link840 link841 link842 link843 link844 link845 link846 link847 link848 link849 link850 link851 link852 link853 link854 link855 link856 link857 link858 link859 link860 link861 link862 link863 link864 link865 link866 link867 link868 link869 link870 link871 link872 link873 link874 link875 link876 link877 link878 link879 link880 link881 link882 link883 link884 link885 link886 link887 link888 link889 link890 link891 link892 link893 link894 link895 link896 link897 link898 link899 link900 link901 link902 link903 link904 link905 link906 link907 link908 link909 link910 link911 link912 link913 link914 link915 link916 link917 link918 link919 link920 link921 link922 link923 link924 link925 link926 link927 link928 link929 link930 link931 link932 link933 link934 link935 link936 link937 link938 link939 link940 link941 link942 link943 link944 link945 link946 link947 link948 link949 link950 link951 link952 link953 link954 link955 link956 link957 link958 link959 link960 link961 link962 link963 link964 link965 link966 link967 link968 link969 link970 link971 link972 link973 link974 link975 link976 link977 link978 link979

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Введение

Введение

Взаимодействие через пространство ввода/вывода

Для обращения программы к пространству ввода/вывода предназначены всего четыре инструкции процессора: IN (ввод из порта в регистр процессора), OUT (вывод в порт из регистра процессора), INS (ввод из порта в элемент строки памяти) и OUTS (вывод элемента из строки памяти в порт). Последние две инструкции, появившиеся с процессором 80286, могут использоваться с префиксом повтора REP, что обеспечивает быструю пересылку блоков данных между портом и памятью. Обмен данными с портами, при котором применяют строковые инструкции ввода/вывода, получил название PIO (Programmed Input/Output — программированный ввод/вывод).

Разрядность слова, передаваемого за одну инструкцию ввода/вывода, может составлять 8, 16 или 32 бита. В зависимости от выровненности адреса по границе слова и разрядности данных используемой шины это слово может передаваться за один или несколько циклов шины с указанием соответствующего нарастающего адреса в каждом цикле обращения к памяти. Инструкции ввода/вывода порождают шинные циклы обмена, в которых вырабатываются сигналы чтения порта/записи в порт. Во избежание недоразумений и для экономии шинных циклов рекомендуется выравнивать адреса 16-битных портов по границе слова, а 32-битных — по границе двойного слова. Обращения по выровненным адресам выполняется за один цикл системной шины. Обращение по невыровненным адресам выполняется за несколько циклов, причем однозначная последовательность адресов обращений (которая зависит от модели процессора) не гарантируется. Так, например, одна инструкция вывода слова по нечетному адресу приведет к генерации двух смежных шинных циклов записи. При программировании обращений следует учитывать специфику устройств ввода/вывода. Если, например, устройство допускает только 16-разрядные обращения, то старший байт его регистров будет доступен лишь при вводе-выводе слова по четному адресу.

В реальном режиме процессора программе доступно все пространство адресов ввода/вывода. В защищенном режиме инструкции ввода/вывода являются привилегированными: возможность их исполнения зависит от текущего уровня привилегий. В защищенном режиме 32-разрядных процессоров (частным случаем которого является и виртуальный режим V86) имеется возможность программного ограничения доступного пространства ввода/вывода, определяя его максимальный размер (начиная с нулевого адреса и в пределах 64 Кбайт), а внутри разрешенной области доступ может быть разрешен или запрещен для каждого конкретного адреса. Размер области и карта разрешенных портов (IO Permission Bitmap) задается операционной системой в дескрипторе сегмента состояния задачи (TSS). Карта разрешений влияет на исполнение инструкций ввода/вывода в зависимости от соотношения текущего уровня привилегий и требуемого уровня привилегий ввода/вывода. При недостаточных привилегиях обращение по неразрешенному адресу вызывает исключение процессора, а поведение его обработчика определяется операционной системой. Возможно снятие задачи-нарушителя (знаменитое сообщение «приложение... выполнило недопустимую операцию и будет закрыто»). Возможен и другой вариант, когда по обращению к порту монитор операционной системы выполняет некоторые действия, создавая для программы иллюзию реальной операции ввода/вывода. Таким образом виртуальная машина по операциям ввода/вывода может общаться с виртуальными устройствами. Программа, выполняемая на нулевом уровне привилегий, безусловно может обращаться ко всем портам непосредственно.

Наиболее корректный (с точки зрения организации ОС) способ общения приложения с портами устройства требует помещения инструкций ввода/вывода в драйвер устройства, работающий на уровне привилегий ОС (на нулевом уровне). Обращение к портам непосредственно из приложения возможно, если в карте разрешения портов бит для данного порта сброшен. Если бит установлен, то обращение к порту вызывает исключение защиты, которое обрабатывает VMM (диспетчер виртуальной машины). В этом случае VMM вызывает процедуру, назначенную для данного порта операционной системой. Это может быть либо специальная процедура виртуального драйвера, установленного для данного порта, либо процедура по умолчанию. В первом случае ввод/вывод для данного порта приложению доступен только через виртуальный драйвер, вызов которого каждый раз будет приводить к издержкам переключения задач и смены уровня привилегий (от приложения на третьем уровне к драйверу нулевого уровня). Однако с точки зрения идеологии многозадачности и защиты это естественное решение, обеспечивающее полную виртуализацию ввода/вывода. Процедура по умолчанию (в Windows 9x) открывает порт для данного приложения (сбрасывает бит в карте разрешений ввода/вывода) и выполняет собственно инструкцию ввода/вывода (возвращая приложению результат ввода). Таким образом, приложению Windows 9x станут доступными любые порты, для которых не установлен виртуальный драйвер. Правда, первое обращение к каждому порту будет происходить медленно (через исключение), но последующие будут выполняться быстро. Если для взаимодействия с устройством задержка первого обращения критична, то при инициализации приложения можно выполнить «безобидные» обращения по адресам всех требуемых портов, что откроет их для дальнейшей непосредственной работы (без издержек).

Заметим, что ОС Windows 9x не особо заботится о виртуализации и защите ввода/вывода; здесь, например, из DOS-окна можно обращаться к любым портам, даже к портам устройств, занятых операционной системой. В ОС Windows NT/2000/XP защита портов строже и сложнее.

Взаимодействие через пространство памяти

В реальном режиме (при отключенной страничной переадресации) физический адрес, фигурирующий на системной шине, совпадает с линейным адресом, формируемым прикладной программой. Тут все просто, правда, в стандартном (а не большом) реальном режиме доступен только первый мегабайт адресного пространства (то есть из устройств доступны только отображенные на область UMA).

В защищенном режиме, в принципе, доступно все физическое адресное пространство, но появляются проблемы, связанные с отображением линейных адресов на физические. Страничной переадресацией (поддержкой таблиц) ведает ОС, и у разных программных компонентов (приложений, драйверов, динамических модулей) имеются различающиеся возможности взаимодействия с системой управления памятью. Напомним, что у каждой задачи может быть своя карта адресов, в которой не обязательно будут присутствовать физические адреса всех устройств.

Для обращения к регистрам устройства, расположенным в пространстве памяти (или к области памяти устройства), программа должна узнать физический адрес данной области. Далее она должна запросить у ОС линейный адрес, на который отображается этот физический адрес, и обращаться к нему по этому линейному адресу. Иного пути добраться до физического устройства у программы нет, и если ОС откажет в данном запросе, устройство окажется для этой программы недоступным. Для обращения к устройствам через пространство памяти у процессоров x86 предусмотрено большое число разнообразных инструкций, выполняющих как просто пересылку, так и работающих с операндами в памяти (то есть в устройстве). Инструкции, модифицирующие ячейки памяти, порождают на системной шине блокированные транзакции «чтение-модификация-запись». Этот тип транзакций не приветствуется с точки зрения эффективности использования времени шины, так что предпочтительно избегать таких инструкций при взаимодействии с устройствами. Заметим, что инструкции процессора обычно не порождают эффективных пакетных транзакций на шине PCI, они вызывают лишь одиночные транзакции1. Некоторые программные ухищрения, позволяющие повысить эффективность программно-управляемого обмена, будут описаны дальше.

При организации прямого доступа к памяти, как по стандартным каналам DMA, так и при использовании ведущих устройств шин ISA и PCI, возникает ряд проблем, связанных со страничным преобразованием адресов. Программе требуется организовать обмен данными между устройством и некоторым буфером данных в ОЗУ, с которым программа общается по линейным адресам, а устройство — по физическим. Отметим ряд существенных моментов:

  • программа должна запросить у ОС физический адрес, которому соответствует линейный адрес предполагаемого буфера обмена. Именно этот физический адрес должен задаваться устройству, осуществляющему DMA (или централизованному контроллеру DMA), при инициализации сеанса обмена (при указании начального адреса, длины блока и запуске канала);
  • физические страницы, к которым обращаются по DMA, должны быть зафиксированы: механизм замещения страниц не должен их затрагивать, по крайней мере, пока не завершится обмен по DMA;
  • если буфер данных не умещается в одной логической странице, возникает проблема пересечения границ. Обычный контроллер DMA работает по последовательно изменяемым (инкрементируемым или декрементируемым) адресам. При пересечении границы логической страницы, возможно, потребуется скачок физического адреса, поскольку следующая логическая страница может иметь физическое отображение в произвольном (относительно предыдущей страницы) месте ОЗУ. Чаще всего ОС оперирует страницами по 4 Кбайт, при этом пересылка больших блоков данных ведется «короткими перебежками», между которыми должна выполняться повторная инициализация контроллера DMA.

Проблема пересечения границ решается усложнением контроллеров DMA — применением «разбросанной записи» в память (scatter write) и «собирающего чтения» памяти (gather read). В этом случае контроллеру DMA задается список описателей блоков (начальный адрес и длина), каждый из которых не пересекает границ логической страницы. Отработав очередной блок памяти, контроллер переходит к следующему, и так до конца списка. Такие возможности имеет, например, стандартный контроллер PCI IDE. Для передачи логически непрерывного буфера данных описатели его блоков могут быть сокращены. Так, например, можно задать полный физический адрес начала буфера, его длину и только список базовых адресов занимаемых им страниц. На каждой странице, кроме начальной, данные будут начинаться с нулевого адреса; на каждой странице, кроме последней, данные будут доходить до последнего адреса. Вместо длины буфера можно задавать и физический адрес его конца. Такие варианты описаний используются, например, в хост-контроллерах шин USB и FireWire.

Проблема пересечения границ может решаться и иначе, без усложнения контроллера DMA. Для этого в памяти резервируется буфер значительного размера, отображенный на непрерывную область физической памяти, и обмен данными физическое устройство выполняет только с этим буфером. Однако рядовое приложение не может создать такой буфер, он может быть организован лишь драйвером устройства. Приложения могут лишь получать указатели на этот буфер и обмениваться с ним данными. Таким образом, по пути от приложения к устройству появляется дополнительная «перевалочная база» (буфер драйвера) и, соответственно, дополнительная пересылка данных, что приводит к дополнительным затратам времени.



Взаимодействие программ с периферийными устройствами

Периферийные устройства могут подключаться к интерфейсам системного уровня (ISA, PCI, PCI-X, PCI-Express, AGP, LPC) или к периферийным интерфейсам (порты COM, LPT, Game; шины USB, FireWire, SCSI). Абстрагируясь от конкретной реализации подключения на системном уровне, можно говорить о логической системной шине PC-совместимого компьютера — интерфейсе со следующими базовыми свойствами: 

  • интерфейс обеспечивает транзакции обращения к пространствам памяти и ввода/вывода;
  • в транзакциях фигурируют физические адреса пространств памяти и ввода/вывода;
  • адресные пространства памяти и ввода/вывода являются «плоскими»: адрес выражается одним числом в диапазоне, определенном принятой разрядностью адресации. Любой адрес может принадлежать регистру (ячейке памяти) только одного устройства (или системной памяти, включающей ОЗУ и энергонезависимую память);
  • транзакции могут инициироваться как центральным процессором (процессорами), так и активными устройствами (мастерами шины);
  • все адресуемые элементы безусловно доступны центральному процессору; на адресуемость элементов со стороны мастеров шин могут накладываться специфические ограничения;
  • устройства, подключенные к системной шине, могут посылать процессору (процессорам) запросы аппаратных прерываний.

Взаимодействие программ с устройствами, подключенными к системной шине, возможно следующими способами:

  • через регистры устройств, отображенные на пространство памяти или пространство ввода/вывода;
  • через области адресов памяти, принадлежащей устройству (физически расположенной на контроллере или адаптере устройства);
  • через регистры конфигурационного пространства PCI (для устройств, подключенных к PCI, PCI-X, PCI-Express, AGP);
  • через области системного ОЗУ, доступные активным устройствам-мастерам шины (обмен с использованием DMA);
  • через аппаратные прерывания, сигнализируемые устройствами по доступным им линиям IRQx (ISA) или INTx# (PCI), а также по сообщениям MSI (PCI).

Обращения к регистрам конфигурационного пространства PCI (также «плоского») не относятся к базовым свойствам системной шины, поскольку программно они реализуются операциями обращения к пространству ввода/вывода и (или) памяти. С устройствами, подключенными к интерфейсам периферийного уровня, взаимодействие возможно только через их контроллеры (адаптеры), подключенные к системной шине. На системной шине «видны» и доступны только эти адаптеры и контроллеры. Способы взаимодействия с устройствами определяются интерфейсом контроллера. Особенности взаимодействия с устройствами шин USB и FireWire рассмотрены далее, интерфейсы хост-контроллеров этих шин рассмотрены в следующих темах.

Программное обеспечение компьютера состоит из ряда компонентов: прикладного ПО (исполняемые модули — .EXE-файлы), драйверов устройств, системных драйверов, динамически компонуемых модулей, BIOS. Эти компоненты имеют различные возможности взаимодействия с устройствами, состав используемых компонентов зависит от операционной системы и уровня разделяемости данного устройства. Между прикладным ПО и периферийными устройствами возможны следующие варианты отношений:

  • одиночное монопольное подключение: ПУ подключено к системной шине (возможно, через промежуточный периферийный интерфейс). С этим устройством в любой момент времени может взаимодействовать лишь одно приложение. Это самый простой вариант в плане организации взаимодействия ПО и устройства;
  • групповое монопольное подключение: группа конечных ПУ подключена через промежуточный интерфейс к одному контроллеру, подключенному к системной шине. С данными устройствами может в любой момент времени взаимодействовать только одно приложение. По сравнению с предыдущим вариантом, здесь появляется небольшое усложнение, связанное с выбором конкретного конечного устройства для текущей операции обмена. Промежуточный интерфейс должен обеспечивать адресацию, управляемую приложением;
  • одиночное разделяемое подключение: единственное конечное ПУ, подключенное к системной шине, может использоваться несколькими приложениями и/или процессами. Каждое из приложений (процессов) взаимодействует с устройством так, как будто оно — единственный «клиент» данного устройства. В структуре ПО, обеспечивающего взаимодействие с данным устройством, должны присутствовать средства виртуализации данного устройства. Эти средства и создают приложениям иллюзию монопольного взаимодействия с устройством. Пример — дисплей, подключенный к графическому адаптеру, с поддержкой оконного интерфейса. Здесь каждое приложение в отведенном ему логическом окне выполняет вывод изображения, не заботясь о текущем положении окна. Другой пример — клавиатура, обеспечивающая ввод символов в активное приложение;
  • множественное разделяемое подключение: множество конечных ПУ подключено через периферийный интерфейс к общему контроллеру, связанному с системной шиной. Возможно одновременное взаимодействие нескольких приложений (процессов) с различными конечными ПУ. Сложность заключается в разделяемости: все взаимодействия осуществляются через общий контроллер периферийного интерфейса. Дополнительно возможно и коллективное использование конечных ПУ, для чего требуется виртуализация этих устройств. Примеры подключения: шины SCSI, USB, FireWire.

Вполне очевидно, что с точки зрения логических связей прикладное ПО может взаимодействовать с устройством непосредственно лишь в монопольном варианте использования. Все остальные варианты требуют выделения специальных модулей — драйверов, решающих задачи организации разделяемого использования контроллера и/или виртуализации устройства. Однако и для монопольного варианта отделение драйвера от прикладного ПО полезно с точки зрения модульности: при должной организации интерфейса между драйвером и прикладным ПО переход на использование новой модели устройства и/или на иной интерфейс его подключения потребует только смены драйвера, но не переработки прикладного ПО.

Взаимодействие программ, выполняемых центральным процессором (хост-программ), с периферийными устройствами возможно тремя основными способами:

  • программно-управляемый обмен;
  • прямой доступ к памяти;
  • прерывания.

Программно-управляемый обмен — PIO (Programmed Input-Output). В исполняемой программе (или драйверах, которыми она пользуется) присутствуют инструкции ввода/вывода для портов устройства или инструкции обращений к областям памяти, находящейся в устройстве. Реальное физическое взаимодействие с устройством (и вызываемые этим изменения состояния устройств) происходит в момент выполнения этих инструкций. Такая жесткая синхронизация программы и устройства из рассматриваемых шин имеется в PCI/PCI-X, когда устройство является ведомым (target). Из интерфейсов, не рассмотренных в данной книге, такой способ обмена используется в LPT и COM портах (в режимах без FIFO и DMA), а также в шине ATA (при доступе к регистрам устройства и обмене данными в режиме PIO). Данный способ взаимодействия позволяет предельно упростить интерфейсную часть периферийного устройства. Расплатой за это упрощение является нагрузка на центральный процессор. Отметим, что применительно к шине PCI (и всем ее «родственникам») программно-управляемый обмен не позволяет приблизиться к декларированной высокой пропускной способности шины. Причиной тому является неспособность процессора породить длинные пакетные транзакции на шине PCI (см. главу 2), поэтому следует избегать данного способа взаимодействия при интенсивном обмене данными;

Прямой доступ к памяти — DMA (Direct Memory Access). Обмен между системной памятью (ОЗУ) и устройством выполняется без непосредственного участия процессора. Обмен осуществляет контроллер прямого доступа, для устройств шины PCI (и всех ее «родственников») контроллер является частью устройства — мастера шины (Bus Master). Штатного централизованного контроллера DMA, как это было в архитектуре ISA, для шины PCI нет. В зависимости от того, кто является инициатором обмена, различают два варианта прямого доступа:

  • DMA по инициативе хоста (Host Initiated DMA). Задание на пересылку каждого блока формирует программа, исполняемая на ЦП; она же сообщает контроллеру DMA параметры сеанса (начальный адрес, длину блока и направление передачи) записью в его регистры. Физические операции обмена синхронизируются с устройством — оно своими внутренними сигналами запускает обмен и, если требуется, управляет потоком (вводит сигнал готовности). Этот вариант требует довольно простых аппаратных средств устройства, расплата за упрощение — необходимость привлечения ЦП к организации каждого сеанса (обычно по прерываниям). Это не очень эффективно при передаче больших объемов данных, которые могут располагаться в разных не смежных страницах физической памяти;
  • DMA по инициативе устройства (Target Initiated DMA). Здесь хост-программа формирует в памяти программу ввода/вывода для устройства, обычно представляющую собой связанный список дескрипторов передач, и указывает устройству на начало списка. Контроллер устройства считывает эти дескрипторы из ОЗУ и по ним организует сеансы передачи данных между устройством и буферами в ОЗУ, описанными дескрипторами передач. Формирование программы может быть статическим или динамическим. В первом случае хост-программа передает устройству указатель на готовый список дескрипторов и не имеет права его модифицировать до тех пор, пока устройство не отработает список до конца. Так, например, работает PCI-контроллер шины ATA. При динамическом формировании хост может добавлять новые дескрипторы (в конец списка), постоянно «подбрасывая» контроллеру новые задания. Так работают контроллеры шины USB и FireWire, PCI-контроллеры локальных сетей и ряд других. Работа устройства по программе требует усложнения его контроллера, но эти затраты окупаются повышением производительности и эффективности ввода/вывода. При этом стараются минимизировать число прерываний центрального процессора, инициируемых устройством.

Прерывания (Interrupts) — сигнализация от устройства (его контроллера) центральному процессору (процессорам в мультипроцессорных системах) о некоторых событиях, требующих программных действий хоста. Эти события асинхронны по отношению к программному коду, исполняемому процессором. Прерывания требуют приостановки выполнения текущего потока инструкций (с сохранением состояния) и запуска исполнения процедуры-обработчика прерывания ISR (Interrupt Service Routine). Эта процедура первым делом должна идентифицировать источник прерывания (а их может быть и несколько), затем выполнить действия, связанные с реакцией на событие. Если события должны вызывать некоторые действия прикладной программы, то обработчику прерывания следует только подать сигнал (через ОС), запускающий (или пробуждающий) поток инструкций, выполняющий эти действия. Собственно процедура ISR должна быть оптимизирована по затраченному времени. Обслуживание прерываний, особенно в защищенном режиме, в PC-совместимых компьютерах на процессорах x86 связано со значительными накладными расходами. По этой причине их число стараются сократить. Значительные хлопоты доставляет идентификация источника прерывания — в архитектуре PC-совместимых компьютеров для этого используются традиционные, но неэффективные механизмы. В ряде случаев прерывания от устройств заменяют поллингом — программно-управляемым опросом состояния устройств. При этом состояния множества устройств опрашивают по прерыванию от таймера.

В компьютерных системах с «интеллектуальной» системой ввода/вывода (I2O—Intelligent Input-Output) кроме центрального процессора имеется процессор ввода/вывода (IOP — Input-Output Processor). Этот процессор обычно имеет сокращенную систему команд, ориентированную на задачи управления вводом/выводом. В круг этих задач входит пересылка блоков данных, подсчет четности (для дисковых массивов RAID 3 и 5), преобразование данных между форматами Big Endian (популярный в телекоммуникациях) и Little Endian (принятый в процессорах Intel). Процессор ввода/вывода может работать как в общем адресном пространстве, так и иметь свое обособленное адресное пространство для управляемой подсистемы ввода/вывода. Взаимодействие процессора ввода/вывода со своими устройствами ведется теми же тремя основными способами, что были описаны ранее.

Врядовых компьютерах обычно ограничиваются прямым управлением шиной (bus mastering), которое позволяет контроллерам ПУ (или их интерфейсам) самим обращаться к системным ресурсам, выполняя необходимые обмены данными и управляющей информацией. Для этого контроллер ПУ должен взять на себя (на время) роль инициатора транзакций на интерфейсе, связывающем его с центром (главным образом, с памятью). Поскольку традиционно этот интерфейс является шинным, такой активный контроллер называют мастером шины (bus master), даже если он подключается к выделенному двухточечному интерфейсу (порту AGP). Чаще всего прямое управление шиной используется для прямого доступа к оперативной памяти. Прямое управление шиной может использоваться и для сигнализации прерываний (MSI на шине PCI, см. главу 3). В новых версиях шины PCI-X и в PCI Express появилась возможность равнорангового взаимодействия устройств (без участия процессора) — обмена сообщениями. При этом в адресации сообщений не фигурируют адреса пространства памяти или ввода/вывода — обращения адресуются по идентификатору устройства (DIM — Device Identified Messages).

 



Особенности взаимодействия в PC-совместимых компьютерах

Архитектурный облик PC-совместимого компьютера определяется свойствами используемых в них процессоров семейства x86. Современные процессоры x86, работающие в защищенном режиме, имеют довольно сложные механизмы виртуализации памяти, ввода/вывода и прерываний, из-за которых приходится различать физические и логические пространства (адреса памяти и ввода/вывода) и события (операции ввода/вывода, прерывания).

Физический адрес ячейки памяти или порта ввода/вывода — это адрес, формируемый на системной шине для обращения к данной ячейке. Логический адрес — это тот адрес, который формируется исполняемой программой (по замыслу программиста) для доступа к требуемой ячейке. Логический адрес в процессорах x86 состоит из двух компонентов: селектора сегмента и смещения внутри сегмента; из этих компонентов формируется линейный адрес — целое беззнаковое число. В большинстве современных ОС используется плоская модель памяти, в которой все доступные сегменты отображены на одно и то же адресное пространство. При этом программа не оперирует селекторами; программист адресует структуры данных в памяти по линейным адресам (для современных процессоров и приложений — 32-разрядным). Физический адрес формируется из логического с помощью блока страничной переадресации; трансляция адресов выполняется на страничном базисе, популярный размер страницы — 4 Кбайт. Страничная переадресация выполняется для реализации виртуальной памяти с подкачкой страниц. Переадресация выполняется на основе таблиц, формируемых в памяти операционной системой.

Физическая операция ввода/вывода или обращения к памяти — это процесс (шинный цикл), во время которого генерируются электрические сигналы, обеспечивающие доступ к данной ячейке (порту). Логическая операция — это исполнение программной инструкции (команды) обращения к интересующей ячейке. Логическая операция не всегда порождает ожидаемую физическую операцию: при определенных условиях она может блокироваться средствами защиты процессора, вызывая даже принудительное завершение программы, или же эмулироваться, создавая иллюзию физического исполнения. 

Параллельные и последовательные интерфейсы

Общая информация параллельных и последовательных интерфейсов

Для компьютеров и связанных с ним устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных количествах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Для того чтобы передавать группу битов, используются два основных подхода к организации интерфейса:

  • параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита);
  • последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (COM-порт), последовательные шины USB и FireWire, PCI Express, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

На первый взгляд организация параллельного интерфейса проще и нагляднее и этот интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемопередающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы.

Скорость передачи данных интерфейсов

Теперь подробнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на продолжительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно воспользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной продолжительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного она соответствует числу параллельных сигнальных цепей передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимой тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумной цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже очевидны выгоды последовательного интерфейса: для него, в отличие от параллельного интерфейса, затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность.

В параллельном интерфейсе существует явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно выставленные на одной стороне интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за разброса характеристик цепей. На время прохождения влияет длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть существенно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине набегает и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше используется параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп, для каждой из которых используются свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемопередающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах, не превышающих десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 нс сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20–25 см. Наносекунда — это период сигнала с частотой 1 ГГц.

Повышения пропускной способности параллельных интерфейсов

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию DDR (Dual Data Rate). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса ATA (режимы UltraDMA) и прокатилась уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (Source Synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности (валидности) данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (пространственных) точках временные соотношения между сигналами данных и сигналами синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем выше амплитуда сигнала, тем выше должна быть скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.

Повышения пропускной способности последовательных интерфейсов

В последовательном интерфейсе явления перекоса отсутствуют, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемопередающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс — слишком дорогое удовольствие.

Вышеприведенные соображения объясняют современную тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.