиками линий: поскольку протяженность линий значительно сократилась, сигнальные цепи могут быть слаботочными. Формирователи сигналов MEMCS16#, IOCS16#, MASTER# и 0WS# должны обеспечивать вытекающий ток до 20 мА, для остальных достаточно 4 мА.

Вид платы PC/104 приведен на рис. 6.4, назначение контактов дано в табл. 6.5 и 6.6. Плата компьютера с шиной PC/104 имеет разъемы-розетки. Плата расширения имеет вилку PC/104, которая вставляется в плату контроллера. Кроме вилки на плате расширения может присутствовать и розетка PC/104 (коннектор двусторонний), так что можно собрать «бутерброд» из нескольких плат (рис. 6.4, а). Для предотвращения неправильного соединения у розеток в позициях B10 и C19 нет ни контактов, ни отверстий; у вилок в этих позициях штырек отсутствует. Если плат более трех, то сверху «бутерброда» устанавливают терминатор. Для фиксации плат стандартизовано расположение крепежных отверстий. Платы скрепляются четырьмя несущими стоечками высотой 0,6" (или длинными винтами с втулками). Отметим особенности коннекторов: J1 — коннектор шины ISA-8, J2 — его расширение до ISA-16; эти коннекторы обычно имеют дюймовый шаг контактов (2,54 мм), но могут встречаться и метрические, с шагом 2,5 мм (они взаимно несовместимы!). Обратим внимание и на специфическую нумерацию рядов контактов В, А, С, D и номеров контактов (у J2 нумерация начинается с нуля, нулевые контакты не используются).

Рис. 6.4. Компьютер с шиной PC/104: а — стопка плат, б — расположение системных коннекторов

Таблица 6.5. Разъем J1/P1 шины PC-104

Таблица 6.6. Разъем J2/P2 шины PC-104

С широким использованием процессоров Pentium и следующих моделей в модуль ввели еще и шину PCI, так появился стандарт PC/104-Plus (именно такая карта показана на рис. 6.4). Трехрядный коннектор PCI имеет метрический шаг контактов 2 мм. Платы микрокомпьютеров с шинами PC/104 могут иметь и краевые разъемы ISA, PCI или комбинированный; с их помощью контроллеры подключаются к пассивной кросс-плате, в которую устанавливаются карты расширения (ISA, PCI) обычного (PC) конструктива.

6.1.7. Конфигурирование интерфейсных карт ISA и EISA

Как было указано выше, всем устройствам-абонентам шин ISA и EISA должны назначаться свои системные ресурсы — области адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, линии запросов прерываний и каналы прямого доступа к памяти, причем устройства не должны конфликтовать по ресурсам. Иными словами, все устройства, подключенные к шине, требуется должным образом сконфигурировать. Под этим подразумевается бесконфликтная настройка их дешифраторов адресов и коммутация сигналов запросов прерываний и пар сигналов для работы с каналами DMA. Кроме того, выбранные аппаратные настройки должны быть сообщены программному обеспечению, непосредственно взаимодействующему с устройствами через порты, ячейки памяти, каналы DMA и контроллер прерываний.

Задача конфигурирования осложняется из-за отсутствия общего механизма автоматической передачи установленных параметров прикладному и системному ПО. Конфигурирование старых карт расширения выполняется переключением джамперов, затем установленные параметры заносятся в конфигурационные файлы.

Позже на картах ISA стали применять микросхемы энергонезависимой памяти (как правило, EEPROM), хранящей настройки. С такими картами поставляются утилиты настройки, позволяющие в диалоговом режиме задать требуемые параметры. Отсюда их названия: программно конфигурируемые (Software Configured), или безджамперные (jumperless). В общем, это позволило облегчить конфигурирование — для смены настроек не нужно вынимать карту и переставлять джамперы. Правда, пользователю все равно приходится вникать в распределение системных ресурсов. Однако работа конфигурационных утилит может осложняться (и блокироваться) соседними «недружественными» картами.

Идеальными условиями для программного конфигурирования, и тем более автоматического (без вмешательства пользователя), является изоляция карты от всех остальных (на время конфигурирования). Тогда ПО конфигурирования сможет вести с картой диалог, на который не повлияет присутствие других устройств. Для автоматического конфигурирования необходимо также обеспечить единый метод двустороннего обмена конфигурационной информацией между картой и конфигурационным ПО. Возможность изоляции карт при конфигурировании заложена в шины MCA, PCI и EISA, но в ISA такой возможности нет. В шине EISA можно выборочно управлять сигналом AEN (разрешающим дешифрацию адресов портов ввода-вывода) для каждого слота, причем эта возможность сохраняется и для карт ISA, установленных в слот EISA. В машинах с EISA имеется специальная энергонезависимая память конфигурирования слотов, с которой взаимодействует утилита конфигурирования EQU (EISA Configuration Utility); эта память и утилита могут использоваться и при установке карт ISA в машину EISA. Для шины ISA система автоматического конфигурирования — ISA PnP — была разработана лишь спустя десяток лет после начала массового выпуска компьютеров и карт расширения. Также были расширены функции BIOS — появилась спецификация PnP BIOS. Полная поддержка автоматического конфигурирования карт ISA требует наличия PnP BIOS, карт и/или модулей ISA PnP на системной плате, а также ОС с поддержкой PnP или же специализированного ПО.

6.1.8. Спецификация Plug and Play для шины ISA

Аппаратно-программную спецификацию «Plug and Play ISA Specification» выпустили компании Intel и Microsoft в 1994 г. Она обеспечивает решение задач изоляции карт ISA, программного распределения системных ресурсов, конфигурирования и передачи параметров операционной системе и прикладному ПО. Вышеперечисленные задачи решаются для карт PnP, которые могут работать и в окружении так называемых традиционных карт (Legacy Cards). Поскольку описание программной части этой спецификации достаточно объемно и выходит за рамки данной книги, рассмотрим принципы реализации PnP в основном с точки зрения аппаратных средств.

Конфигурирование в системе PnP состоит из следующих шагов.

1. Производится изоляция одной карты от всех остальных.

2. Карте назначается номер CSN (Card Select Number — селективный номер карты), фигурально выражаясь, «приделывается ручка» (Assign a handle), за которую ее можно «ухватить» дальнейшим командам PnP.

3. С карты считываются данные о сконфигурированных и поддерживаемых ресурсах. Эти шаги повторяются для всех карт, после чего выполняются завершающие шаги.

4. Производится распределение (арбитраж) системных ресурсов, выделяемых каждой карте.

5. Каждая карта конфигурируется согласно выбранному распределению ресурсов и активируется (переводится в рабочий режим).

Все шаги конфигурирования выполняет процедура POST (если BIOS имеет поддержку PnP) или операционная система при загрузке. PnP BIOS может ограничиться конфигурированием и активацией только устройств, участвующих в загрузке, оставляя конфигурирование и активацию дополнительных устройств операционной системе. BIOS без поддержки PnP может использовать необходимые для загрузки устройства, сконфигурированные с параметрами по умолчанию, а изоляцией карт, сбором информации и конфигурированием займется операционная система при загрузке. Вариантов много, но все они опираются на единые методы взаимодействия с картами ISA PnP. Конфигурирование выполняется в специальном состоянии плат, в которое их всех можно программно перевести с помощью специального ключа инициализации, защищающего конфигурационную информацию от случайного разрушения.

Для конфигурирования карт PnP необходимо всего три 8-битных системных порта (табл. 6.7), с которыми процессор может общаться, применяя инструкции ввода-вывода с однобайтной передачей данных. Карты PnP должны использовать 12-битное декодирование адреса ввода-вывода, а не 10-битное, как это принято в традиционных картах ISA.

Таблица 6.7. Системные порты ISA PnP

Порт ADDRESS используется для адресации регистров PnP — в него записывают индекс требуемого регистра (см. ниже пункт «Конфигурирование карт») перед обращением к портам WRITE_DATA и READ_DATA. Этот же порт используется и для записи последовательности кодов ключа инициализации. Выбор адреса для него обусловлен тем, что ни одна разумно сделанная карта расширения не будет пытаться задействовать для записи адрес регистра состояния стандартного LPT-порта.

Порты WRITE_DATA и READ_DATA используются для обмена данными с регистрами PnP. Адрес порта WRITE_DATA традиционными картами с 10-битным декодированием будет восприниматься как тот же адрес, что и у предыдущего порта, так что конфликт опять-таки исключен. Перемещаемому адресу порта READ_DATA программное обеспечение PnP во время исполнения протокола изоляции может легко найти бесконфликтное положение. Адрес этого порта сообщается всем картам записью в их управляющий регистр PnP.

Вышеперечисленные три порта используются только для конфигурирования и управления картами PnP. Для взаимодействия прикладных программ с функциональными устройствами карты используются иные ресурсы, выделенные карте (порты, области памяти, прерывания и каналы DMA). По включению питания или аппаратному сбросу карты настраиваются на стандартную рабочую конфигурацию, принятую для них по умолчанию (она может храниться в энергонезависимой памяти или задаваться джамперами). Это обязательно, по крайней мере для устройств, участвующих в загрузке, — ввод, вывод (экран) и собственно загрузочное устройство. Остальные устройства могут быть и логически отключенными от шины, до тех пор пока они не будут сконфигурированы программными средствами PnP. Карта PnP должна сообщать обо всех используемых ею ресурсах и, по возможности, предлагать альтернативные конфигурирования. Она обязана подчиняться конфигурационным командам PnP, включая команду деактивации (логического отключения от шины); при невозможности принять указанную конфигурацию карта (или ее логическое устройство) должна отключаться. Строгое выполнение данных требований всеми картами делает возможным работу системы PnP на неприспособленной для этого шине ISA. Непременным условием работоспособности является и уникальность идентификаторов карт (см. ниже).

В плане PnP каждая карта может находиться в одном из четырех состояний.

♦ Wait for key (ожидание ключа) — состояние нормального функционирования (или отключения) логических устройств. В это состояние устройство входит при включении питания, по аппаратному сбросу и по завершению его конфигурирования системой PnP. До подачи ключа в этом состоянии конфигурация карты программными обращениями изменена быть не может.

♦ Sleep («спячка») — состояние, в котором карта ожидает пробуждающей команды Wake[CSN], переводящей ее либо в состояние изоляции, либо в состояние конфигурирования. При нулевом параметре CSN в команде все карты с неназначенным номером CSN переводятся в состояние изоляции. При ненулевом параметре CSN в команде карта с совпадающим номером CSN переводится в состояние конфигурирования.

♦ Isolation (изоляция) — карта отвечает только на чтение регистра Serial Isolation для реализации одноименного протокола (см. далее), с помощью которого ей назначается уникальный номер CSN. Остальные команды PnP ей недоступны.

♦ Config (конфигурирование) — состояние, в котором карта отвечает на все об ращения к регистрам PnP, позволяя считывать и изменять ее конфигурацию. В этом состоянии может находиться лишь одна карта. По окончании конфигурирования карту переводят в режим ожидания ключа, защищая ее конфигурацию.

Протокол изоляции

Для изоляции карт друг от друга имеется специальный режим работы, в который логика PnP переводится с помощью ключа инициализации (Initiation key). Ключ представляет собой предопределенную последовательность записей в порт ADDRESS (279h). Аппаратная логика карты, проверяющая ключ, основана на сдвиговом регистре с обратными связями LFSR (Linear Feedback Shift Register), схема которого приведена на рис. 6.5. Во время проверки ключа на вход C1 подается уровень логического нуля, а на вход C2 — стробы записи в порт ADDRESS. Логика, не показанная на рисунке, сравнивает код в сдвиговом регистре с текущей записью и при несовпадении сбрасывает регистр LFSR в исходное состояние (код 6Ah). В это же состояние регистр может быть переведен двумя последовательными записями нулей в порт ADDRESS. Сдвиг в регистре происходит при каждой записи в порт ADDRESS. Если ключ (последовательность из 32 записей требуемых байт) из исходного состояния LFSR будет приложен верно, то после последней записи логика карты перейдет в режим конфигурирования (это еще не состояние config) и подготовится к отработке протокола изоляции. Точная последовательность байт ключа в hex-формате выглядит следующим образом:

6А, B5, DA, ED, F6, FB, 7D, BE, DF, 6F, 37, 1B, 0D, 86, C3, 61, B0, 58,

2С, 16, 8В, 45, A2, D1, E8, 74, 3A, 9D, СЕ, E7, 73, 39

Рис. 6.5. Сдвиговый регистр LFSR карты PnP

Протокол изоляции основан на уникальном последовательном идентификаторе (Serial Identifier), хранящемся в памяти каждой карты PnP. Этот идентификатор представляет собой ненулевое 72-битное число, состоящее из двух 32-битных полей и 8-битного контрольного кода, вычисляемого с помощью того же регистра LFSR. Первое 32-битное поле представляет собой идентификатор производителя. Второе поле назначается производителем и уникально для каждого экземпляра всех выпускаемых им карт. Здесь может присутствовать серийный номер, а для адаптера Ethernet это может быть и частью MAC-адреса. Принцип построения последовательного идентификатора гарантирует, что в одной системе не могут встретиться две карты с совпадающими идентификаторами. Однако случалось, что незадачливые производители тиражировали (свои ли?) устройства, копируя всю «начинку», включая и серийные номера. Доступ к идентификатору осуществляется последовательно, начиная с бита 0 нулевого байта идентификатора производителя и заканчивая битом 7 контрольной суммы. Во время передачи идентификатора на вход C1 схемы LFSR поступают текущие биты идентификатора, а на вход C2 подаются стробы чтения регистра Serial Isolation (см. ниже). В тактах передачи контрольной суммы ее биты берутся с выхода сдвигового регистра.

Протокол изоляции может быть программно инициирован в любой момент времени посылкой корректного ключа инициализации, переводящего все карты в конфигурационный режим. В этом режиме каждая карта ожидает 72 пары операций чтения порта READ_DATA. Ответ каждой карты на эти операции определяется значением очередного бита ее последовательного идентификатора.

Если текущий бит идентификатора карты имеет единичное значение, то ее буфер шины данных в первом чтении пары выводит на шину данных значение 55h. Если текущий бит нулевой, то буфер работает на чтение шины данных и логика карты анализирует ответ других карт — проверяет наличие комбинации «01» в битах D[1:0] (младшие биты числа 55h). В следующем цикле чтения пары карта с единичным битом выводит число AAh, а карта с нулевым текущим битом проверяет наличие комбинации «10».

Если карта, просматривающая вывод данных другими картами, обнаружила корректные коды в обоих циклах чтения пары, она в данной итерации изоляции исключается.

Если карта в текущей паре управляла шиной или карта читала шину, но не обнаружила корректных активных ответов других карт, она сдвигает идентификатор на один бит и готовится к приему следующей пары циклов чтения.

Эта последовательность выполняется для всех 72 бит идентификатора. В конце процесса останется лишь одна карта. Записью в управляющий регистр PnP (индекс 06) ей назначается селективный номер CSN, по которому она будет использоваться в дальнейших операциях. Карта с назначенным номером CSN в следующих итерациях протокола изоляции не участвует (на пары чтений не отвечает).

Во время протокола изоляции карты не имеют права удлинять шинные циклы с помощью сигнала IOCHRDY, поскольку это привело бы к неопределенности результатов наблюдения за «соседями». В других режимах этот сигнал может быть использован без особых ограничений.

Программа конфигурирования проверяет данные, возвращаемые во время всех пар циклов чтения, и побитно собирает прочитанный идентификатор. Если в паре приняты байты 55h и AAh, то соответствующий бит считается единичным, в других случаях он считается нулевым. При приеме идентификатора программа подсчитывает контрольную сумму и сравнивает ее с принятой. Несовпадение контрольной суммы или отсутствие среди принятых байт 55h и AAh указывает на то, что выбранный адрес порта READ_DATA конфликтует с каким-либо устройством. Тогда программа пробует произвести итерацию, переместив адрес порта READ_DATA в допустимом диапазоне адресов. Если при переборе нескольких возможных адресов не удается считать корректный идентификатор, то принимается решение об отсутствии карт PnP в системе (вообще или с неназначенными номерами CSN).

Программа должна обеспечивать задержку 1 мс после подачи ключа перед первой парой чтений и 250 мкс между парами чтений. Это дает карте время для доступа к информации, которая может храниться и в медленных устройствах энергонезависимой памяти.

Итак, по завершении протокола изоляции программное обеспечение имеет список идентификаторов обнаруженных карт и присвоенных им селективных номеров, сообщенных и самим картам. Далее общение программы с каждой картой идет по ее селективному номеру CSN, фигурирующему в командах PnP. Нулевой CSN присваивается картам по программному или аппаратному сбросу и используется как широковещательный адрес.

Конфигурирование карт

Конфигурирование карт выполняется обращениями к регистрам PnP. Обращения к регистрам PnP представляют собой операции записи или чтения портов ввода-вывода по адресам WRITE_DATA или READ_DATA соответственно. При этом для указания конкретного регистра PnP используется индекс — номер этого регистра, предварительно записанный в регистр ADDRESS.

Каждая карта имеет стандартный набор регистров PnP, причем часть из них относится к карте в целом, а часть — к каждому логическому устройству, входящему в карту. Архитектура PnP поддерживает концепцию многофункциональности, согласно которой каждая карта может включать в себя несколько логических устройств. В любой момент времени в индексном пространстве регистров PnP отображаются стандартные регистры управления картой (см. ниже) и регистры только одного логического устройства (рис. 6.6). Выбор логического устройства, с которым производится общение, осуществляется записью в регистр Logical Device Number, входящий в группу управляющих регистров карты.

Рис. 6.6. Конфигурационные регистры PnP (* — определяется разработчиком)

Все логические устройства карт PnP должны обеспечивать, по крайней мере, минимальную функциональность:

♦ регистры ресурсов при чтении должны отражать фактические текущие на стройки;

♦ бит активации при чтении должен отражать реальное состояние активности устройства на шине ISA;

♦ если программа пытается «навязать» карте конфигурацию, не поддерживаемую устройством, это устройство не должно активироваться и, соответственно, при чтении его флаг активации должен быть сброшен.

Для адресации к карте и ее логическим устройствам, а также для чтения конфигурационной информации используются стандартные регистры управления картой (табл. 6.8).

Таблица 6.8. Стандартные регистры управления картой PnP

Конфигурирование карты начинается с команды WAKE[CSN] — записи байта CSN в регистр с индексом 3. Эта операция переводит карту с указанным номером CSN в состояние Config (конфигурирование), а остальные карты «засыпают» — переходят в состояние Sleep. Для конфигурируемой карты выполняются операции чтения ее конфигурационной информации (как карты в целом, так и логических устройств) и программирования используемых ресурсов. Программирование каждого логического устройства завершается установкой его бита активации, после чего логическое устройство активизируется на шине ISA (начнет реально использовать назначенные ресурсы). Программирование всей карты завершается переводом ее в состояние Wait for key (ожидание ключа). По окончании конфигурирования все карты PnP должны быть переведены в это состояние, и тогда их случайное реконфигурирование будет блокировано 32-байтным ключом.

Доступ к регистрам PnP через ключ возможен в любое время функционирования, однако запись в них должна производиться в полной уверенности о знании последствий. Возможно даже переназначение CSN «на ходу», но это требуется лишь в устройствах, допускающих «горячие» включения-выключения (что не приветствуется на шине ISA), док-станциях (Docking Stations) для подключения портативных компьютеров и системах управления энергопотреблением.

Стандартные регистры управления логическим устройством (табл. 6.9) используются для активации карт и проверки отсутствия конфликтов на шине ISA в выбранном диапазоне адресов ввода-вывода. Когда включен режим проверки конфликтов, на чтение по любому адресу установленного диапазона портов ввода-вывода логическое устройство отвечает байтом 55h или AAh в зависимости от состояния бита 0 регистра проверки. Естественно, что в рабочем режиме этот «автоответчик» должен быть отключен.

Таблица 6.9. Стандартные регистры управления логическим устройством PnP

Оперативные данные конфигурирования доступны через регистры логических устройств. Каждое логическое устройство имеет собственные дескрипторы используемых системных ресурсов.

♦ Обычные 24-битные (4) или 32-битные (4) дескрипторы памяти. Для неиспользуемого дескриптора памяти его поля базового адреса и длины должны быть нулевыми. Одна карта не может одновременно задействовать обычные (24-битные) и 32-битные дескрипторы памяти.

♦ Дескрипторы областей портов ввода-вывода (8). Для неиспользуемого дескриптора портов ввода-вывода его поле базового адреса должно быть нулевым. Размер области адресов определяется в блоке данных, считанном из регистра Resource Data.

♦ Дескрипторы запросов прерываний (2). Неиспользуемый селектор запроса прерывания должен быть нулевым (поскольку нулевой номер запроса недопустим — занят системным таймером). Для линии IRQ2/9 шины ISA применяют номер 9.

♦ Дескрипторы каналов прямого доступа к памяти. Неиспользуемый дескриптор канала прямого доступа должен иметь значение 4 (этот канал недоступен, по скольку задействован для каскадирования контроллеров).

Назначение регистров дескрипторов и их положение в индексном пространстве PnP раскрывает табл. 6.10.

Таблица 6.10. Регистры дескрипторов системных ресурсов логических устройств PnP

Дескрипторы требуемых ресурсов (данные о возможных конфигурациях логических устройств) могут быть считаны последовательно байт за байтом из регистра Resource Data и использованы для конфигурирования устройств, которое выполняется через регистры, перечисленные в табл. 6.10. Считываться будут данные из карты, находящейся в состоянии config. Если регистр считывается сразу после «победы» карты в протоколе изоляции, считывание начинается с дескриптора версии PnP. Если считывание начинается для карты после ее «пробуждения» командой Wake[CSN], сначала будут считаны 8 байт уникального идентификатора, затем байт контрольного кода, который будет недействительным, поскольку генерируется аппаратно регистром LFSR во время побитного считывания идентификатора. Только после этого начнется считывание дескрипторов ресурсов. Порядок считывания дескрипторов существенен — именно в этом порядке должны программироваться регистры дескрипторов ресурсов карты PnP. Последовательность считывания дескрипторов для каждого логического устройства завершается признаком завершения области дескрипторов.

Считав все дескрипторы всех устройств, программа, выполняющая конфигурирование PnP, получает исчерпывающую информацию об устройствах и их потребностях. После этого она пытается найти бесконфликтную конфигурацию для всех устройств, с учетом потребностей установленных устройств, не относящихся к устройствам PnP. В соответствии с принятым планом она конфигурирует все устройства, а те, которым не удается выделить ресурсы, отключает. Данные о принятых настройках передаются «заинтересованному» ПО программным способом.

PCI (Peripheral Component Interconnect) local bus — шина соединения периферийных компонентов является основной шиной расширения современных компьютеров. Она разрабатывалась в расчете на Pentium, но хорошо сочеталась и с процессорами 486. Сейчас PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной и надежной шиной расширения. Первая версия PCI 1.0 появилась в 1992 г. В PCI 2.0 (1993 г.) введена спецификация коннекторов и карт расширения. В версии 2.1 (1995 г.) введена частота 66 МГц. В настоящее время действует спецификация PCI 2.2 (декабрь 1998 г.), которая уточняет и разъясняет некоторые положения предшествующей версии 2.1. Данное описание основано на тексте стандарта «PCI Local Bus Specification. Revision 2.2» от 18.12.1998, опубликованного организацией PCI SIG (Special Interest Group).

Поначалу шина PCI вводилась как пристройка (mezzanine bus) к системам с основной шиной ISA, став позже центральной шиной: она соединяется с системной шиной процессора высокопроизводительным мостом («северным»), входящим в состав чипсета системной платы. Остальные шины расширения ввода-вывода (ISA/EISA или MCA), а также локальная ISA-подобная шина X-BUS и интерфейс LPC, к которым подключаются микросхемы системной платы (ROM BIOS, контроллеры прерываний, клавиатуры, DMA, портов СОМ и LPT, НГМД и прочие «мелочи»), подключаются к шине PCI через «южный» мост. В современных системных платах с хабовой архитектурой шину PCI отодвинули на периферию, не ущемляя ее в мощности канала связи с процессором и памятью, но и не нагружая транзитным трафиком устройств других шин.

Шина является синхронной — фиксация всех сигналов выполняется по положительному перепаду (фронту) сигнала CLK. Номинальной частотой синхронизации считается 33 МГц, при необходимости частота может быть понижена (на машинах с процессором 486 использовали частоты 20–33 МГц). Во многих случаях частоту успешно разгоняют и до 41,5 МГц (половина типовой частоты системной шины 83 МГц). Начиная с версии 2.1 допускается повышение частоты до 66 МГц при согласии всех устройств на шине.

Номинальная разрядность шины данных — 32 бита, спецификация определяет и расширение разрядности до 64 бит. При частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32-битной шины и 264 Мбайт/с для 64-битной; при частоте синхронизации 66 МГц — 264 и 528 соответственно. Однако эти пиковые значения достигаются лишь во время передачи пакета, а из-за протокольных накладных расходов реальная средняя суммарная (для всех задатчиков) пропускная способность шины оказывается ниже.

С устройствами PCI процессор может взаимодействовать командами обращения к памяти и портам ввода-вывода, адресованным к областям, выделенным каждому такому устройству при конфигурировании. Устройства могут вырабатывать запросы маскируемых и немаскируемых прерываний. Понятия каналов DMA для шины PCI нет, но агент шины может сам выступать в роли задатчика, поддерживая высокопроизводительный обмен с памятью (и не только), не занимая ресурсов центрального процессора. Таким образом, к примеру, может быть реализован обмен в режиме DMA с устройствами AT А, подключенными к контролеру PCI IDE (см. п. 9.2.1). Спецификация PCI требует от устройств способности перемещать все занимаемые ресурсы в пределах доступного пространства адресации. Это позволяет обеспечивать бесконфликтное распределение ресурсов для многих устройств (функций). Для управления устройствами рекомендуется вместо портов ввода-вывода по возможности использовать ячейки памяти. Одно и то же функциональное устройство может быть сконфигурировано по-разному, отображая свои регистры либо на пространство памяти, либо на пространство ввода-вывода. Драйвер может определить текущую настройку, прочитав содержимое регистра базового адреса устройства, — признаком пространства ввода-вывода будет единичное значение бита 0 (см. п. 6.2.12). Драйвер также может определить и номер запроса прерывания, который используется устройством.

6.2.1. Адресация устройств PCI

Для шины PCI принята иерархия понятий адресации: шина, устройство, функция. Эти понятия фигурируют только при обращении к регистрам конфигурационного пространства (см. п. 6.2.12). К этим регистрам обращаются на этапе конфигурирования — переучета обнаруженных устройств, выделения им непересекающихся ресурсов (областей памяти и пространства ввода-вывода) и назначения номеров аппаратных прерываний. При дальнейшей регулярной работе устройства будут отзываться на обращения по назначенным им адресам памяти и ввода-вывода, доведенным до сведения связанных с ними модулей ПО. Эти адреса принимаются с шины AD в начале каждой транзакции. Для доступа к конфигурационному пространству используются отдельные линии IDSEL.

Устройством PCI называется микросхема или карта расширения, подключенная к одной из шин PCI и использующая для идентификации выделенную ей линию IDSEL, принадлежащую этой шине. Устройство может быть многофункциональным, то есть состоять из множества (от 1 до 8) так называемых функций. Каждой функции отводится конфигурационное пространство в 256 байт (см. п. 6.2.12). Многофункциональные устройства должны отзываться только на конфигурационные циклы с номерами функций, для которых имеется конфигурационное пространство. При этом функция с номером 0 должна быть обязательно, номера остальных функций назначаются разработчиком устройства произвольно (в диапазоне 1–7). Простые (однофункциональные) устройства, в зависимости от реализации, могут отзываться либо на любой номер функции, либо только на номер функции 0.

Шина PCI — набор сигнальных линий (см. п. 6.2.2), непосредственно соединяющих интерфейсные выводы группы устройств (слотов, микросхем на системной плате). В системе может присутствовать несколько шин PCI, соединенных мостами PCI (см. п. 6.2.10). Мосты электрически отделяют интерфейсные сигналы одной шины от другой, соединяя их логически; главный мост соединяет главную шину с ядром системы (процессором и памятью). Каждая шина имеет свой номер шины (PCI bus number). Шины нумеруются последовательно; главная шина имеет нулевой номер.

С точки зрения конфигурирования, минимальной адресуемой единицей этой иерархии является функция; ее полный адрес состоит из трех частей: номера шины, номера устройства и номера функции. Короткая форма идентификации вида PCI0:1:2 (например, в сообщениях ОС Unix) означает функцию 2 устройства 1, подключенного к главной (0) шине PCI.

В шине PCI принята географическая адресация — номер устройства определяется местом его подключения. Номер устройства (device number или dev) определяется той линией шины AD, к которой подключена линия сигнала IDSEL данного слота: к AD11 — dev0 (мост), AD12 — dev1 … AD31 — dev20. В соседних слотах PCI, как правило, задействуются соседние номера устройств; их нумерация определяется разработчиком системной платы (или пассивной кросс-платы в промышленных компьютерах). Часто для слотов используются убывающие номера устройств, начиная с 20. Группы соседних слотов могут подключаться к разным шинам; на каждой шине PCI нумерация устройств независимая (могут быть и устройства с совпадающими номерами dev, но разными номерами шин). Устройства PCI, интегрированные в системную плату, используют ту же систему адресации. Их номера «запаяны намертво», в то время как адреса карт расширения можно изменять перестановкой их в разные слоты.

Одна карта PCI может содержать только одно устройство шины, к которой она подключается, поскольку ей в слоте выделяется только одна линия IDSEL. Если на карте размещают несколько устройств (например, 4-портовая карта Ethernet), то на ней приходится устанавливать мост — тоже устройство PCI, к которому и обращаются по линии IDSEL, выделенной данной карте. Этот мост организует на карте дополнительную шину PCI, к которой можно подключить множество устройств.

С точки зрения обращения к пространствам памяти и ввода-вывода, географический адрес (номер шины и устройства) безразличен (не принимая во внимание разницу в производительности, связанную с подключением устройств к разным шинам PCI). Однако номер устройства определяет номер линии запроса прерывания, которой может пользоваться устройство. Подробнее об этом см. в п. 6.2.6, здесь же отметим, что на одной шине устройства с номерами, отличающимися друг от друга на 4, будут использовать одну и ту же линию прерывания. Возможность развести их по разным линиям прерывания может появиться лишь, если они находятся на разных шинах (это зависит от системной платы).

Разобраться с нумерацией устройств и полученных ими линий прерываний на конкретной плате можно просто: устанавливать одну карту PCI поочередно в каждый из слотов (отключая питание) и смотреть на сообщения об обнаруженных устройствах PCI, выводимых на дисплей в конце теста POST. В этих сообщениях будут фигурировать и устройства PCI, установленные непосредственно на системной плате (и не отключенные параметрами CMOS Setup).

Но чтобы не было иллюзий простоты и прозрачности, отметим, что «особо умные» операционные системы (Windows) не довольствуются полученными назначениями номеров прерывании и изменяют их по своему усмотрению (что никак не может отразиться на разделяемости линий).

6.2.2. Протокол шины PCI

В каждой транзакции (обмене по шине) участвуют два устройства — инициатор (initiator) обмена, он же ведущее (master) устройство, и целевое (target) устройство (ЦУ), оно же ведомое (slave). Шина PCI все транзакции трактует как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Состав и назначение интерфейсных сигналов шины приведены в табл. 6.11.

Таблица 6.11. Сигналы шины PCI

В каждый момент времени шиной может управлять только одно ведущее устройство, получившее на это право от арбитра. Каждое ведущее устройство имеет пару сигналов — REQ# для запроса на управление шиной и GNT# для подтверждения предоставления управления шиной. Устройство может начинать транзакцию (устанавливать сигнал FRAME#) только при активном полученном сигнале GNT#. Снятие сигнала GNT# не позволяет устройству начать следующую транзакцию, а при определенных условиях (см. ниже) заставляет прекратить начатую транзакцию. Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный узел, входящий в чипсет системной платы. Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный) определяется программированием арбитра.

Для адреса и данных используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированные линии С/BE[3:0] обеспечивают кодирование команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных. В начале транзакции ведущее устройство активизирует сигнал FRAME#, по шине AD передает целевой адрес, а по линиям С/BE# — информацию о типе транзакции (команде). Адресованное ЦУ отзывается сигналом DEVSEL#. Ведущее устройство указывает на свою готовность к обмену данными сигналом IRDY#, эта готовность может быть выставлена и раньше получения DEVSEL#. Когда к обмену данными будет готово и ЦУ, оно установит сигнал TRDY#. Данные по шине AD передаются только при одновременном наличии сигналов IRDY# и TRDY#. С помощью этих сигналов ведущее устройство и ЦУ согласуют свои скорости, вводя такты ожидания. На рис. 6.7 приведена временная диаграмма обмена, в которой и ведущее устройство, и ЦУ вводят такты ожидания. Если бы они оба ввели сигналы готовности в конце фазы адреса и не снимали их до конца обмена, то в каждом такте после фазы адреса передавались бы по 32 бита данных, что обеспечило бы выход на предельную производительность обмена.

Рис. 6.7. Цикл обмена на шине PCI

Количество фаз данных в пакете явно не указывается, но перед последней фазой данных ведущее устройство при введенном сигнале IRDY# снимает сигнал FRAME#. В одиночных транзакциях сигнал FRAME# активен лишь один такт. Если устройство не поддерживает пакетные транзакции в ведомом режиме, то оно должно потребовать прекращения пакетной транзакции во время первой фазы данных (введя сигнал STOP# одновременно с TRDY#). В ответ на это ведущее устройство завершит данную транзакцию и продолжит обмен последующей транзакцией с новым значением адреса. После последней фазы данных ведущее устройство снимает сигнал IRDY#, и шина переходит в состояние покоя (PCI Idle) — оба сигнала FRAME# и IRDY# находятся в пассивном состоянии. Инициатор может начать следующую транзакцию и без такта покоя, введя FRAME# одновременно со снятием IRDY#. Такие быстрые смежные транзакции (Fast Back-to-Back) могут быть обращены как к одному, так и к разным ЦУ. Первый тип поддерживается всеми устройствами PCI, выступающими в роли ЦУ. На поддержку второго типа (она необязательна) указывает бит 7 регистра состояния (см. п. 6.2.12). Инициатору разрешают (если он умеет) использовать быстрые смежные транзакции с разными устройствами (битом 9 регистра команд), только если все агенты шины допускают быстрые обращения.

Шина позволяет уменьшить мощность (ток), потребляемую устройствами, ценой снижения производительности, применяя пошаговое переключение линий AD[31:0] и PAR (address/data stepping). Здесь возможны два варианта.

♦ Плавный шаг (continuous stepping) — начало формирования сигналов слабо точными формирователями за несколько тактов до введения сигнала-квалификатора действительной информации (FRAME# в фазе адреса, IRDY# или TRDY# в фазе данных). За эти несколько тактов сигналы «доползут» до требуемого значения при меньшем токе.

♦ Дискретный шаг (diskrete stepping) — нормальные формирователи срабатывают не все сразу, а группами (например, побайтно), в каждом такте по группе. При этом снижаются броски тока, поскольку одновременно переключается меньше формирователей.

Устройство само может и не пользоваться этими возможностями (см. бит 7 регистра команд), но должно «понимать» такие циклы. Задерживая сигнал FRAME#, устройство рискует потерять право доступа к шине, если арбитр получит запрос от более приоритетного устройства.

Протокол квитирования обеспечивает надежность обмена — ведущее устройство всегда получает информацию об отработке транзакции ЦУ. Средством повышения надежности (достоверности) является применение контроля паритета: линии AD[31:0] и С/BE[3:0]# и в фазе адреса, и в фазе данных защищены битом паритета PAR (количество единичных бит этих линий, включая PAR, должно быть четным). Действительное значение PAR появляется на шине с задержкой в один такт относительно линий AD и С/BE#. При обнаружении ошибки ЦУ вырабатывается сигнал PERR# (со сдвигом на такт после действительности бита паритета). В подсчете паритета при передаче данных учитываются все байты, включая и недействительные (отмеченные высоким уровнем сигнала С/ВЕх#). Состояние бит, даже и в недействительных байтах данных, во время фазы данных должно оставаться стабильным.

Каждая транзакция на шине должна быть завершена планово или прекращена, при этом шина должна перейти в состояние покоя (сигналы FRAME# и IRDY# пассивны). Завершение транзакции выполняется либо по инициативе ведущего устройства, либо по инициативе ПУ.

Ведущее устройство может завершить транзакцию одним из следующих способов.

♦ Нормальное завершение (Completion) выполняется по окончании обмена данными.

♦ Завершение по тайм-ауту (Time-out) происходит, когда во время транзакции у ведущего устройства отбирают право на управление шиной (снятием сигнала GNT#) и истекает время, указанное в его таймере Latency Timer. Это может случиться, если адресованное ЦУ оказалось непредвиденно медленным или запланирована слишком длинная транзакция. Короткие транзакции (с одной-двумя фазами данных) даже в случае снятия сигнала GNT# и срабатывания таймера завершаются нормально.

♦ Транзакция отвергается (Master-Abort), когда в течение заданного времени ведущее устройство не получает ответа ЦУ (DEVSEL#).

Транзакция может быть прекращена по инициативе ЦУ; для этого оно может ввести сигнал STOP#. Возможны три типа прекращения.

♦ Повтор (Retry) — сигнал STOP# вводится при пассивном сигнале TRDY# до первой фазы данных. Эта ситуация возникает, когда ЦУ из-за внутренней занятости не успевает выдать первые данные в положенный срок (16 тактов). Повтор является указанием ведущему устройству на необходимость нового запуска той же транзакции.

♦ Отключение (Disconnect) — сигнал STOP# вводится во время или после первой фазы данных. Если сигнал STOP# введен при активном сигнале TRDY# очередной фазы данных, то эти данные передаются и на том транзакция завершается. Если сигнал STOP# введен при пассивном сигнале TRDY#, то транзакция завершается без передачи данных очередной фазы. Отключение производится, когда ЦУ неспособно своевременно выдать или принять очередную порцию данных пакета.

♦ Отказ (Target-Abort) — сигнал STOP# вводится одновременно со снятием сигнала DEVSEL# (в предыдущих случаях во время появление сигнала STOP# сигнал DEVSEL# был активен). После этого данные уже не передаются. Отказ вводится, когда ЦУ обнаруживает фатальную ошибку или иные условия, по которым оно уже никак не сможет обслужить данный запрос.

Использование трех типов прекращения вовсе не обязательно для всех ЦУ, однако любое ведущее устройство должно быть готово к завершению транзакций по любой из этих причин.

6.2.3. Команды шины, адресация памяти и ввода-вывода

Работа шины контролируется несколькими таймерами, не позволяющими попусту расходовать такты шины и планировать распределение полосы пропускания.

Каждое ЦУ должно достаточно быстро отвечать на адресованную ему транзакцию. Задержка первой фазы данных (target initial latency), то есть задержка появления сигнала TRDY# относительно FRAME#, не должна превышать 16 тактов шины. Если устройство по своей природе иногда может не успевать уложиться в этот интервал, оно должно формировать сигнал STOP#, прекращая транзакцию. Это заставит ведущее устройство повторить транзакцию, и с большой вероятностью эта попытка окажется успешной. Если устройство медленное и часто не укладывается в 16 тактов, то оно должно откладывать транзакцию (Delayed Transaction). Кроме того, ЦУ имеет инкрементный механизм слежения за длительностью циклов (Incremental Latency Mechanism), который не позволяет интервалу между соседними фазами данных в пакете (target subsequent latency) превышать 8 тактов шины. Если ЦУ не успевает работать в таком темпе, оно обязано остановить транзакцию. Желательно, чтобы устройство сообщало о своем «неуспевании» как можно раньше, не выжидая предельных 16 или 8 тактов, — это экономит полосу пропускания шины.

Инициатор тоже не должен задерживать поток — допустимая задержка от начала FRAME# до сигнала IRDY# (master data latency) и между фазами данных не должна превышать 8 тактов. Если ЦУ время от времени отвергает операцию записи в память с запросом повтора (это, к примеру, может происходить при записи в видеопамять), то есть «предел терпения» для завершения операции. Таймер максимального времени исполнения (maximum complete time) имеет порог 10 мкс — 334 такта при 33 МГц или 668 тактов на 66 МГц, за которое инициатор должен иметь возможность «протолкнуть» хоть одну фазу данных. Таймер начинает отсчет с момента запроса повтора операции записи в память и сбрасывается при последующем завершении транзакции записи в память, отличном от запроса повтора. Устройства, не способные выдерживать ограничение на максимальное время исполнения записи в память, должны предоставлять драйверу возможность определять их состояние, в котором достаточно быстрая запись в память невозможна. Драйвер, естественно, должен учитывать это состояние и не «напрягать» шину и устройство бесплодными попытками записи.

Каждое ведущее устройство, способное сформировать пакет с более чем двумя фазами данных, должно иметь собственный программируемый таймер задержки (Latency Timer), регулирующий поведение ведущего устройства, когда у него отбирают право управления шиной. Таймер запускается по каждому сигналу FRAME#, введенному этим ведущим устройством. Поведение ведущего устройства по достижении порога зависит от типа команды и состояния сигналов FRAME# и GNT# на момент срабатывания таймера.

♦ Если ведущее устройство снимает сигнал FRAME# до срабатывания таймера, транзакция завершается нормально.

♦ Если сигнал GNT# снят и исполняемая команда не является записью памяти с инвалидацией, то инициатор обязан сократить транзакцию, сняв сигнал FRAME#. При этом ему позволяется завершить текущую и выполнить еще одну фазу данных.

♦ Если сигнал GNT# снят и исполняется запись в память с инвалидацией, то инициатор должен завершить транзакцию по концу текущей (если передается непоследнее двойное слово строки) или следующей (если двойное слово — последнее) строки кэша.

Задержка арбитража (arbitration latency) определяется как число тактов от подачи инициатором запроса REQ# до получения права управления шиной GNT#. Эта задержка зависит от активности других инициаторов, быстродействия устройств (чем меньше они вводят тактов ожидания, тем лучше) и «проворности» собственно арбитра. В зависимости от исполняемой команды и состояния сигналов ведущее устройство должно либо сократить транзакцию, либо продолжать ее до запланированного завершения.

При конфигурировании ведущие устройства сообщают свои потребности, указывая максимально допустимую задержку предоставления доступа к шине (Max_Lat) и минимальное время, на которое им должно предоставляться управление шиной (Min_GNT). Эти потребности определяются присущим устройству темпом передачи данных и его организацией.

Для максимального использования возможностей шины устройства должны иметь буферы, чтобы накапливать в них данные для пакетных транзакций. Рекомендуется для устройств со скоростью передачи данных до 5 Мбайт/с иметь буфер, по крайней мере, на 4 двойных слова. Для более высоких скоростей рекомендуется буфер на 32 двойных слова. Для обмена с системной памятью наиболее эффективны транзакции, работающие с целыми строками кэша, что тоже учитывают при определении размера буфера. Однако увеличение размера буфера может вызвать трудности при обработке ошибок, а также вести к увеличению задержек доставки данных (пока устройство не заполнит определенный объем буфера, оно не начнет передачу этих данных по шине, и их потребители будут ожидать).

В спецификации приводится пример организации карты Fast Ethernet (скорость передачи — 10 Мбайт/с), у которой для каждого направления передачи имеется 64-байтный буфер, поделенный на две половины. Когда адаптер заполняет одну половину буфера приходящим кадром, он выводит в память накопленное содержимое другой половины, после чего они меняются местами. Каждая половина выводится в память за 8 фаз данных (около 0,25 мкс на частоте 33 МГц), что соответствует установке MIN_GNT=1. При скорости прихода данных 10 Мбайт/с каждая половина заполняется за 3,2 мкс, что соответствует установке МAX_LАТ=12 (здесь время задается в интервалах по 0,25 мкс).

6.2.4. Таймеры, задержки и буферы

В каждой команде шины указывается адрес данных, передаваемых в первой фазе данных пакета. Адрес для каждой последующей фазы данных пакета увеличивается на 4 (следующее двойное слово), но в командах обращения к памяти порядок может быть иным (см. ниже). Байты шины AD, несущие действительную информацию, выбираются сигналами С/BE[3:0]# в фазах данных. Внутри пакета эти сигналы могут менять состояние от фазы к фазе произвольным образом. Разрешенные байты могут быть разрозненными; возможны фазы данных, в которых не разрешено ни одного байта. В отличие от шины ISA, на PCI нет динамического изменения разрядности — все устройства должны подключаться к шине 32-разрядным способом. Если в устройстве PCI применяются функциональные схемы иной разрядности (к примеру, нужно подключить микросхему 8255, имеющую 8-битную шину данных и четыре регистра), то приходится принимать схемотехнические методы преобразования, отображающие все регистры на 32-разрядную шину AD.

Адресация памяти, портов и конфигурационных регистров различна.

♦ В циклах обращения к памяти адрес, выровненный по границе двойного слова, передается по линиям AD[31:2]; линии AD[1:0] задают порядок адресов в пакете:

 • 00 — линейное инкрементирование; адрес последующей фазы отличается от предыдущего на число байтов шины (4 для 32-битной и 8 для 64-битной шины).

 • 10 — Cache line Wrap mode, сворачивание адресов с учетом длины строки кэш-памяти. В транзакции адрес для очередной фазы увеличивается до достижения границы строки кэша, после чего переходит на начало этой строки и увеличивается до адреса, предшествующего начальному. Если транзакция длиннее строки кэша, то она продолжится в следующей строке с того же смещения, что и началась. Так, при длине строки 16 байт и 32-битной шине транзакция, начавшаяся с адреса xxxxxx08h, будет иметь последующие фазы данных, относящиеся к адресам xxxxxx0Ch, xxxxxx00h, xxxxxx04h; и далее к xxxxxx18h, xxxxxx1Ch, xxxxxx10h, xxxxxx14h. Длина строки кэша прописывается в конфигурационном пространстве устройства (см. п. 6.2.12). Если устройства не имеет регистра Cache Line Size, то оно должно прекратить транзакцию после первой фазы данных;

 • 01 и 11 — зарезервировано, может использоваться как указание на отключение (Disconnect) после первой фазы данных.

♦ В циклах обращения к портам ввода-вывода для адресации любого байта используются все линии AD[31:0]. При этом биты адреса AD[31:2] указывают на адрес двойного слова, к которому принадлежат передаваемые данные, а младшие биты адреса AD[1:0] должны соответствовать байтам, которые могут быть разрешены сигналами С/BE[3:0]#. При AD[1:0]=00 допустимо С/BE[3:0]#=xxx0 или 1111, при AD[1:0]=01 — С/BE[3:0]#=xx01 или 1111, при AD[1:0]=10 — С/BE[3:0]#=х011 или 1111, при AD[1:0]=11 — С/BE[3:0]#=0111 (передается лишь байт 3) или 1111 (ни один байт не разрешен). Эти циклы тоже могут быть пакетными, хотя на практике эта возможность используется редко.

♦ В циклах конфигурационной записи/считывания устройство (карта расширения) выбирается индивидуальным сигналом IDSEL; функция адресуется битами AD[10:8], а конфигурационные регистры (только двойные слова) адресуются битами AD[7:2], при этом AD[1:0]=00.

Команды шины PCI определяются значениями бит С/BE# в фазе адреса (табл. 6.12).

♦ Команда подтверждения прерывания предназначена для чтения вектора прерываний. По протоколу она выглядит как команда чтения, неявно адресованная к системному контроллеру прерываний. Здесь в фазе адреса по шине AD полезная информация не передается, но ее инициатор (главный мост) должен обеспечить стабильность сигналов и корректность паритета. В PC 8-битный вектор передается в байте 0 по готовности контроллера прерываний (по сигналу TRDY#). Подтверждение прерываний выполняется за один цикл (первый холостой цикл, который процессоры х86 делают в дань совместимости со стариной, мостом подавляется).

♦ Специальный цикл отличается от всех других тем, что является широковещательным. Однако ни один агент на него не отвечает, а главный мост или иное устройство, вводящее этот цикл, всегда завершает его способом Master Abort (на него требуется 6 тактов шины). Специальный цикл предназначен для генерации широковещательных сообщений — их могут читать любые «заинтересованные» агенты шины. Тип сообщения декодируется содержимым линий AD[15:0], на линиях AD[31:16] могут помещаться данные, передаваемые в сообщении. Фаза адреса в этом цикле для обычных устройств отсутствует, но мосты используют ее информацию для управления распространением сообщения. Сообщения с кодами 0000h, 0001h и 0002h требуются для указания на отключение (Shutdown), остановку (Halt) процессора или специфические функции процессора x86, связанные с кэшем и трассировкой. Коды 0003-FFFFh зарезервированы. Специальный цикл может генерироваться тем же аппаратно-программным механизмом, что и конфигурационные циклы (см. п. 6.2.11), но со специфическим значением адреса.

♦ Команды чтения и записи ввода-вывода служат для обращения к пространству портов. Линии AD содержат адрес байта, причем декодированию подлежат и биты AD0 и AD1 (несмотря на то, что имеются сигналы ВЕх#). Порты PCI могут быть 16- или 32-битными. Для адресации портов на шине PCI доступны все 32 бита адреса, но процессоры х86 могут использовать только младшие 16 бит.

♦ Команды обращения к памяти, кроме обычного чтения и записи, включают чтение строк кэш-памяти, множественное чтение (нескольких строк), запись с инвалидацией.

♦ Команды конфигурационного чтения и записи адресуются к конфигурационному пространству устройств (см. п. 6.2.12). Обращение производится только двойными словами. Структура содержит идентификатор устройства и производите для, состояние и команду, информацию о занимаемых ресурсах и ограничения на использование шины. Для генерации данных команд требуется специальный аппаратно-программный механизм (см. п. 6.2.11).

♦ Чтение строк памяти применяется, когда в транзакции планируется более двух 32-битных передач (обычно это чтение до конца строки кэша).

♦ Множественное чтение памяти используется для транзакций, пересекающих границы строк кэш-памяти.

♦ Запись с инвалидацией применяется к целым строкам кэша и позволяет оптимизировать циклы обратной записи «грязных» строк кэша.

♦ Двухадресный цикл позволяет по 32-битной шине обращаться к устройствам с 64-битной адресацией. В этом случае младшие 32 бита адреса передаются в цикле данного типа, а за ним следует обычный цикл, определяющий тип обмена и несущий старшие 32 бита адреса. Шина PCI допускает 64-битную адресацию портов ввода-вывода (для х86 это бесполезно, но PCI существует и на других платформах).

Таблица 6.12. Декодирование команд шины PCI

6.2.5. Пропускная способность шины

Шина PCI является самой высокоскоростной шиной расширения современных ПК, однако и ее реальная пропускная способность, увы, не так уж и высока. Рассмотрим наиболее распространенный вариант: разрядность 32 бита, частота 33 МГц. Как указывалось выше, пиковая скорость передачи данных внутри пакетного цикла составляет 132 Мбайт/с, то есть за каждый такт шины передаются 4 байта данных (33×4=132). Однако пакетные циклы выполняются далеко не всегда. Процессор общается с устройствами PCI инструкциями обращения к памяти или вводу-выводу через главный мост, который шинные транзакции процессора транслирует в транзакции шины PCI. Поскольку у процессоров х86 основные регистры 32-разрядные, то одна инструкция порождает транзакцию с устройством PCI, в которой передается не более 4 байт данных, что соответствует одиночной передаче. Если же адрес передаваемого (двойного) слова не выровнен по соответствующей границе, то будут порождены два одиночных цикла или один пакетный с двумя фазами данных, но в любом случае это обращение будет выполняться дольше, чем при выровненном адресе.

Однако при записи массива данных в устройство PCI (передача с последовательно нарастающим адресом) мост может пытаться организовать пакетные циклы. У современных процессоров (начиная с Pentium) шина данных 64-битная и применяется буферизация записи, так что два последовательных 32-битных запроса записи объединятся в один 64-битный. Этот запрос, если он адресован к 32-битному устройству, мост попытается передать пакетом с двумя фазами данных. «Продвинутый» мост может пытаться собирать в пакет и последовательные запросы, что может породить пакет существенной длины. Пакетные циклы записи можно наблюдать, например, передавая массив данных из ОЗУ в устройство PCI строковой инструкцией MOVSD, используя префикс повтора REP. Тот же эффект даст и цикл последовательных операций LODSW, STOSW (и иных инструкциях обращения к памяти). Поскольку у современных процессоров ядро исполняет инструкции гораздо быстрее, чем шина способна вывести их результаты, между инструкциями, порождающими объединяемые записи, процессор может успеть выполнить еще несколько операций. Однако если пересылка данных организуется директивой языка высокого уровня, которая ради универсальности работает гораздо сложнее вышеприведенных ассемблерных примитивов, транзакции, скорее всего, будут уже одиночными (у буферов записи процессора не хватит «терпения» придержать один 32-битный запрос до появления следующего, или же произойдет принудительная выгрузка буферов записи процессора или моста по запросу чтения, см. п. 6.2.10).

Что касается чтения из устройства PCI, то здесь пакетный режим организовать сложнее. Буферизации чтения у процессора, естественно, нет (операцию чтения можно считать выполненной лишь по получению реальных данных), и даже строковые инструкции будут порождать одиночные циклы. Однако у современных процессоров имеются возможности генерации запросов чтения более 4 байт. Для этого можно использовать инструкции загрузки данных в регистры MMX (8 байт) или XMM (16 байт), а из них уже выгружать данные в ОЗУ (которое работает много быстрее устройств PCI).

Строковые инструкции ввода-вывода (INSW, OUTSW с префиксом повторения REP), используемые для программированного ввода-вывода блоков данных (PIO), порождают серии одиночных транзакций, поскольку все данные блока относятся к одному адресу PCI.

Посмотреть, каким образом происходит обращение к устройству, несложно при наличии осциллографа: в одиночных транзакциях сигнал FRAME# активен всего 1 такт, в пакетных он длиннее. Число фаз данных в пакете соответствует числу тактов, во время которых активны оба сигнала IRDY# и TRDY#.

Стремиться к пакетизации транзакций записи стоит только в том случае, если устройство PCI поддерживает пакетные передачи в ведомом (target) режиме. Если это не так, то попытка пакетизации приведет даже к небольшой потере производительности, поскольку транзакция будет завершаться по инициативе ведомого устройства (сигналом STOP#), а не инициатора обмена, на чем теряется один такт шины. Так, к примеру, можно наблюдать, как при записи массива в память PCI, выполняемой директивой языка высокого уровня, устройство среднего быстродействия (вводящее лишь 3 такта ожидания готовности) принимает данные каждые 7 тактов, что при частоте 33 МГц и разрядности 32 бита дает скорость 33×4/7=18,8 Мбайт/с. Здесь 4 такта занимает активная часть транзакции (от сигнала FRAME# до снятия сигнала IRDY#) и 3 такта паузы. То же устройство по инструкции MOVSD принимает данные каждые 8 тактов шины (33×4/8=16,5 Мбайт/с). Эти данные — результат наблюдения работы PCI-ядра, выполненного на основе микросхемы FPGA фирмы Altera, не поддерживающего пакетные транзакции в ведомом режиме. То же самое устройство при чтении памяти PCI работает существенно медленнее — инструкцией REP MOVSW с него удалось получать данные каждые 19–21 тактов шины (скорость 33×4/20=6,6 Мбайт/с). Здесь сказывается и большая задержка устройства (оно выдает данные лишь в 8 такте после появления сигнала FRAME#), и то, что процессор начинает следующую пересылку лишь дождавшись данных от предыдущей. Трюк с использованием регистра XMM здесь дает положительный эффект, несмотря на потерю такта (на прекращение транзакции непакетным устройством), поскольку каждый 64-битный запрос процессора выполняется парой смежных транзакций PCI, между которыми пауза всего в пару тактов.

Для определения теоретического предела пропускной способности вернемся к рис. 6.7, чтобы определить минимальное время (число тактов) транзакций чтения и записи. В транзакции чтения после подачи команды и адреса инициатором (такт 1) меняется текущий «владелец» шины AD. На этот «разворот», или «пируэт» (turnaround), уходит такт 2, что обусловливается задержкой сигнала TRDY# целевым устройством. Далее может следовать фаза данных (такт 3), если целевое устройство достаточно расторопно. После последней фазы данных требуется еще 1 такт на обратный «пируэт» шины AD (в нашем случае это такт 4). Таким образом, чтение одного слова (4 байта) занимает минимум 4 такта по 30 не (33 МГц). Если эти транзакции следуют непосредственно друг за другом (если на такое способен инициатор и у него не отбирают право на управление шиной), то можно говорить о максимальной скорости чтения в 33 Мбайт/с при одиночных транзакциях. В транзакциях записи шиной AD все время управляет инициатор, так что здесь нет потери тактов на «пируэт». При расторопном целевом устройстве, не вносящем дополнительных тактов ожидания, скорость записи может достигать 66 Мбайт/с.

Скорость, соизмеримую с максимальной пиковой, можно получить только при пакетных передачах, когда имеют место дополнительные 3 такта при чтении и 1 при записи. Так, для чтения пакета с числом фаз данных 4 требуется 7 тактов (V= 16/(7×30) байт/нс = 76 Мбайт/с), а для записи — 5 (V= 16/(5×30) байт/нс = 106,6 Мбайт/с). При числе фаз данных в 16 скорость чтения может достигать 112 Мбайт/с, а записи — 125 Мбайт/с.

В этих выкладках не учитывались потери времени, связанны со сменой инициатора. Инициатор может начинать транзакцию по получении сигнала GNT#, только убедившись в том, что шина находится в покое (сигналы FRAME# и IRDY# пассивны); на фиксацию покоя уходит один такт. Как видно, захватывать для одного инициатора большую часть пропускной способности шины можно, увеличивая длину пакета. Однако при этом возрастет задержка получения управления шиной для других устройств, что не всегда допустимо. Отметим также, что далеко не все устройства способны отвечать на транзакции без тактов ожидания, так что реальные цифры будут скромнее.

Итак, для выхода на максимальную производительность обмена устройства PCI сами должны быть ведущими устройствами шины, причем способными генерировать пакетные циклы. Поддержку пакетного режима имеют далеко не все устройства PCI, а у имеющих, как правило, есть существенные ограничения на максимальную длину пакета. Радикально повысить пропускную способность позволяет переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бита, что обходится недешево. Для того, чтобы на шине могли нормально работать устройства, критичные к времени доставки данных (сетевые адаптеры, устройства, участвующие в записи и воспроизведении аудио-видеоданных и др.), не следует пытаться выжать из шины ее декларированную полосу пропускания полностью. Перегрузка шины может привести, например, к потере пакетов из-за несвоевременности доставки данных. Заметим, что адаптер Fast Ethernet (100 Мбит/с) в полудуплексном режиме занимает полосу около 13 Мбайт/с (10 % декларируемой полосы обычной шины), а в полнодуплексном — уже 26 Мбайт/с. Адаптер Gigabit Ethernet даже в полудуплексном режиме вписывается в полосу шины уже с натяжкой (он «выживает» лишь за счет больших внутренних буферов), для него больше подходит 64 бит/66 МГц.

6.2.6. Прерывания

В PC-совместимых компьютерах прерывания от устройств PCI обслуживаются с помощью традиционной связки пары контроллеров 8259А, расположенных на системной плате (см. п. 12.4), к которым обращается команда «подтверждение прерывания». Прерывания на шине PCI свободны от одной из нелепостей системы прерываний ISA. Устройство PCI вводит сигнал прерывания низким уровнем (выходом с открытым коллектором или стоком) на выбранную линию INTA#, INTB#, INTC# или INTD#. Этот сигнал должен удерживаться до тех пор, пока программный драйвер, вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по шине к данному устройству. Если после этого контроллер прерываний снова обнаруживает низкий уровень на линии запроса, это означает, что запрос на ту же линию ввело другое устройство, разделяющее данную линию с первым, и оно тоже требует обслуживания. Линии запросов от слотов PCI и PCI-устройств системной платы коммутируются на входы контроллеров прерываний относительно произвольно. Конфигурационное ПО может определить и указать занятые линии запросов и номер входа контроллера прерываний обращением к конфигурационному пространству устройства (см. п. 6.2.12). Программный драйвер, прочитав конфигурационные регистры, тоже может определить эти параметры для того, чтобы установить обработчик прерываний на нужный вектор и при обслуживании сбрасывать запрос с требуемой линии. К сожалению, в конфигурационных регистрах не нашлось стандартного места для бита, индицирующего введение запроса прерывания данным устройством, — тогда бы в прерываниях для PCI не было бы проблем с унификацией поддержки разделяемых прерываний.

Каждая функция устройства PCI может задействовать свою линию запроса прерывания, но должно быть готовым к ее разделению (совместному использованию) с другими устройствами. Если устройству требуется только одна линия запроса, то оно должно занимать линию INTA#, если две — INTA# и INTB#, и так далее. С учетом циклического сдвига линий запроса это правило позволяет установить в 4 соседних слота 4 простых устройства, и каждое из них будет занимать отдельную линию запроса прерывания. Если какой-то карте требуется две линии, то для монопольного использования прерываний нужно оставить соседний слот свободным. PCI-устройства системной платы тоже задействуют прерывания с той же закономерностью (кроме контроллера IDE, который, к счастью, держится особняком).

Назначение прерываний устройствам (функциям) выполняет процедура POST, и этот процесс управляем лишь частично. Параметрами CMOS Setup (PCI/PNP Configuration) пользователь определяет номера запросов прерываний, доступных шине PCI. В зависимости от версии BIOS это может выглядеть по- разному; либо каждой линии INTA#…INTD# явно назначается свой номер, либо ряд номеров отдается «на откуп» устройствам PCI вместе с устройствами ISA PnP (в противоположность устройствам «Legacy ISA»). В итоге POST определяет соответствие линий INTA#…INTD# номерам запросов контроллера и соответствующим образом программирует коммутатор запросов. По воле пользователя может оказаться так, что не каждой линии запроса шины PCI достается отдельный вход контроллера прерываний. Тогда коммутатор организует объединение нескольких линий запросов PCI на один вход контроллера, то есть разделяемые прерывания. В самом худшем случае устройствам PCI не достанется ни одного входа контроллера прерываний. Заметим, что BIOS вряд ли отдаст шине PCI прерывания 14 и 15 (их забирает контроллер IDE, если он не отключен), а также 3 и 4 (СОМ-порты).

Драйвер (или иное ПО), работающий с устройством PCI, определяет вектор прерывания, доставшийся устройству (точнее, функции), чтением конфигурационного регистра Interrupt Line. В этом регистре указывается номер входа контроллера прерывания (255 — номер не назначен), и по нему определяется вектор (см. п. 12.4). Номер входа каждому устройству заносит тест POST. Для этого он считывает регистр Interrupt Pin каждой обнаруженной функции и по адресу устройства (!) определяет, какая из линий (PCI_1…PCI_4) используется. Заметим, что правила, по которым на системной плате определяется соответствие между Interrupt Pin и входными линиями коммутатора запросов в зависимости от номера устройства, строго не регламентированы (деление номера устройства на 4 — это всего лишь рекомендация), но их твердо знает версия BIOS данной системной платы. К этому моменту тест POST уже определил таблицу соответствия этих линий номерам входов; пользуясь этой таблицей, он записывает нужное значение в конфигурационный регистр Interrupt Line. Определить, есть ли еще претенденты на тот же номер прерывания, можно, лишь просмотрев конфигурационные регистры функций всех устройств, обнаруженных на шине (это не так уж сложно сделать, пользуясь функциями PCI BIOS). «Прелести» разделяемых прерываний обсуждаются в п. 12.4.1.

Спасением от бед «разделяемости» может быть перестановка карт в подходящий слот. Однако попадаются «подарки разработчиков» интегрированных плат, у которых из нескольких слотов PCI неразделяемая линия прерывания есть только у одного (а то и нет вообще). Такие недуги без скальпеля и паяльника, как правило, не лечатся.

На шине PCI имеется и иной механизм оповещения об асинхронных событиях, основанный на передаче сообщений (PCI Message-Based Interrupts). Для сигнализации запроса прерывания устройство запрашивает управление шиной и, получив его, выполняет запись номера прерывания по заранее оговоренному адресу.

Этот механизм может использоваться на системных платах, имеющих «продвинутый» контроллер прерываний APIC. Запись номера запроса производится в соответствующий регистр APIC. Для системных плат на чипсете с хабом ICH2 82801 этот регистр находится по адресу памяти FEC00020h, а номер прерывания может быть в диапазоне 0-23h. Однако одновременно оба механизма работать не могут; если разрешена работа APIC, то логика контроллеров 8259 не используется, и наоборот.

6.2.7. Прямой доступ к памяти, эмуляция ISA DMA (PC/PCI)

Как было сказано выше, шина PCI не предоставляет возможности прямого доступа к памяти с использованием централизованного контроллера в стиле 8237А (как для шины ISA). Для разгрузки центрального процессора от рутинных перекачек данных предлагается прямое управление шиной со стороны устройств, называемых ведущими устройствами шины (PCI Bus Master). Степень интеллектуальности ведущего устройства может быть различной. В простейшем варианте ведущее устройство обеспечивает пересылку блоков данных между устройством и системной памятью (или памятью других устройств) по указанию от CPU. Здесь CPU командами обращения к определенным регистрам ведущего устройства задает начальный адрес, длину блока, направление пересылки и разрешает запуск передачи. После этого пересылка выполняется по готовности (или инициативе) устройства, без отвлечения CPU. Таким образом выполняется прямой доступ к памяти (DMA). Более сложный контроллер DMA может организовывать сцепку буферов при чтении, разбросанную запись и т. п. — возможности, знакомые еще по «продвинутым» контроллерам DMA для ISA/EISA. Более интеллектуальное ведущее устройство, как правило, обладающее собственным микроконтроллером, не ограничивается такой простой работой по указке CPU — оно выполняет обмены уже по программе своего контроллера.

Для совместимости устройств PCI со старым PC-ориентированным ПО и упрощения устройств PCI фирма Intel разработала специальный протокол PC/PCI DMA, изменяющий назначение пары сигналов REQi# и GNTi# для заранее выбранного агента шины, являющегося «проводником» DMA. Этот агент имеет внешние (по отношению к шине PCI) пары сигналов DRQx# и DACKx# с логикой, аналогичной одноименным сигналам ISA (см. п. 6.1), а линии REQi# и GNTi# в процессе запроса управления шиной использует особым образом. Когда агент получает запрос DRQx (один или несколько), он по линии REQi# передает в последовательном коде номера активных линий запросов DRQx, с синхронизацией по линии CLK. В первом такте CLK передается старт-бит — низкий уровень REQi#, во втором — активность запроса DRQ0, затем DRQ1 и так далее до DRQ7, после чего сохраняется низкий уровень REQ#. На это сообщение арбитр ответит по линии GNTi# посылкой, также начинающейся со старт-бита, за которой последуют три бита кода номера канала, которому дается подтверждение DACK# для передачи данных в этой транзакции. Агент должен сообщать арбитру обо всех изменениях линий запроса, в том числе и о снятии сигналов запроса. Механизм PC/PCI DMA может быть реализован только в чипсете системной платы.

6.2.8. Электрический интерфейс, слоты и карты PCI

Для работы на шине PCI используются микросхемы КМОП (CMOS), причем имеются две спецификации: с напряжениями питания интерфейсных схем 5 и 3,3 В. Для них применимы параметры сигналов на постоянном токе, приведенные в табл. 6.13. Однако мощность интерфейсных элементов (транзисторов для вентилей) выбрана меньшей, чем требовалось бы для переключения сигналов на высокой частоте (33 или 66 МГц). Здесь используется эффект отражения сигналов, формируемых микросхемами на проводниках шины, от несогласованных концов этих проводников, являющихся для таких высоких частот длинными линиями. На концах проводников шины нет терминаторов, поэтому от них приходящая волна сигнала отражается с тем же знаком и с той же амплитудой. Складываясь с прямым сигналом, обратная волна и обеспечивает нужный приемнику уровень сигнала. Таким образом, передатчик генерирует сигнал, который до прихода отраженного находится между уровнями переключения.

Таблица 6.13. Параметры интерфейсных сигналов на постоянном токе

Линии управляющих сигналов FRAME#, TRDY#, IRDY#, DEVSEL#, STOP#, SERR#, PERR#, LOCK#, INTA#, INTB#, INTC#, INTD#, REQ64# и ACK64# на системной плате подтягиваются к шине питания резисторами (типично 2,7 кОм для версии 5 В и 8,2 кОм для 3,3 В), чтобы не было ложных срабатываний при пассивности всех агентов шины.

Электрическая спецификация рассчитана на два предельных варианта нагрузки одной шины: 2 устройства PCI на системной плате плюс 4 слота или 4 устройства и 2 слота. При этом подразумевается, что одно устройство на каждую линию шины PCI дает только единичную КМОП-нагрузку. В слоты могут устанавливаться карты, тоже дающие только единичную нагрузку. На длину проводников, а также топологию расположения элементов и проводников на картах расширения накладываются жесткие ограничения. Из-за этого изготовление самодельных карт PCI на логических микросхемах средней степени интеграции становится проблематичным.

Слоты PCI представляют собой щелевые разъемы, имеющие контакты с шагом 0,05 дюйма. Слоты расположены несколько дальше от задней панели, чем ISA/EISA или MCA. Компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно совместно использует посадочное место адаптера (прорезь на задней стенке корпуса) с соседним ISA-слотом. Такой слот называют разделяемым (shared slot), в него может устанавливаться либо карта ISA, либо PCI.

Карты PCI могут предназначаться для уровня интерфейсных сигналов 5 В и 3,3 В, а также быть универсальными. Слоты PCI имеют уровни сигналов, соответствующие питанию микросхем PCI-устройств системной платы: либо 5 В, либо 3,3 В. Во избежании ошибочного подключения слоты имеют ключи, определяющие номинал напряжения. Ключами являются пропущенные ряды контактов 12,13 и 50, 51. Для слота на 5 В ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3,3 В — 12, 13. На краевых разъемах карт PCI имеются ответные прорези на месте контактов 50,51 (5 В) и 12,13 (3,3 В); на универсальной карте имеется оба ключа. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания. Карты и слоты различаются лишь питанием буферных схем, которое поступает с линий +V I/O:

♦ на слоте «5 В» на линии +V I/O подается +5 В;

♦ на слоте «3,3 В» на линии +V I/O подается +(3,3–3,6) В;

♦ на карте «5 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание +5 В;

♦ на карте «3,3 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание +(3,3–3,6) В;

♦ на универсальной карте буферные микросхемы допускают оба варианта питания и будут нормально формировать и воспринимать сигналы по спецификациям 5 или 3,3 В, в зависимости от типа слота, в который установлена карта.

На слотах обоих типов присутствуют питающие напряжения +3,3, +5, +12 и -12В на одноименных линиях. В PCI 2.2 определена дополнительная линия 3.3Vaux — «дежурное» питание +3,3 В для устройств, формирующих сигнал РМЕ# при отключенном основном питании.

На системных платах чаще всего встречаются 5-вольтовые 32-битные слоты, заканчивающиеся контактами А62/В62; 64-битные слоты встречаются реже, они длиннее и заканчиваются контактами А94/В94. Конструкция разъемов и протокол позволяют устанавливать 64-битные карты и в 32-битные разъемы, и наоборот, но при этом, естественно, обмен будет в 32-битном режиме.

Тактовая частота шины определяется по возможностям чипсета и всех абонентов шины. Высокая частота 66 МГц может устанавливаться тактовым генератором только при высоком уровне на линии M66EN. Таким образом, установка любой карты, не поддерживающей 66 МГц (с заземленным контактом B49), приведет к понижению частоты, шины до 33 МГц. Серверные системные платы, на которых имеется несколько шин PCI, позволяют использовать на разных шинах разные частоты (66 и 33 МГц). Так, например, можно на 64-битных слотах использовать частоту 66 МГц, а на 32-битных — 33. Разгон нормальной частоты 33 МГц до 40–50 МГц аппаратно не контролируется, но может приводить к ошибкам работы карт расширения.

На рис. 6.8 изображена 32-битная карта максимального размера (Long Card), длина короткой платы (Short Card) — 175 мм, но многие карты имеют и меньшие размеры. Карта имеет обрамление (скобку), стандартное для конструктива ISA (раньше встречались карты и с обрамлением в стиле MCA IBM PS/2). Назначение выводов универсального разъема приведено в табл. 6.14.

Рис. 6.8. Карта расширения для шины PCI

Таблица 6.14. Разъемы шины PCI

¹ Сигнал M66EN определен в PCI 2.1 только для слотов на 3,3 В.

² Сигнал введен в PCI 2.2 (прежде был резерв).

³ Сигналы упразднены в PCI 2.2 (для совместимости на системной плате подтягиваются к высокому уровню резисторами 5 кОм).

На слотах PCI имеются контакты для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS и TRST#). На системной плате эти сигналы задействованы не всегда, но они могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адаптеров, к которой можно подключить внешнее тестовое оборудование. Для непрерывности цепочки на карте, не использующей JTAG, должна быть связь TDI-TDO.

На некоторых старых системных платах позади одного из слотов PCI имеется разъем Media Bus, на который выводятся сигналы ISA. Он предназначен для размещения на графическом адаптере PCI звукового чипсета, предназначенного для шины ISA.

6.2.9. Иные конструктивы с шиной PCI

Шина PCI имеет и другие конструктивные исполнения; их спецификации доступны на сайте www.pcisig.org (правда, только для членов данной организации либо за деньги).

Low-Profile PCI — низкопрофильный вариант карты PCI с обычным разъемом, но измененной крепежной скобкой. Эти карты можно устанавливать вертикально (без переходника riser card) даже в низкопрофильные корпуса (например, 19" формата высотой 2U). Для этих карт предусматривается напряжение питания интерфейсных схем только 3,3 В (но шина питания 5 В сохраняется).

Small PCI (SPCI) — спецификация PCI в миниатюрном исполнении, прежде называвшаяся SFF PCI (Small Form-Factor). Эта спецификация, предназначенная, в основном, для портативных компьютеров, логически совпадает с обычной шиной PCI. Шина 32-битная, 64-битное расширение не предусматривается, и при частоте 33 МГц обеспечивается пропускная способность 132 Мбайт/с. Как и на всех шинах PCI/здесь поддерживается прямое управление (bus mastering). В дополнение к обычному набору сигналов появился новый — CLKRUN, с помощью которого хост и устройства могут управлять частотой синхронизации в интересах энергосбережения. По размерам карта SPCI совпадает с PC Card и Card Bus, но специальные ключи предотвращают ошибки подключения. Для подключения карт SPCI на системной плате устанавливается двухрядный 108-контактный штырьковый разъем с шагом контактов 2 мм. Карта расширения может подключаться к нему непосредственно, но также может использоваться переходник с двусторонними ленточными контактами с шагом 0,8 мм. Шина SPCI является внутренней (карты расширения находятся под крышкой корпуса и устанавливаются изготовителем при выключенном питании) и поэтому не нацелена на замену Card BUS (шина для внешних подключений с возможностью горячей замены). Карты SPCI могут быть трех видов: с питанием 5 В, 3,3 В и универсальные 5/3,3 В. Благодаря уменьшению размеров (длины проводников) понижены требования к мощности сигналов. Карты SPCI позволяют использовать преимущества модульных решений (можно разгрузить системную плату), обеспечивая высокую производительность обмена (чего не обеспечивает Card Bus).

Mini PCI Specification — малогабаритный вариант карт PCI (2,75"×1,81"×0,22"). Логически и электрически соответствует PCI (32 бит), дополнительно используя сигнал CLKRUN для снижения энергопотребления и без сигналов JTAG. Имеет дополнительные сигналы для аудио- и видеоприменений.

PCI–X — спецификация шины с высокой пропускной способностью, достигающей 1 Гбайт/с: тактовая частота 133 МГц и разрядность 64 бит. Разработана с учетом совместимости шины со старыми устройствами и новыми устройствами с обычной шиной PCI, для чего при наличии в системе хоть одного из «тихоходных» компонентов частота понижается до обычных 66 или 33 МГц. Кроме повышения тактовой частоты, имеются нововведения в протоколе шины (например, расщепленные транзакции), повышающие эффективность ее использования.

Для устройств промышленного назначения в начале 1995 года был принят стандарт Compact PCI. Шина Compact PCI (cPCI) разрабатывалась на основе спецификации PCI 2.1. Этот стандарт принят организацией производителей промышленных компьютеров PCIMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). Шина отличается большим количеством поддерживаемых слотов: 8 против 4. Появились новые 4 пары сигналов запросов и предоставления управления шиной.

Шина поддерживает 32-битный и 64-битный обмен (с индивидуальным разрешением байт). При частоте шины 33 МГц максимальная пропускная способность составляет 133 Мбайт/с для 32 бит и 266 Мбайт/с для 64 бит (в середине пакетного цикла). Возможна работа на частоте 66 МГц. Шина поддерживает спецификацию PnP. Кроме того, в шине возможно применение географической адресации, при этом адрес модуля (на который он отзывается при программном обращении) определяется его положением в каркасе. Для этого на коннекторе J1 имеются контакты GA0…GA4, коммутацией которых на «землю» для каждого слота задается его двоичный адрес. Географическая адресация позволяет переставлять однотипные модули, не заботясь о конфигурировании их адресов (хорошая альтернатива системе PnP — модуль «встанет» всегда в одни и те же адреса, которые без физического вмешательства больше не изменятся). Конструктивно платы Compact PCI представляют собой еврокарты высотой 3U (100×160 мм) с одним коннектором (J1) или 6U (233×160 мм) с двумя коннекторами (J1 и J2). Коннекторы — 7-рядные штырьковые разъемы с шагом 2 мм между контактами, на кросс-плате — вилка, на модулях — розетки. Контакты коннекторов имеют разную длину: более длинные контакты цепей питания при установке модуля соединяются раньше, а при вынимании разъединяются позже, чем сигнальные. Такое решение позволяет производить «горячую» замену модулей. Собственно шина использует только один коннектор (J1), причем в 32-битном варианте не полностью — часть контактов может задействовать пользователь. 64-битная шина использует коннектор полностью. Одно посадочное место на кросс-плате резервируется под контроллер шины, на который возлагаются функции арбитража и синхронизации. На его коннекторе шиной используется большее число контактов, чем на остальных. У больших плат коннектор J2 предоставляется пользователю, а между коннекторами J1 и J2 может устанавливаться 95-контактный коннектор J3. Конструкция коннекторов позволяет для J2 применять специфические модификации (например, с разделяющим экраном и механическими ключами). В шине предусматривается наличие независимых источников питания +5 В, +3,3 В и ±12 В.

На базе шины Compact PCI фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI extensions for Instrumentation — расширение PCI для инструментальных систем) в тех же конструктивах. В шине PXI часть контактов, определенных в Compact PCI как свободные, предназначаются для дополнительных шин. Шина Trigger Bus (8 линий) звездообразно соединяет слот своего контроллера (первый после системного контроллера PCI) с остальными слотами. Шина позволяет осуществлять синхронизацию разных модулей, что зачастую требуется в измерительных системах. Для прецизионной синхронизации имеется сигнал опорной частоты 10 МГц PXI_CLK, который звездообразно (с одинаковыми задержками распространения сигнала) разводится по слотам. В PXI определены локальные шины, предназначенные для связи соседних пар слотов. Каждая локальная шина имеет 13 линий, которые могут использоваться как для цифровых, так и аналоговых (до 48 В) сигналов. Локальные шины объединяют смежные слоты попарно (исключая слот системного контроллера), образуя цепочку. Кроме механических и электрических характеристик PXI определяет ПО модулей: основной ОС считается Windows NT/95, и модули должны поставляться с соответствующими драйверами. Это экономит время, необходимое для системной интеграции. Модули PXI совместимы с шиной Compact PCI, и модули Compact PCI — с шиной PXI. Однако все преимущества спецификации реализуются только при установке модулей PXI в шину PXI.

6.2.10. Мосты PCI

Для соединения шины PCI с другими шинами и между собой применяются специальные аппаратные средства — мосты PCI (PCI Bridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (системной памяти и процессору), одноранговый мост (Peer-to-Peer Bridge) — для соединения двух шин PCI.

Соединения нескольких шин PCI характерно для серверов — таким образом увеличивают число подключаемых устройств. Мосты образуют иерархию шин, на вершине которой находится главная шина с нулевым номером. Главный мост чипсета системной платы может соединять центр (процессор и память) с несколькими равноранговыми шинами PCI, из которых условно главной будет шина с нулевым номером. Для подключения шин PCMCIA, CardBus, MCA, ISA/EISA, X-Bus и LPC используются специальные мосты, входящие в чипсеты системных плат или же являющиеся отдельными устройствами PCI (микросхемами). Мосты выполняют преобразование интерфейсов соединяемых ими шин, синхронизацию и буферизацию обменов данных. Мосты (включая и мосты PCI-PCI) допускают различие частот синхронизации на соединяемых ими шинах.

Каждый мост программируется — ему указываются диапазоны адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, отведенные устройствам его шин. Если адрес ЦУ текущей транзакции на одной шине (стороне) моста относится к шине противоположной стороны, мост перенаправляет транзакцию на соответствующую шину и обеспечивает согласование протоколов шин. Таким образом, совокупность мостов PCI выполняет маршрутизацию (routing) обращений по связанным шинам. Считается, что устройство с конкретным адресом может присутствовать только на одной из шин, а на какой именно, «знают» запрограммированные мосты. Решать задачу маршрутизации призван также сигнал DEVSEL#. Обращения, не востребованные абонентами PCI, могут быть перенаправлены, например, на шину ISA/EISA.

С мостами связаны понятия позитивного и субтрактивного декодирования адресов. Рядовые агенты PCI (устройства и мосты) отзываются только на обращения по адресам, принадлежащим областям, описанным в их конфигурационном пространстве (через базовые адреса и диапазоны памяти или ввода-вывода). Такой способ декодирования называется позитивным. Мост с позитивным декодированием (positive decoding) пропускает через себя только обращения, принадлежащие определенному списку, заданному в его конфигурационных регистрах. Мост с субтрактивным декодированием (subtractive decoding) пропускает через себя обращения, не относящиеся к другим устройствам. Его области прозрачности формируются вычитанием (откуда и название) из общего пространства областей, описанных списком. Возможность субтрактивного декодирования имеется только у мостов определенного типа, и она является дополнением к позитивному декодированию.

Позитивное и субтрактивное декодирование относится только к обращениям, направленным в пространства памяти и ввода-вывода. Конфигурационные обращения маршрутизируются с помощью номера шины, передаваемого в циклах типа 1 (см. п. 6.2.11): каждый мост «знает» номера всех шин, его окружающих.

На каждой шине PCI должно присутствовать центральное устройство, выполняющее следующие функции:

♦ централизованный арбитраж — прием сигналов запроса REQx# от ведущих устройств шины и предоставление им права на управление шиной сигналами GNTx#;

♦ «подтягивание» управляющих сигналов к высокому уровню;

♦ субтрактивное декодирование адресов;

♦ генерация конфигурационных и специальных циклов по командам процессора (с формированием индивидуальных сигналов IDSEL к адресуемому устройству PCI);

♦ формирование сигнала REQ64# в момент окончания сброса в качестве признака 64-битной шины (если она таковая).

Эти функции, как правило, возлагаются на мост, соединяющий данную шину с более высокими уровнями иерархии шин PCI. Кроме выполнения этих функций, обслуживающих конкретную шину, мосты решают задачи оптимизации передачи данных между подсистемами компьютера, и от качества решения этих задач существенно зависит общая производительность системы.

Одной из особенностей применения шины PCI с ее мостовыми соединениями является возможность действительно одновременного выполнения более одного обмена данными по непересекающимся путям — Concurrent PCI Transferring или PCI Concurrency. Например, во время взаимодействия процессора с памятью ведущее устройство шины PCI может обмениваться данными с другим устройством PCI. Этот пример одновременности обмена скорее теоретический, поскольку ведущее устройство шины PCI, как правило, обменивается данными с системной памятью. Более интересный случай — обмен графического адаптера, подключенного к порту AGP (родственнику PCI, см. п. 6.3), с памятью одновременно с обменом процессора с устройством PCI или, наоборот, загрузка данных процессором в графический адаптер одновременно с обменом между ведущим устройством шины PCI и системной памятью. Одновременность требует довольно сложной логики централизованного арбитража запросов всех агентов системы и различных ухищрений в буферизации данных. Одновременность реализуется не всеми чипсетами (в описаниях она всегда специально подчеркивается) и может быть запрещена настройками CMOS Setup.

Для экономии полосы пропускания шины (уменьшения числа бесполезно занятых тактов) при обращениях к устройствам медленных шин (например, ISA) мост может выполнять отложенные транзакции (delayed transaction). Работает этот механизм следующим образом. Инициатор, расположенный на «быстрой» шине (это может быть и главный мост), обращается к ЦУ на медленной шине, выставляя адрес и команду, а в командах записи еще и данные. Мост сохраняет эту информацию в своих внутренних регистрах и «от имени ЦУ» вводит сигнал STOP# (прекращение типа «повтор»), что вынуждает инициатор быстро освободить шину. Тем временем мост выполняет транзакцию с настоящим ЦУ и сохраняет у себя результат ее выполнения (для команд чтения это будут данные). Инициатор, получивший ответ «повтор», вынужден снова начать точно ту же транзакцию, и теперь на нее мост быстро ответит истинным результатом, полученным от ЦУ. В то время как мост выполняет длительную операцию обмена с медленным устройством, быстрая шина остается свободной для обслуживания других инициаторов. Если по каким-либо причинам ведущее устройство «забудет» выполнить повтор транзакции, мост должен аннулировать полученные результаты. Аннулирование выполняется по таймеру (discard timer), отсчитывающему время от начала отложенной транзакции до ее повтора. Отложенные транзакции применимы к командам обращения к портам, конфигурационному пространству, подтверждению прерывания и к обычным обращениям к памяти.

Выделение специальных циклов чтения строк, множественного чтения и записи с инвалидацией позволяет контроллеру памяти предпринять определенные меры для оптимизации данных передач. Однако эти инструкции применяют только для обращений к памяти в «чистом виде» (имеющей свойство Prefetchable). Когда инициатор обращается к источнику данных, отделенному мостом, командами чтения строки или множественного чтения, мост может считать из источника данных больше, чем инициатор заберет от него в данной транзакции. Однако в конце транзакции лишние данные в буфере моста проще всего аннулировать, поскольку до возможного последующего востребования в их реальном источнике они могут быть уже модифицированы. Более сложный мост может отслеживать и эти изменения, аннулируя лишь модифицированные данные. Обращения командами обычного чтения памяти разрешают мосту считать только точно затребованное количество данных. При этом возможности ускорения передач меньше, но не возникнет побочных эффектов от лишних чтений (чтение управляющих регистров, отображенных на память, может изменять их состояние).

Мосты, инициированные на одной стороне и обращающиеся к целевому устройству на другой стороне, могут выполнять задержку передачи записи в память (posted write). При этом данные принимаются в буферы моста, и для инициатора транзакция завершится раньше, чем данные дойдут до реального получателя. Мост начнет транзакцию их доставки в удобное для другой стороны время. Порядок и количество байт, переданных получателем, обязательно должны совпадать с соответствующими данными инициатора обмена. Кроме того, сохраняется очередность операций записи и чтения. Обращение по чтению через мост вызывает принудительное освобождение буферов отложенной записи. Таким образом, инициатор имеет возможность принудительно вызвать доставку задержанных данных записи, выполняя операцию чтения «из-за моста». Записи в порты ввода-вывода откладывать имеет право только главный мост, но только для транзакций, инициированных центральным процессором. Операции чтения, естественно, выполняются сразу, поскольку без получения данных они бессмысленны.

Мосты могут преобразовывать транслируемые ими транзакции записи в память с целью оптимизации пропускной способности шины. Так, несколько последовательных транзакций записи могут объединяться в одну пакетную, в которой лишние записи могут блокироваться с помощью сигналов разрешения байтов. Например, последовательность одиночных записей двойных слов по адресам 0, 4, Ch может быть скомбинирована (write combining) в один пакет с начальным адресом 0, а во время третьей фазы данных (когда предполагается не требуемый адрес 8) все сигналы С/BE[3:0]# пассивны. Записи отдельных байтов в определенных случаях могут быть объединены (byte merging) в одну транзакцию. Так, например, последовательность записей байтов по адресам 3, 1, 0 и 2 может быть объединена в одну запись двойного слова, поскольку эти байты принадлежат одному адресуемому двойному слову. Комбинирование и объединение могут работать независимо (объединенные транзакции могут комбинироваться), однако эти преобразования не изменяют порядок следования физических записей в устройства. Наличие этих возможностей не обязательно — оно зависит от «ловкости» мостов. Цель преобразований — сократить число отдельных транзакций (каждая имеет по крайней мере одну «лишнюю» фазу адреса) и, по возможности, фаз данных. Устройства PCI должны нормально отрабатывать комбинирование записей — если устройство не допускает комбинирования, оно неправильно спроектировано. Если устройство не допускает объединения байтов, то оно в описании своей памяти должно иметь обнуленным бит Prefetchable.

С мостами PCI связано понятие VGA Palette Snooping — слежение за записью в палитры VGA, являющееся исключением из правила однозначной маршрутизации обращений к памяти и вводу-выводу. Графическая карта в компьютере с шиной PCI обычно устанавливается в эту шину или в порт AGP, что логически эквивалентно установке в шину PCI. На VGA-карте имеются регистры палитр (Palette Registers), традиционно приписанные к пространству ввода-вывода. Если графическая система содержит еще и карту смешения сигналов графического адаптера с сигналом «живого видео», перехватывая двоичную информацию о цвете текущего пиксела по шине VESA Feature Connector (снимаемую до регистра палитр), цветовая гамма будет определяться регистром палитр, размещенным на этой дополнительной карте. Возникает ситуация, когда операция записи в регистр палитр должна отрабатываться одновременно и в графическом адаптере (на шине PCI или AGP), и в карте видеорасширения, которая может размещаться даже на другой шине (в том числе и ISA). В CMOS Setup может присутствовать параметр PCI VGA Palette Snoop. При его включении запись в порты ввода-вывода по адресу регистра палитр будет вызывать транзакцию не только на той шине, на которой установлен графический адаптер, но и на других шинах. Чтение же по этим адресам будет выполняться только с самим графическим адаптером. Реализация может возлагаться на графическую карту PCI. Для этого она во время записи в регистр палитр фиксирует данные, но сигналы квитирования DEVSEL# и TRDY# не вырабатывает, в результате мост распространяет этот неопознанный запрос на шину ISA. В других реализациях мосту явно указывают на данное исключение, и он сам распространяет запись в регистры палитр на другие шины.

6.2.11. Программный доступ к конфигурационному пространству и генерация специальных циклов

Поскольку конфигурационное пространство PCI обособлено, в главный мост приходится вводить специальный механизм доступа к нему командами процессора, который «умеет» обращаться только к памяти или вводу-выводу. Этот же механизм используется и для генерации специальных циклов. Для PC-совместимых компьютеров предусмотрено два механизма, из которых в спецификации 2.2 оставлен только первый (Configuration Mechanism #1). Номер механизма, которым пользуется конкретная системная плата, можно узнать путем вызова PCI BIOS.

Конфигурационные циклы адресуются к конкретному устройству (микросхеме PCI), для которого должен быть сформирован сигнал выборки IDSEL (единичное значение). Номер функции и адрес регистра декодируется самим устройством. Поскольку сигнал IDSEL воспринимается устройством только в фазе адреса, для него используют позиционное кодирование в линиях старших битов шины AD (конфигурационное пространство всех устройств занимает лишь малую часть пространства с 32-битной адресацией). На этих линиях в фазе адреса конфигурационного обращения может быть лишь один единичный бит, остальные — нулевые. Таким образом, только одно устройство будет выбрано сигналом IDSEL.

Для работы механизма № 1 в пространстве ввода-вывода зарезервированы 32-битные порты с адресами 0CF8H и 0CFCh, входящие в главный мост. Для обращения к конфигурационному пространству в порт CONFIG_ADDRESS (RW, адрес CF8h) заносят 32-разрядный адрес, декодируемый в соответствии с рис. 6.9, а. После занесения адреса обращением к порту CONFIG_DATA (RW, адрес CFCh) можно прочитать или записать содержимое требуемого конфигурационного регистра. В регистре CONFIG_ADDRESS бит 31 является разрешением формирования конфигурационных и специальных циклов. В зависимости от номера шины, указанного в этом регистре, главный мост генерирует конфигурационные циклы одного из двух типов.

Для обращения к устройству, находящемуся на нулевой шине (подключенной к главному мосту), используется цикл типа 0 (биты 1:0=00). Главный мост декодирует поле номера устройства в позиционный код, помещаемый на линии AD[31:11]; номер адресуемой функции, адрес регистра и биты 1:0=00 передаются на шину прозрачно (рис. 6.9, б). Устройству 0 соответствует бит AD11, устройству 1 — AD12, устройству 20 — AD31. Поскольку нулевым устройством является главный мост, который и осуществляет декодирование, на шину единичное значение AD11 в цикле типа 0 не выводится. Устройства PCI, расположенные в микросхеме главного моста, могут использовать номера 21–31, для которых линий AD уже не хватает. На системной плате вход IDSEL каждого слота или микросхемы PCI-устройства соединяется со своей линией адреса. Как правило, слоты подключаются, начиная с линии AD31 (и «вниз»), микросхемы устройств PCI, расположенные на системной плате, подключаются, начиная с AD12 (и «вверх»), но может быть и иной порядок. Цикл типа 0 игнорируется всеми другими мостами, подключенными к нулевой шине.

Для обращения к устройству, находящемуся на ненулевой шине, используется цикл типа 1. Здесь главный мост передает адресную часть регистра CONFIG_ADDRESS на главную шину PCI, обнуляя старшие биты (31:24) и устанавливая в битах 1:0 признак типа «01» (рис. 6.9, в). Мост, опознавший номер подключаемой им шины, передает транзакцию на эту шину, декодируя поле номера устройства в позиционный код (как это делал главный мост для своей шины) и обнуляя биты AD[1:0].

Рис. 6.9. Адресация конфигурационных циклов: а — формат регистра CONFIG_ADDRESS, б — формат адреса на шине в цикле типа 0, в — формат адреса на шине в цикле типа 1

Если конфигурационный цикл не воспринимается ни одним из устройств, мосты могут эту ситуацию отрабатывать двояко: фиксировать отсутствие устройства (сработает Master Abort) или же выполнять операции вхолостую. Однако в любом случае чтение конфигурационного регистра несуществующего устройства (функции) должно возвращать значение FFFFFFFFh (это будет безопасной информацией, поскольку даст недопустимое значение идентификатора устройства).

Если главный мост подключает несколько равноранговых шин (peer buses), то одна из них назначается условно главной, так что вышеописанная логика сохраняется. Чтобы не заботиться об изучении реальной топологии шин, для конфигурационных обращений программам удобно использовать вызовы PCI BIOS, которые имеются для всех режимов процессора (оптимизировать быстродействие здесь не приходится, поскольку эти обращения выполняются не так уж и часто).

Специальный цикл генерируется при записи в CONFIG_DATA, когда в регистре CONFIG_ADDRESS все биты [15:8] единичные, [7:0] нулевые, номер шины, на которой формируется цикл, задается битами [23:16]. В специальном цикле адресная информация не передается (он широковещательный), но путем задания номера шины можно управлять его распространением. Если хост генерирует специальный цикл с нулевым адресом шины, то на главную шину этот цикл выйдет как цикл типа 0 и всеми остальными мостами распространяться не будет. Если требуется полная широковещательность, то хост должен записать ненулевой адрес шины; тогда на главную шину специальный цикл выйдет с типом 1, и все остальные мосты пропустят его на свои шины. Специальный цикл, генерируемый ведущим устройством шины, действует только на шине этого устройства и не распространяется через мосты. Если требуется полная широковещательность, это ведущее устройство должно генерировать специальный цикл посредством записей в регистры CONFIG_ADDRESS и CONFIG_DATA, задавая ненулевой номер шины.

Для работы механизма № 2 в пространстве ввода-вывода зарезервированы два 8-битных порта с адресами 0CF8H и 0CFAh, входящие в главный мост. Этот механизм использует отображение конфигурационного пространства устройств PCI на область C000-CFFF пространства ввода-вывода. Поскольку этой области (4 К портов) недостаточно для отображения конфигурационного пространства всех устройств всех шин PCI, формирование адреса выполняется весьма замысловатым образом. В регистре CSE (Configuration Space Enable) с адресом 0CFSh биты 7:4 являются ключом разрешения отображения: при нулевом ключе область С000-CFFFh остается нормальной частью пространства ввода-вывода, а при ненулевом — отображается на конфигурационное пространство. Биты [3:1] несут номер функции, к пространству которой адресуются обращения. Единичное значение бита 1 вызывает формирование специального цикла (Special Cycle Enable, SCE). При обращении к конфигурационному пространству устройств нулевой шины чтение или запись двойного слова в порт по адресу C000-CFFCh генерирует конфигурационный цикл, в котором из адреса порта биты [2:7] поступают на шину AD[2:7] как индекс регистра конфигурационного пространства, а биты [11:8] декодируются в позиционный код выбора устройства (линии IDSEL) на линиях AD[31:16]. Номер функции на линии AD[10:8] поступает из регистра CSE, линии AD[1:0] нулевые. Для обращения к устройствам ненулевой шины служит регистр перенаправления (Forward Register) с адресом 0CFAh, в который помещают номер шины (по сбросу этот регистр обнуляется). Если номер шины ненулевой, то генерируется цикл типа 1 (см. рис. 6.9, в), в котором номер функции поступает из регистра CSE, младшие 4 бита номера устройства поступают с битов адреса (AD15=0), а номер шины — из регистра перенаправления (биты AD[1:0]=01 и AD[31:24]=0 формируются аппаратно).

Для генерации специального цикла по этому механизму в регистре CSE устанавливается ненулевой ключ, номер функции 111 и SCE=1, после чего выполняется запись по адресу порта CF00h. В зависимости от содержимого регистра перенаправления будет сгенерирован специальный цикл типа 0 или типа 1 (см. выше).

6.2.12. Конфигурирование устройств

В стандарт заложены возможности автоматического конфигурирования системных ресурсов (пространств памяти и ввода-вывода и линий запроса прерываний). Автоматическое конфигурирование устройств (выбор адресов и прерываний) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию PnP. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 регистров (8-битных), не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым с помощью одного из вышеописанных механизмов. В этом пространстве есть области, обязательные для всех устройств, и специфические. Конкретное устройство может иметь регистры не во всех адресах, но должно поддерживать нормальное завершение для адресуемых к ним операций. При этом чтение несуществующих регистров должно возвращать нули, а запись выполняться как холостая операция. После аппаратного сброса (или при включении питания) устройства PCI не отвечают на обращения к пространству памяти и ввода- вывода, они доступны только для операций конфигурационного считывания и записи. В этих операциях устройства выбираются по индивидуальным сигналам IDSEL и сообщают о потребностях в ресурсах и возможных вариантах конфигурирования. После распределения ресурсов, выполняемого программой конфигурирования (во время теста POST), в конфигурационные регистры устройства записываются параметры конфигурирования. Только после этого к устройствам становится возможным доступ по командам обращения к памяти и портам ввода-вывода. Для того чтобы всегда можно было найти работоспособную конфигурацию, все ресурсы, занимаемые картами, должны быть перемещаемыми в своих пространствах. Для многофункциональных карт каждая функция должна иметь собственное конфигурационное пространство.

Конфигурационное пространство устройства начинается со стандартного заголовка, в котором содержатся идентификаторы производителя, устройства и его класса, а также описание требуемых и занимаемых системных ресурсов. После заголовка могут располагаться регистры, специфичные для устройства; они могут занимать адреса конфигурационного пространства в пределах 40-FFh.

Формат заголовка приведен на рис. 6.10. Серым цветом здесь выделены поля, обязательные для всех устройств.

Рис. 6.10. Формат заголовка конфигурационного пространства устройства PCI

Перечисленные ниже поля идентификации допускают только чтение.

♦ Deviсе ID — идентификатор устройства, назначаемый производителем.

♦ Vendor ID — идентификатор производителя микросхемы PCI, назначенный PCI SIG. Идентификатор FFFFh является недопустимым; это значение должно возвращаться при чтении конфигурационного пространства несуществующего устройства.

♦ Revision ID — версия продукта, назначенная производителем. Используется как расширение поля Device ID.

♦ Header Type — тип заголовка (биты 6:0), определяющий формат ячеек в диапазоне 10-3Fh и несущий признак многофункционального устройства (если бит 7=1). На рисунке приведен формат заголовка типа 0, относящийся именно к устройствам PCI. Тип 01 относится к мостам PCI-PCI; тип 02 относится к мостам для CardBus.

♦ Class Code — код класса, определяющий основную функцию устройства, а иногда и его программный интерфейс (см. п. 6.2.13). Старший байт (адрес 0Bh) определяет базовый класс, средний — подкласс, младший — программный интерфейс (если он стандартизован).

Остальные поля заголовка являются регистрами устройств, допускающими как запись, так и чтение.

♦ Command (RW) — регистр команд, управляющий поведением устройства на шине PCI. Регистр допускает как запись, так и чтение. После аппаратного сброса все биты регистра (кроме специально оговоренных исключений) обнулены. Назначение бит регистра команд:

 • бит 0 — IO Space — разрешение ответа на обращения к пространству ввода-вывода;

 • бит 1 — Memory Space — разрешение ответа на обращения к пространству памяти;

 • бит 2 — Bus Master — разрешение работы инициатором (в режиме управления шиной);

 • бит 3 — Special Cycles — разрешение реакции на специальные циклы;

 • бит 4 — Memory Write and Invalidate enable — разрешение использовать команды «запись с инвалидацией» при работе инициатором (если бит обнулен, то вместо этих команд должна использоваться обычная запись в память);

 • бит 5 — VGA palette snoop — разрешение слежения за записью в регистр палитр;

 • бит 6 — Parity Error Response — разрешение нормальной реакции (вырабатывать сигнал PERR#) на обнаруженную ошибку паритета (если бит обнулен, то устройство должно только фиксировать ошибку в регистре состояния, в то время как генерация бита паритета устройством выполняется всегда);

 • бит 7 — Stepping Control — возможность пошагового переключения (address/data stepping) линий (если устройство никогда этого не делает, бит регистра «запаян» в «0», если делает всегда — в «1», устройство с такой возможностью по сбросу устанавливает этот бит в «1»);

 • бит 8 — SERR# Enable — разрешение генерации сигнала ошибки SERR# (ошибка паритета адреса сообщается, когда этот бит и бит 6=1);

 • бит 9 — Fast Back-to-Back Enable (необязательный) — разрешение ведущему устройству использовать быстрые смежные обращения к разным устройствам (если бит обнулен, быстрые обращения допустимы лишь для транзакций с одним агентом);

 • биты 10–15 — резерв.

♦ Status — регистр состояния, допускающий кроме чтения еще и запись. Однако запись выполняется специфично — с ее помощью можно только обнулять биты, но не устанавливать. Биты, помеченные как RO, допускают только считывание. При записи в позиции обнуляемых бит устанавливаются единичные значения. Назначение бит регистра состояния:

 • биты 0–3 — резерв;

 • бит 4 — Capability List (RO, необязательный) — указание на наличие указателя новых возможностей (смещение 34h в заголовке);

 • бит 5 — 66 MHz Capable (RO, необязательный) — поддержка частоты 66 МГц;

 • бит 6 — резерв;

 • бит 7 — Fast Back-to-Back Capable (RO, необязательный) — поддержка быстрых смежных транзакций (fast back-to-back) с разными устройствами;

 • бит 8 — Master Data Parity Error (только для устройств с прямым управлением) — устанавливается, когда устройство с установленным битом 6 в регистре команд, являясь инициатором, само ввело (при чтении) или обнаружило (при записи) сигнал PERR#;

 • биты 10:9 — DEVSEL Timing — скорость выборки: 00 — быстрая, 01 — средняя, 10 — низкая (определяет самую медленную реакцию DEVSEL# на все команды, кроме Configuration Read и Configuration Write);

 • бит 11 — Signaled Target Abort —устанавливается целевым устройством, когда оно отвергает транзакцию;

 • бит 12 — Received Target Abort— устанавливается инициатором, когда он обнаруживает отвергнутую транзакцию;

 • бит 13 — Received Master Abort — устанавливается ведущим устройством, когда оно отвергает транзакцию (кроме специального цикла);

 • бит 14 — Signaled System Error — устанавливается устройством, подавшим сигнал SERR#;

 • бит 15 — Detected Parity Error — устанавливается устройством, обнаружившим ошибку паритета.

♦ Cache Line Size (RW) — размер строки кэша (0-128, допустимые значения 2n, иные трактуются как 0). По этому параметру инициатор определяет, какой командой чтения воспользоваться (обычное чтение, чтение строки или множественное чтение). Ведомое устройство использует этот параметр для поддержки пересечения границ строк при пакетных обращениях к памяти. По сбросу регистр обнуляется.

♦ Latency Timer (RW) — значение таймера задержки (см. п. 6.2.4) в тактах шины. Часть битов может не допускать изменения (обычно младшие три бита неизменны, так что таймер программируется с дискретностью в 8 тактов).

♦ BIST (RW) — регистр управления встроенным самотестированием. Назначение бит регистра:

 • бит 7 — возможность BIST;

 • бит 6 — запуск теста: запись единицы инициирует тест, по окончании устройство сбрасывает бит (тест должен быть завершен не более чем за 2 с);

 • биты 5:4 — резерв (0);

 • биты 3:0 — код завершения теста: 0 — тест прошел успешно.

♦ Card Bus CIS Pointer (необязательный) — указатель на структуру описателя Card Bus для комбинированного устройства PCI+Card Bus.

♦ Interrupt Line(RW) — номер входа контроллера прерывания для используемой линии запроса (0-15 — IRQ0-IRQ15, 255 — неизвестный или не используется).

♦ Interrupt Pin (RO) — контакт, используемый для запроса прерывания: 0 — не используется, 1 — INTA#, 2 — INTB#, 3 — INTC#, 4 — INTD#, 5-FFh — резерв.

♦ Min_GNT (RO) — минимальное время, на которое ведущему устройству должно предоставляться управление шиной из расчета на частоту 33 МГц, в интервалах по 0,25 мкс.

♦ Max_Lat (RO) — максимально допустимая задержка предоставления ведущему устройству доступа к шине, в интервалах по 0,25 мкс (0 — нет специальных требований).

♦ Subsystem ID (задается производителем) и Subsystem Vendor ID (производитель получает в PCI SIG) — идентификаторы, позволяющие точно идентифицировать карты и устройства (в системе могут быть установлены несколько карт с совпадающими идентификаторами устройства и производителя Deviсе ID и Vendor ID). В поле 2Ch ставится идентификатор производителя карты PCI (может совпадать со значением в поле 0, если фирма выпускает и микросхемы, и карты).

♦ Capability Pointer (CAP_PTR) — указатель на список возможностей (свойств), описанных в конфигурационном пространстве (биты 1:0=00). Каждый элемент списка начинается с байта идентификатора типа элемента (CAP_ID, определенного PCI SIG), за которым следует указатель на следующий элемент списка (нулевой указатель является признаком конца списка), после чего расположены байты описаний самих свойств. Все элементы выравниваются по границе двойного слова.

♦ Base Address Registers — базовые адреса областей памяти и портов ввода-вывода. Для областей памяти бит 0=0. Биты 2:1 — тип: 00 — располагаются в 32-битном адресном пространстве, 10 — в 64-битном (в этом случае регистр расширяется следующим за ним 4-байтным словом), 01 и 11 — резерв (01 в прежних версиях предназначались для памяти в пределах первого мегабайта). Бит 3 (Prefetchable) устанавливается, если чтение памяти не приводит к побочным эффектам, все байты считываются независимо от сигналов BE[3:0]# и отдельные записи мостом могут быть объединены (то есть это память в чистом виде); в иных случаях бит обнулен. Биты 31:4 — базовый адрес памяти. Для портов бит 0=1; бит 1=0 (резерв); биты 31:2 — базовый адрес блока портов. Конфигурирующая программа может определить размеры требуемых областей. Для этого после аппаратного сброса она должна считать и сохранить значения базовых адресов (это будут адреса по умолчанию), записать в каждый регистр FFFFFFFFh и снова считать их значение. В полученных словах нужно обнулить биты декодирования типа (биты 3:0 для памяти и биты 1:0 для ввода-вывода), инвертировать и инкрементировать полученное 32-битное слово — результатом будет длина области (для портов биты 31:16 игнорировать). Метод подразумевает, что длина области выражается числом 2n и область выровнена естественным образом.

♦ Expansion ROM Base Address — базовый адрес ПЗУ программной поддержки карты. Бит 0 — разрешение использования ПЗУ; биты 1-10 — резерв; биты 11–31 — базовый адрес. Размер ПЗУ определяется так же, как и в регистрах базовых адресов (см. выше). Обращение к ПЗУ возможно лишь при разрешенном использовании памяти (бит 1 в регистре команд).

6.2.13. Классы устройств PCI

Важной частью спецификации PCI является классификация устройств и указание кода класса в его конфигурационном пространстве (3 байта Class Code). Старший байт определяет базовый класс, средний — подкласс, младший — программный интерфейс (если он стандартизован). Код класса позволяет идентифицировать наличие определенных устройств в системе, это может быть сделано с помощью PCI BIOS. Для стандартизованных устройств (например, 01:01:80 — контроллер IDE или 07:00:01 — последовательный порт 16450) «заинтересованная» программа может найти требуемое устройство и выбрать подходящий вариант драйвера. Классификатор определяет организация PCI SIG, он регулярно обновляется на сайте www.pcisig.com. Нулевые значения полей, как правило, дают самые неопределенные описания. Значение подкласса 80h относится к «иным устройствам».

6.2.14. PCI BIOS

Для облегчения взаимодействия с устройствами PCI имеются дополнительные функции BIOS, доступные как из реального, так и защищенного режима работы процессора. Эти функции, предназначенные для работы с конфигурационным пространством и генерации специальных циклов PCI, приходится поддерживать потому, что циклы конфигурационных обращений, как и специальный цикл, выполняются специфическим образом (см. выше). Остальные функции взаимодействия с устройствами через их пространства памяти и ввода-вывода, а также обработка прерываний, в поддержке со стороны BIOS не нуждаются, поскольку выполняются непосредственно командами процессора. Функция проверки наличия PCI BIOS позволяет определить доступные механизмы генерации этих особых циклов, и, зная их работу, программа в дальнейшем может и не пользоваться вызовами PCI BIOS.

Программы с помощью функций PCI BIOS могут искать интересующие их устройства по идентификаторам или кодам класса. Если стоит задача «переучета» установленных устройств, то она решается чтением конфигурационной информации по всем функциям всех устройств всех шин — это быстрее, чем перебирать все возможные сочетания идентификаторов или классов кодов. Для найденных устройств программы должны определять реальные настройки чтением регистров конфигурационного пространства, учитывая возможность перемещения ресурсов по всему пространству и даже между пространствами памяти и ввода-вывода.

Функции PCI BIOS для 16-битного интерфейса реального режима, V86 и 16-битного защищенного режима, вызываются через прерывание Int 1Ah. Номер функции задается при вызове в регистре АХ. Возможна и программная имитация прерывания дальним вызовом по физическому адресу 000FFE6EH (стандартная точка входа в обработчик Int 1Ah) с предварительным занесением в стек регистра флагов. Для 32-разрядных вызовов защищенного режима все эти же функции вызываются через точку входа, найденную через каталог 32-разрядных сервисов, при этом назначение входных и выходных регистров и флага CF сохраняется. До использования 32-разрядного интерфейса следует сначала найти его каталог и убедиться в наличии сервисов PCI. Вызовы требуют глубокого стека (до 1024 байт).

Функции PCI BIOS:

♦ АХ = B101h — проверка присутствия PCI BIOS;

♦ АХ = B102h — поиск устройства по идентификатору;

♦ АХ = B103h — поиск устройства по коду класса;

♦ АХ = В106h — генерация специального цикла PCI;

♦ АХ = B108, B109 и B10Ah — чтение байта, слова и двойного слова конфигурационного пространства устройства PCI;

♦ АХ = Brahe, B10C, B10Dh — запись байта, слова и двойного слова конфигурационного пространства устройства PCI.

6.2.15. Разработка собственных устройств PCI

При рассмотрении протокола PCI становится ясно, что разработка собственных PCI-устройств на логике малой и средней степени интеграции — занятие неблагодарное. Собственно протокол шины не так уж и сложен, но реализация требований к конфигурационным регистрам проблематична. Серийные устройства PCI, как правило, являются однокристальными — в одной микросхеме размещается и интерфейсная, и функциональная части устройства. Разработка таких микросхем весьма дорогостояща и имеет смысл лишь с перспективами массового выпуска. Для создания отладочных образцов и мелкосерийных изделий ряд фирм выпускают интерфейсные микросхемы PCI различного назначения. Со стороны PCI практически все эти микросхемы поддерживают одиночные целевые транзакции (target transactions), совершенные модели допускают и пакетные циклы. Более сложные микросхемы выполняют и функции ведущего устройства шины, организуя каналы DMA для обмена с системной памятью. Обмены по этим каналам могут инициироваться как программно со стороны хоста (host initiated DMA), так и с периферийной стороны микросхемы (target initiated DMA), в зависимости от возможностей микросхем. С периферийной стороны встречаются интерфейсы для подключения периферийных микросхем, микроконтроллеров и распространенных семейств микропроцессоров, универсальных и сигнальных. Довольно широкий выбор микросхем представлен на сайте www.plxtech.com, этой темой занимаются и иные фирмы.

Интересно решение построения интерфейса PCI на конфигурируемой логике FPGA (Field Programmable Gate Array — программируемый массив вентилей). Здесь PCI-ядро, а также функции целевого и ведущего устройств занимают 10–15 тысяч вентилей в зависимости от требуемых функций (см. www.xilink.com, www.altera.com). Микросхемы FPGA выпускаются на 20, 30 и 40 тысяч вентилей — оставшаяся часть может быть использована для реализации функциональной части устройства, буферов FIFO и т.п.

Быстро перевести разработки с шиной ISA на PCI можно с помощью микросхем-мостов PCI–ISA (см., например, www.iss-us.com).

Портативные и блокнотные ПК поначалу строились безо всяких попыток унификации и обеспечения взаимозаменяемости компонентов, но со временем ситуация изменилась. Сейчас существуют несколько основных интерфейсов и конструктивов для устройств расширения, наиболее популярные приведены в табл. 6.17.

Таблица 6.17. Конструктивы и интерфейсы периферии портативных ПК

Первый стандарт на карты расширения назывался PCMCIA. Впоследствии он был переименован в PC Card. Кроме слотов шин расширения блокнотные (и карманные) ПК могут иметь и слоты для подключения карт-носителей информации (см. п. 9.3).

Настольный ПК можно снабдить слотами PC Card с помощью специальной карты адаптера-моста, устанавливаемой в слот PCI или ISA. Сами слоты (1–2 штуки) оформляются в корпус 3" и выводятся на лицевую панель ПК; этот корпус соединяется с картой расширения ленточным кабелем-шлейфом.

6.5.1. Интерфейсы PCMCIA, PC Card и CardBus

В начале 90-х годов организация PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров) начала работы по стандартизации шин расширения блокнотных компьютеров, в первую очередь предназначенных для расширения памяти. Первым появился стандарт PCMCIA Standard Release 1.0/JEIDA 4.0 (июнь 1990 г.), в котором был описан 68-контактный интерфейс и два типоразмера карт: Туре I и Туре II PC Card. Поначалу стандарт касался электрических и физических требований только для карт памяти. Был введен метаформат информационной структуры карты CIS (Card Information Structure), в которой описываются характеристики и возможности карты, — ключевой элемент взаимозаменяемости карт и обеспечения механизма PnP.

Следующая версия PCMCIA 2.0 (1991 г.) для того же разъема определила интерфейс операций ввода-вывода, двойное питание для карт памяти, а также методики тестирования. В версии 2.01 была добавлена спецификация PC CardATA, новый типоразмер Туре III, спецификация автоиндексируемой массовой памяти AIMS (Auto-Indexing Mass Storage) и начальный вариант сервисной спецификации (Card Services Specification). В версии 2.1 (1994 г.) расширили спецификации сервисов карт и сокетов (Card and Socket Services Specification) и развили структуру CIS.

Стандарт PC Card (1995 г.) явился продолжением предыдущих; в нем введены дополнительные требования для улучшения совместимости и новые возможности: питание 3,3 В, поддержка DMA и 32-битного режима прямого управления шиной CardBus.

В дальнейшем в стандарт были введены и другие дополнительные возможности.

Все карты PCMCIA и PC Card имеют 68-контактный разъем, назначение контактов у которого варьируется в зависимости от типа интерфейса карты. Тип интерфейса «заказывается» картой при установке ее в слот, который, естественно, должен поддерживать требуемый интерфейс. Интерфейс памяти обеспечивает 8- и 16-битные обращения с минимальным временем цикла 100 нс, что дает максимальную производительность 10 и 20 Мбайт/с соответственно. Интерфейс ввода-вывода имеет минимальную длительность цикла 255 нс, что соответствует 3,92/7,84 Мбайт/с для 8-/16-битных обращений. Интерфейс CardBus поддерживает практически такой же протокол обмена, что и PCI, но с некоторыми упрощениями. Тактовая частота 33 МГц и разрядность 32 бита обеспечивают пиковую пропускную способность в пакетном цикле до 132 Мбайт/с, картам предоставляется возможность прямого управления шиной (bus mastering). Здесь используется та же система автоматического конфигурирования, что и в PCI (через регистры конфигурационного пространства). В интерфейс заложены дополнительные возможности для цифровой передачи аудиосигнала, причем как в традиционной форме ИКМ, так и в новой (забытой старой) форме ШИМ (PWM).

Для дисковых устройств ATA в формате PC Card имеется специальная спецификация интерфейса (см. п. 9.2.1).

Различают 4 типа PC Card: у них у всех размер в плане 54×85,5 мм, но разная толщина (меньшие адаптеры встают в большие гнезда):

♦ PC Card Type I — 3,3 мм — карты памяти;

♦ PC Card Type II — 5 мм — карты устройств ввода-вывода, модемы, адаптеры локальных сетей;

♦ PC Card Type III — 10,5 мм — дисковые устройства хранения;

♦ PC Card Type IV — 16 мм (упоминания об этом типе на сайте www.pc-card.com найти не удалось).

Есть еще и маленькие карты Small PC Card размером 45×42,8 мм с тем же коннектором и теми же типами по толщине.

Для карт памяти (динамической, статической, постоянной и флэш-памяти) ассоциация PCMCIA поддерживает и стандарт Miniature Card (см. п. 9.3.4).

Назначение контактов разъемов для разных типов интерфейса приведено в табл. 6.18, назначение сигналов для интерфейсов карт памяти и ввода-вывода — в табл. 6.19. Для карт CardBus обозначение сигналов начинается с префикса «С», за которым следует имя сигнала, принятое для шины PCI (см. п. 6.2.2).

Таблица 6.18. Разъём PC Card

Таблица 6.19. Назначение сигналов карт памяти и ввода-вывода

Интерфейс карт памяти и ввода-вывода прост — он практически совпадает с интерфейсом статической асинхронной памяти. Карта выбирается сигналами СЕ#, действующими одновременно с установленным адресом. Чтение памяти и конфигурационных регистров выполняется по сигналу ОЕ#, запись — по сигналу WE#. Признаком, разделяющим в этих обращениях основную память и конфигурационные регистры, принадлежащие области памяти атрибутов карты, является сигнал REG#, действующий одновременно с СЕ# и адресом. Для обращения к портам ввода-вывода служат отдельные сигналы IORD# и IOWR#; во время их действия должен быть активен и сигнал REG#. В процессе обращения к портам карта может выдать признак возможности 16-битных обращений сигналом IOSC16# (как на шине ISA). Чтение порта устройство должно подтверждать сигналом INPACK#, устанавливаемым и снимаемым картой по сигналу СЕ#. Благодаря этому сигналу хост может убедиться в том, что он читает не пустой слот.

Слоты PC Card могут предоставлять возможность прямого доступа к памяти (DMA). Реализация DMA — самый дешевый способ разгрузки процессора, но такая реализация имеется не на всех хостах, а только на простых, основанных на шине ISA. Для систем с шиной PCI более естественно прямое управление шиной CardBus, правда, для карт реализация прямого управления обходится не дешево.

Для мультимедийных карт имеется возможность переключения интерфейса в специальный режим ZVPort (Zoomed Video), в котором организуется отдельный двухточечный интерфейс передачи данных между картой и хост-системой. По смыслу интерфейс напоминает коннектор VFC графических карт — выделенная шина для передачи видеоданных, не связанная с остальными шинами (и не загружающая их), но имеет иной протокол. В режиме ZV Port адресные линии А[25:4], а также линии BVD2/SPKR#, INPACK# и I0IS16# получают иное назначение — по ним передаются видеоданные и 4 цифровых аудиоканала. Для обычного интерфейса остаются лишь 4 адресные линии, позволяющие адресоваться к 16 байтам общей памяти и атрибутов карты.

Интерфейс порта ZV соответствует временным диаграммам CCIR601, что позволяет декодеру NTSC в реальном времени доставлять видеоданные с карты в экранный буфер VGA. Видеоданные могут поступать на карту как с внешнего видеовхода, так и с декодера MPEG.

Карты имеют специальное выделенное пространство памяти атрибутов, в котором находятся конфигурационные и управляющие регистры карты, предназначенные для автоконфигурирования. Стандартом описан формат информационной структуры карты (Card Information Structure, CIS). Карты могут быть многофункциональными (например, комбинация модема и сетевого адаптера). В спецификации MFPC (Multiple Function PC Cards) для каждой функции предусматриваются отдельные конфигурационные регистры и определяются правила разделения (совместного использования) линии запроса прерывания.

Для устройств внешней памяти стандарт описывает форматы хранения данных, совместимые с FAT MS-DOS, а также ориентированные на флэш-память как основной носитель информации. Для непосредственного исполнения модулей ПО, хранящихся в ПЗУ карты, имеется спецификация XIP (eXecute In Place), описывающая программный интерфейс вызова этих модулей (вместо загрузки ПО в ОЗУ).

Стандарт описывает программный интерфейс сервисов карт (Card Services), обеспечивающий унификацию взаимодействия его клиентов (драйверов, прикладного ПО и утилит) с устройствами. Имеется также и интерфейс сервисов сокета (Socket Services), с помощью которого выполняются операции, связанные с обнаружением фактов подключения-отключения карт, их идентификации, конфигурирования питания и аппаратного интерфейса.

В стандарте имеются описания специфических особенностей, свойственных двум организациям, ведущим стандарт PC Card.

♦ PCMCIA описывает автоиндексируемую массовую память (AIMS) для хранения больших массивов данных (изображений, мультимедийных данных) на блочно-ориентированных устройствах. Имеется также спецификация 15-контактного экранированного разъема для подключения модемов и адаптеров локальной сети (15-pin Shielded Modem I/O connector) и 7-контактного для подключения модемов (7-pin Modem I/O connector).

♦ JEDIA для карт памяти предлагает формат файлов Small Block Flash Format, упрощающий файловую систему. Формат SISRIF (Still Image, Sound and Related Information Format) предназначен для записи изображений и звука на карты памяти. Имеется и спецификация для карт динамической памяти.

Большинство адаптеров выпускается с поддержкой технологии PnP и предусматривает «горячее» подключение — интерфейсные карты могут вставляться и выниматься без выключения компьютера. Для этого контакты шин питания имеют большую длину, чем сигнальные, обеспечивая их упреждающее подключение и запаздывающее отключение. Два контакта обнаружения карты CD1# и CD2# (Card Detect) короче остальных — их замыкание для хоста означает, что карта полностью вставлена в слот. Несмотря на возможность динамического конфигурирования, в некоторых случаях при изменении конфигурации требуется перезагрузка системы.

Первоначально карты и хост-системы использовали напряжение питания логики +5 В. Для перехода на низковольтное питание (3,3 В) был введен механический ключ, не допускающий установки карты на 3,3 В в слот, дающий только 5 В. Кроме того, были определены контакты 43 (VS1#) и 57 (VS2#) для выбора питающего напряжения. На картах с питанием 5 В они оба свободны; на картах 3,3 В контакт VS1# заземлен, a VS2# свободен. По этим линиям хост, допускающий оба варианта напряжения питания, определяет потребности установленной карты и подает соответствующее напряжение. Если хост не способен обеспечить требуемый номинал, он должен не подавать питание, а выдать сообщение об ошибке подключения. Карты обычно поддерживают управление энергопотреблением (АРМ), что особо актуально при автономном питании компьютера.

В стандарте PC Card выпускают самые разнообразные устройства — память, устройства хранения, коммуникационные средства, интерфейсные порты, игровые адаптеры, мультимедийные устройства и т. п., правда, все они существенно дороже своих крупногабаритных аналогов. Через слот PC Card портативные компьютеры могут подключаться к док-станциям, в которые может быть установлена обычная периферия. Недостаточно строгое следование производителей стандарту иногда приводит к проблемам совместимости.

Слоты PC Card подключаются к системной шине блокнотного ПК через мост; для компьютеров с внутренней шиной PCI это будет мост PCI-PC Card. В блокнотных ПК могут быть и слоты Small PCI (SPCI, см. п. 6.2.9), но они недоступны без вскрытия корпуса и не допускают «горячей» замены устройств.