PCI и PCI-X

«Продвинутый» контроллер прерываний — APIC

Контроллер APIC в первую очередь предназначен для симметричных мультипроцесорных систем (SMP), описанных в документе Intel «MultiProcessor Specification» (MPS), в Сети доступна версия 1.4, 1997 год. Здесь симметрия рассматривается в двух аспектах:

• симметрия памяти — все процессоры пользуются общей памятью, работают с одной копией ОС;
• симметрия ввода/вывода — все процессоры разделяют общие устройства ввода/вывода и общие контроллеры прерываний.

Система может быть симметричной по памяти, но асимметричной по прерываниям от ввода/вывода, если для них используется выделенный процессор. В x86 симметрию по прерываниям обеспечивает APIC. Система с APIC состоит из локальных контроллеров, установленных в процессорах, и контроллеров прерываний от ввода/вывода (одного или нескольких). Все контроллеры APIC соединены между собой локальной шиной, по которой они обмениваются друг с другом сообщениями. Задача каждого локального контроллера (Local APIC) — трансляция сообщений, принятых по локальной шине, в сигналы, вызывающие все аппаратные прерывания своего процессора — маскируемые (INTR), немаскируемые (NMI) и прерывания системного обслуживания (SMI). Кроме того, локальные APIC позволяют каждому процессору генерировать прерывания для других процессоров. Локальный контроллер имеет внутренний интервальный таймер, позволяющий вырабатывать прерывания через программируемый интервал времени. Контроллер прерываний от ввода/вывода (I/O APIC) преобразует запросы аппаратных прерываний от устройств в сообщения протокола локальной шины APIC. В мультипроцессорном режиме он отвечает за распределение прерываний по процессорам, для чего может использоваться статическое или динамическое распределение. В случае статического распределения для каждого номера прерывания указывается номер процессора, который его обслуживает. В случае динамического распределения каждое прерывание направляется наименее приоритетному в данный момент процессору. Этот же контроллер отвечает за распространение сигналов о системных событиях (NMI, INIT, SMI) и межпроцессорных прерываний. Прерывания в мультипроцессорных системах подробно рассмотрены в документе «Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 3: System Programming Guide», доступном на сайте http://www.intel.com. Здесь же ограничимся описаниями возможностей, предоставляемыми для сигнализации прерываний ввода/вывода контроллерами APIC. Контроллер I/O APIC является частью чипсета системной платы, например, он входит в хабы ICH2 и ICH3 чипсетов Intel. В специфкации MPS определено три режима обработки прерываний: 

• режим PIC (PIC Mode) — эмуляция пары PIC 8259A с традиционной передачей сигналов прерывания одному процессору (загрузочному, BSP Bootstrap Processor) по линиям INTR и NMI;
• режим «виртуальных проводов» (Virtual Wire Mode) — то же, но с подачей сигналов прерывания по локальной шине APIC. При этом I/O APIC может работать совместно с PIC 8259A, обеспечивая дополнительные возможности (в частности, дополнительные входы запросов прерываний);
• симметричный режим (Symmetric I/O Mode) — сообщения о прерываниях от устройств генерирует APIC; прерывания могут доставляться любому процессору; каждый вход запроса индивидуально программируется с помощью таблицы перенаправления прерываний (I/O Redirection Table).

Первые два режима обеспечивают полную совместимость с системой прерываний PC/AT, с программной точки зрения они эквивалентны, различия лежат в области схемотехники. По аппаратному сбросу (и включении питания) система начинает работать в одном из этих режимов. Когда система подготовится к переходу в MP-режим, APIC переводится в симметричный режим и активизирует таблицу перенаправлений прерываний (предварительно программно инициализированную).

В MP-системе присутствует таблица описаний ее компонентов; к прерываниям в этой таблице относятся описатели всех I/O APIC, а также описатели назначений всех используемых источников прерываний, связанных с I/O APIC и локальными APIC. В описателе назначения для каждого источника прерываний указывается:

• тип прерывания: векторное с передачей вектора через APIC, векторное с внешней передачей вектора (от PIC 8259A), NMI или SMI;
• полярность сигнала и его тип (уровень или перепад);
• идентификатор шины, на которой расположен источник;
• идентификатор запроса на этой шине;
• идентификатор и номер входа APIC, к которому подключен данный запрос.

Согласно MPS, для симметричных систем допустимы векторы в диапазоне 10h — FEh. Уровень приоритета прерывания определяется номером его вектора, деленным на 16. Самый приоритетный уровень — нулевой.

Выделение для сообщений APIC отдельной локальной шины позволяет освободить системную шину процессора от трафика, связанного с обслуживанием прерываний (подачи подтверждений прерываний для получения вектора). В современных процессорах используется локальная шина, состоящая из трех сигнальных линий: PICD[1:0] — двунаправленная шина данных и PICCLK — сигнал синхронизации (тактовая частота). Протокол шины обеспечивает распределенный механизм арбитража: в любой момент времени каждый APIC (локальный и I/O APIC) имеет уникальное значение приоритета арбитража (0–15), которое динамически меняется после успешной передачи сообщения. При попытке одновременного начала передачи сообщения несколькими APIC после фазы арбитража остается единственный победитель. Получатель сообщения подтверждает успешный прием; в случае неудачи сообщение передается повторно (обеспечивается надежная доставка). Сообщения, передаваемые по локальной шине APIC, программно-невидимы; реализация и протокол шины могут быть изменены производителями процессоров и чипсетов системных плат, но это не отразится на ПО.

Контроллер I/O APIC позволяет вырабатывать значительное число запросов прерываний; каждому запросу соответствует свой элемент в таблице перенаправлений, находящейся в APIC. Каждый элемент определяет способ реакции на свой запрос, вектор прерывания и процессор (процессоры) назначения, которые должны его обработать. С запросами связаны индивидуальные входы INTINn; определенный уровень или перепад сигнала на этих входах вызывает соответствующие запросы. Чувствительность и вектор (следовательно, и приоритет) для каждого запроса программируется индивидуально. Более совершенные модели I/O APIC позволяют вызывать прерывание и записью номера входа в регистр контроллера, что, например, используются для поддержки прерываний MSI на шине PCI. При этом возможна и экономия сигнальных входов: APIC может иметь входы INTINn не для всех номеров запросов, посылаемых через запись в этот регистр. Однако число запросов всегда ограничивается размером таблицы перенаправлений. Регистры контроллеров APIC отображаются на пространство памяти. Все локальные контроллеры APIC используют один и тот же диапазон адресов (по умолчанию базовый адрес FEE0 0000h) — к их регистрам обращаются только программы, исполняемые на их же процессорах, и эти обращения не выводятся на системную шину. Контроллеры I/O APIC доступны всем процессорам, по умолчанию базовый адрес первого I/O APIC — FEC0 0000h, базовые адреса остальных контроллеров (если таковые имеются) назначаются последовательно с шагом 1000h. Часть регистров адресуется непосредственно, большая часть регистров, включая и таблицу перенаправлений, адресуется косвенно.

Таблица. Непосредственно адресуемые регистры APIC

Адрес	Размер, бит	Тип	Назначение
FEC0_0000h	8	R/W	Index Register, индекс для доступа к косвенно адресуемым регистрам
FEC0_0010h	32	R/W	Data Register, данные для обращений к косвенно адресуемым регистрам
FECO_0020h	8	WO	IRQ Pin Assertion Register, регистр программной установки запросов прерываний (запись числа 0–23 эквивалентна подаче сигнала на соответствующий вход INTINn)
FECO_0040h	8	WO	EOI Register — регистр завершения прерываний для входов, чувствительных к уровню. Запись байта — вектора прерывания — вызывает сброс бита Remote_IRR для всех входов, которым назначен данный вектор (аналогичное действие IOAPIC выполняет по сообщению EOI, полученному по локальной шине)

 

Таблица. Косвенно-адресуемые регистры APIC

Адрес	Размер, бит	Тип	Назначение
00h	32	R/W	ID (биты 24:27) — идентификатор (физический номер), программно назначаемый данному APIC. Остальные биты — резерв
01h	32	RO	Version — версия (возможности IOAPIC): биты 23:16 — максимальный номер элемента в таблице перенаправления; бит 15 (PRQ) — признак наличия регистра программной установки запросов прерываний; биты 7:0 — номер версии; остальные биты — резерв
02h	32	RO	Arbitration ID (биты 24:27) — текущее значение приоритета арбитража. Остальные биты — резерв
03h	32	R/W	Boot Configuration — конфигурация: бит 0 — DT (Delivery Type), управление механизмом доставки сообщений: 0 — через локальную шину APIC, 1 — через сообщения по системной шине (режим I/O(x)APIC)
03-0Fh		RO	Резерв
10-11h	64	R/W	Redirection Table 0 — первый элемент таблицы перенаправления
.....	.....	.....	.....
3E-3Fh	64	R/W	Redirection Table 23 — последний элемент таблицы перенаправления
40-FFh		RO	Резерв

 

Таблица. Формат элемента таблицы перенаправлений

Биты	Назначение
63:56	Destination (R/W), идентификатор назначения. Если используется физическая адресация (бит 11 = 0), то биты [59:56] задают идентификатор локального APIC (биты 63:59 должны быть нулевыми). При логической адресации (бит 11 = 1) биты [63:56] задают логический адрес набора процессоров
55:17	Резерв (нули)
16	Mask (R/W) — маска запроса: 1 — прерывание замаскировано (но запрос не сбрасывается)
15	Trigger Mode (R/W) — чувствительность входа: 0 — к перепаду, 1 — к уровню
14	Remote IRR (R/W), удаленное подтверждение запроса прерывания (только для линий, чувствительных к уровню). Устанавливается, когда локальный APIC принимает этот запрос от IOAPIC; сбрасывается, когда IOAPIC получает команду EOI с соответствующим номером вектора
13	Interrupt Input Pin Polarity (R/W), полярность сигнала запроса: 0 — активный уровень высокий, 1 — низкий
12	Delivery Status (RO), состояние доставки: 0 — нет активности, 1 — запрос пришел, но по шине APIC еще не доставлен адресату
11	Destination Mode (R/W), адресация сообщения: 0 — физическая (по APIC ID), 1 — логическая (по идентификатору набора процессоров)
10:8	Delivery Mode (R/W) — режим доставки
7:0	Vector (R/W) — вектор прерывания

 

Таблица. Режимы доставки сообщений

Режим	Описание
000	Доставка сигнала на входы INTR процессора (или группы) в соответствии с адресатом назначения
001	Доставка сигнала на вход INTR одного процессора из адресованной группы, выполняющего самую низкоприоритетную задачу. Если несколько процессоров выполняют задачи с одинаково низким приоритетом, сообщение получит тот, чей APIC выиграет в этот момент арбитраж на локальной шине
010	SMI/PMI (System Management Interrupt, Power Management Interrupt), прерывание системного управления и системы управления энергопотреблением, только для входов, чувствительных к перепаду. Вектор игнорируется (но должен быть нулевым)
011	Резерв
100	NMI, немаскируемое прерывание, доставляется на входы NMI всех адресованных процессоров. Должно использоваться для входов, чувствительных к перепаду
101	INIT, «мягкая» инициализация всех адресованных процессоров. Должна использоваться для входов, чувствительных к перепаду
110	Резерв
111	ExtINT, внешнее прерывание, вектор которого доставляется от внешнего контроллера PIC по команде INTA. Доставляется на входы INTR всех адресованных процессоров. Должно использоваться для входов, чувствительных к перепаду

Кроме использования последовательной локальной шины есть и иной вариант доставки сообщений к локальным APIC, использущий обращения к пространству памяти. Для этого локальные APIC настраиваются на отслеживание операций записи по определенным адресам. Источник сообщений выполняет операцию записи в пространство памяти, в которой и адрес и данные несут информацию о событии прерывания (см. следующую таблицу). В качестве источника сообщений может выступать расширенный контроллер, называемый I/O(x)APIC. Вышеупомянутый хаб ICH3 имеет возможность работы в режиме I/O(x)APIC.

 

Таблица. Формат сообщения о прерывании, передаваемого по системной шине

Бит	Назначение
Назначение бит адреса
31:20	Всегда FEEh
19:12	Destination ID, идентификатор получателя, аналогично битам 63:56 элемента таблицы перенаправлений
11:4	Резерв (0)
3	Redirection Hint, признак перенаправления: 0 — сообщение доставляется агенту (процессору), идентификатор которого указан в битах 19:12; 1 — сообщение доставляется агенту с минимальным приоритетом прерываний
2	Destination Mode, режим назначения, используется только при единичном признаке перенаправления. Если биты 2 и 3 имеют единичное значение, то сообщение направляется по логическому идентификатору группы процессоров
1:0	Всегда 00
31:16	Всегда 0000
15	Trigger Mode, режим чувствительности: 1 — уровень, 0 — перепад
14	Delivery Status, признак для прерываний по уровню: 1 — установка активного уровня, 0 — снятие (для прерываний по перепаду всегда 1)
13:12	Всегда 00
11	Destination Mode, режим назначения: 1 — логический, 0 — физический
10:8	Delivery Mode, режим доставки
7:0	Вектор прерывания

 

 

• < Назад
• Вперёд >