Сигнальный протокол шин PCI и PCI-X

Обмен информацией по шине PCI и PCI-X организован в виде транзакций — логически завершенных операций обмена. В типовой транзакции участвуют два устройства —инициатор обмена (initiator), он же ведущее устройство (master), и целевое устройство (ЦУ, target)), оно же ведомое (slave). Правила взаимодействия этих устройств определяются протоколом шины PCI. Устройство может следить за транзакциями на шине и не являясь их участником (не вводя никаких сигналов); режиму слежения соответствует термин Snooping. Есть особый тип транзакции (Special Cycle) — широковещательный, в котором инициатор протокольно не взаимодействует ни с одним из устройств. В каждой транзакции выполняется одна команда — как правило, чтение или запись данных по указанному адресу. Транзакция начинается с фазы адреса, в которой инициатор задает команду и целевой адрес. Далее могут следовать фазы данных, в которых одно устройство (источник данных) помещает данные на шину, а другое (приемник) их считывает. Транзакции, в которых присутствует множество фаз данных, называются пакетными. Есть и одиночные транзакции (с одной фазой данных). Транзакция может завершиться и без фаз данных, если целевое устройство (или инициатор) не готово к обмену. В шине PCI-X добавлена фаза атрибутов, в которой передается дополнительная информация о транзакции. 

Сигнальный протокол шин PCI и PCI-X

Состав и назначение интерфейсных сигналов шины раскрывает таблице ниже. Состояния всех сигнальных линий воспринимаются по положительному перепаду CLK, и именно эти моменты в дальнейшем описании подразумеваются под тактами шины (на рисунках отмечены вертикальными пунктирными линиями). В разные моменты времени одними и теми же сигнальными линиями управляют разные устройства шины, и для корректной (бесконфликтной) «передачи полномочий» требуется, чтобы существовал промежуток времени, в течение которого линией не управляет ни одно устройство. На временных диаграммах это событие — так называемый «пируэт» (turnaround) — обозначается парой полукруглых стрелок.

Таблица. сигналы шины PCI

Сигнал	Назначение
AD[31:0]	Address/Data — мультиплексированная шина адреса/данных. В начале транзакции передается адрес, в последующих тактах — данные
C/B [3:0]#	Command/Byte Enable — команда/разрешение обращения к байтам. Команда, определяющая тип очередного цикла шины, задается четырехбитным кодом в фазе адреса
FRAME#	Кадр. Введением сигнала отмечается начало транзакции (фаза адреса), снятие сигнала указывает на то, что последующий цикл передачи данных является последним в транзакции
DEVSEL#	Device Select — устройство выбрано (ответ ЦУ на адресованную к нему транзакцию)
IRDY#	Initiator Ready — готовность ведущего устройства к обмену данными
TRDY#	Target Ready — готовность ЦУ к обмену данными
STOP#	Запрос ЦУ к ведущему устройству на остановку текущей транзакции
LOCK#	Сигнал блокировки (захвата) шины для обеспечения целостного выполнения операции. Используется мостом, которому для выполнения одной операции требуется выполнить несколько транзакций PCI
REQ#	Request — запрос от ведущего устройства на захват шины
GNT#	Grant — предоставление ведущему устройству управления шиной
PAR	Parity — общий бит четности для линий AD[31:0] и C/BE[3:0]#
PERR#	Parity Error — сигнал об ошибке четности (для всех циклов, кроме специальных). Вырабатывается любым устройством, обнаружившим ошибку
PME#	Power Management Event — сигнал о событиях, вызывающих изменение режима потребления (дополнительный сигнал, введенный в PCI 2.2)
CLKRUN#	Clock running — шина работает на номинальной частоте синхронизации. Снятие сигнала означает замедление или остановку синхронизации с целью снижения потребления (для мобильных применений)
PRSN [1,2]#	Present — индикаторы присутствия платы, кодирующие запрос потребляемой мощности. На карте расширения одна или две линии индикаторов соединяются с шиной GND, что воспринимается системной платой
RST#	Reset — сброс всех регистров в начальное состояние (по кнопке «Reset» и при перезагрузке)
IDSEL	Initialization Device Select — выбор устройства в циклах конфигурационного считывания и записи; на эти циклы отвечает устройство, обнаружившее на данной линии высокий уровень сигнала
SERR#	System Error — системная ошибка. Ошибка четности адреса или данных в специальном цикле или иная катастрофическая ошибка, обнаруженная устройством. Активизируется любым устройством PCI и вызывает NMI
REQ64#	Request 64 bit — запрос на 64-битный обмен. Сигнал вводится 64-битным инициатором, по времени он совпадает с сигналом FRAME#. Во время окончания сброса (сигналом RST#) сигнализирует 64-битному устройству о том, что оно подключено к 64-битной шине. Если 64-битное устройство не обнаружит этого сигнала, оно должно переконфигурироваться на 32-битный режим, отключив буферные схемы старших байтов
ACK64#	Подтверждение 64-битного обмена. Сигнал вводится 64-битным ЦУ, опознавшим свой адрес, одновременно с DEVSEL#. Отсутствие этого подтверждения заставит инициатор выполнять обмен с 32-битной разрядностью
INTA#, INTB#, INTC#, INTD#	Interrupt A, B, C, D — линии запросов прерывания, чувствительность к уровню, активный уровень — низкий, что допускает разделяемость (совместное использование) линий
CLK	Clock — тактовая частота шины. Должна лежать в пределах 20—33 МГц, начиная с PCI 2.1 может быть до 66 МГц, в PCI-X до 100 и 133 МГц
M66EN	66MHz Enable — разрешение частоты синхронизации до 66 МГц (на картах 33 МГц заземлен, на 66 МГц — свободен)
PCIXCAP (38B)	Возможности PCI-X: на платах PCI — заземлен, на PCI-X133 соединен с землей через конденсатор 0,01 мкФ, на PCI-X66 — параллельной RC-цепочкой 10 кОм, 0,01 мкФ.
SDONE	Snoop Done — сигнал завершенности цикла слежения для текущей транзакции. Низкий уровень указывает на незавершенность цикла слежения за когерентностью памяти и кэша. Необязательный сигнал, используется только устройствами шины с кэшируемой памятью. Исключен начиная с PCI 2.2
SBO#	Snoop Backoff — попадание текущего обращения к памяти абонента шины в модифицированную строку кэша. Необязательный сигнал, используется только абонентами шины с кэшируемой памятью при алгоритме обратной записи. Исключен начиная с PCI 2.2
SMBCLK	SMBus Clock — тактовый сигнал шины SMBus (интерфейс I2C). Введен начиная с PCI 2.3
SMBDAT	SMBus Data — последовательные данные шины SMBus (интерфейс I2C). Введен начиная с PCI 2.3
TCK	Test Clock — синхронизация тестового интерфейса JTAG
TDI	Test Data Input — входные данные тестового интерфейса JTAG
TDO	Test Data Output — выходные данные тестового интерфейса JTAG
TMS	Test Mode Select — выбор режима для тестового интерфейса JTAG
TRST	Test Logic Reset — сброс тестовой логики

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 полученном активном сигнале GNT# и дождавшись отсутствия активности шины. Заметим, что за время ожидания покоя арбитр может «передумать» и отдать управление шиной другому устройству с более высоким приоритетом. Снятие сигнала GNT# не позволяет устройству начать следующую транзакцию, а при определенных условиях (см. далее) может заставить прекратить начатую транзакцию. Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный узел — арбитр, входящий в мост, соединяющий данную шину с центром. Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный) определяется программированием арбитра.

Для адреса и данных используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированные линии C/BE[3:0] обеспечивают кодирование команд в фазе адреса и разрешение байтов в фазе данных. В транзакциях записи линии C/BE[3:0] разрешают использование байтов данных одновременно с их присутствием на шине AD, в транзакциях чтения эти сигналы относятся к байтам следующей за ними фазы данных. В фазе адреса (начало транзакции) ведущее устройство активирует сигнал FRAME#, передает целевой адрес по шине AD, а по линиям C/BE# — информацию о типе транзакции (команду). Адресованное целевое устройство отзывается сигналом DEVSEL#. Ведущее устройство указывает на свою готовность к обмену данными сигналом IRDY#, эта готовность может быть выставлена и до получения DEVSEL#. Когда и целевое устройство будет готово к обмену данными, оно установит сигнал TRDY#. Данные по шине AD передаются только при одновременном наличии сигналов IRDY# и TRDY#. С помощью этих сигналов ведущее и целевое устройства согласовывают свои скорости, вводя такты ожидания (wait states). На рисунке ниже приведена временная диаграмма обмена, в которой и ведущее и целевое устройства вводят такты ожидания. Если бы они оба ввели сигналы готовности в конце фазы адреса и не снимали бы 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. В транзакциях чтения после фазы адреса необходим дополнительный такт для пируэта, во время которого инициатор прекращает управление линией AD; целевое устройство сможет взять на себя управление шиной AD только в следующем такте. В транзакции записи пируэт не нужен, поскольку данные передает инициатор.

На шине PCI все транзакции трактуются как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете явно не указывается, но в такте последней фазы данных ведущее устройство при введенном сигнале IRDY# снимает сигнал FRAME#. В одиночных транзакциях сигнал FRAME# активен лишь в течение одного такта. Если устройство не поддерживает пакетные транзакции в ведомом режиме, то оно должно потребовать прекращения пакетной транзакции в течение первой фазы данных (выставив сигнал STOP# одновременно с TRDY#). В ответ на это ведущее устройство завершит данную транзакцию и продолжит обмен последующей транзакцией со следующим значением адреса. После завершающей фазы данных ведущее устройство снимает сигнал IRDY#, и шина переходит в состояние покоя (Idle) — оба сигнала: — FRAME# и IRDY# — находятся в пассивном состоянии.

Инициатор может начать следующую транзакцию и без такта покоя, установив FRAME# одновременно со снятием IRDY#. Такие быстрые смежные транзакции (Fast Back-to-Back) могут быть обращены как к одному, так и к разным целевым устройствам. Первый тип быстрых смежных транзакций поддерживается всеми устройствами PCI, выступающими в роли целевого устройства. На поддержку второго типа смежных транзакций (такая поддержка необязательна) указывает бит 7 регистра состояния. Инициатору разрешают (если он умеет) использовать быстрые смежные транзакции с различными устройствами (разрешение определяется битом 9 регистра команд), только если все агенты шины допускают быстрые обращения. При обмене данных в режиме PCI-X быстрые смежные транзакции недопустимы.

Протокол шины обеспечивает надежность обмена — ведущее устройство всегда получает информацию об отработке транзакции целевым устройством. Средством повышения достоверности обмена является применение контроля четности: линии AD[31:0] и C/BE[3:0]# и в фазе адреса, и в фазе данных защищены битом четности PAR (количество установленных битов этих линий, включая PAR, должно быть четным). Действительное значение PAR появляется на шине с задержкой в один такт относительно линий AD и C/BE#. При обнаружении ошибки устройство вырабатывает сигнал PERR# (со сдвигом на такт после появления на шине действительного бита четности). В подсчете четности при передаче данных учитываются все байты, включая и недействительные (отмеченные высоким уровнем сигнала C/BEx#). 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 целевого устройства.

Ведущее устройство может завершить транзакцию одним из следующих способов:

• comletion — нормальное завершение по окончании обмена данными;
• time-out — завершение по тайм-ауту. 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 произойти, если адресованное целевое устройство 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;
• master-Abort — прекращение транзакции, когда в течение заданного времени ведущее устройство не получает ответа от целевого устройства (сигнала DEVSEL#).

Транзакция может быть прекращена по инициативе целевого устройства; для этого оно может ввести сигнал STOP#. Возможны три типа прекращения транзакции:

• retry — повтор, введение сигнала STOP# при пассивном сигнале TRDY# до первой фазы данных. Эта ситуация возникает, когда целевое устройство изза внутренней занятости не успевает выдать первые данные в положенный срок (16 тактов). Прекращение типа retry является указанием ведущему устройству на необходимость повторного запуска той же транзакции;
• disconnect — отключение, введение сигнала STOP# в течение или после первой фазы данных. Если сигнал STOP# введен при активном сигнале TRDY# очередной фазы данных, то эти данные передаются, на чем транзакция и завершается. Если сигнал STOP# выставлен при пассивном сигнале TRDY#, то транзакция завершается без передачи данных очередной фазы. Отключение производится, когда целевое устройство не способно своевременно выдать или принять очередную порцию данных пакета. Отключение является указанием ведущему устройству на необходимость повторного запуска этой транзакции, но с модифицированным стартовым адресом;
• target-abort — отказ, введение сигнала STOP# одновременно со снятием сигнала DEVSEL# (в предыдущих случаях во время появления сигнала STOP# сигнал DEVSEL# был активен). После этого данные уже не передаются. Отказ производится, когда целевое устрйство обнаруживает фатальную ошибку или иные условия, по которым оно уже никак не сможет обслужить данный запрос (в том числе и неподдерживаемую команду).

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

Прекращение типа retry используется для организации отложенных транзакций (delayed transactions). Отложенные транзакции используются только медленными целевыми устройствами, а также мостами PCI при трансляции транзакций на другую шину. Прекращая (для инициатора) транзакцию условием retry, целевое устройство внутренне выполняет данную транзакцию. Когда инициатор повторит эту транзакцию (выдаст ту же команду с тем же адресом и тем же набором сигналов C/BE# в фазе данных), у целевого устройства (или моста) уже будет готов результат (данные чтения или состояние выполнения записи), который оно быстро вернет инициатору. Результат отложенной транзакции, выполненной данным устройством, устройство или мост должны хранить до тех пор, пока результаты не будут запрошены инициатором. Однако он может и «забыть» повторить транзакцию (из-за каких-либо нештатных ситуаций). Чтобы избежать переполнения буфера хранения результатов, устройству приходится отбрасывать (discard) эти результаты. Отбрасывание может быть выполнено без побочных эффектов, если откладывалась транзакция к памяти, допускающей предвыборку (с атрибутом prefetchable, см. далее). Остальные типы транзакций в общем случае безнаказанно отбрасывать нельзя (может нарушиться целостность данных), для них отбрасывание разрешается только после безрезультатного ожидания повтора в течение 215 тактов шины (по срабатыванию discard timer). Об этой особой ситуации устройство может сообщить своему драйверу (или всей системе).

Инициатор транзакции может потребовать монопольного использования шины PCI на все время выполнения операции обмена, требующей нескольких шинных транзакций. Так, например, если центральный процессор выполняет инструкцию модификации данных в ячейке памяти, принадлежащей устройству PCI, ему нужно прочитать данные из устройства, модифицировать их в своем АЛУ и вернуть результат в устройство. Чтобы в эту операцию не вклинивались транзакции от других инициаторов (что чревато нарушением целостности данных), главный мост выполняет ее как блокированную — на все время исполнения операции подается шинный сигнал LOCK#. Этот сигнал никак не используется (и не вырабатывается) обычными устройствами PCI (не мостами); он используется только мостами для управления арбитражем.

Аппаратные прерывания в PC-совместимых компьютерах

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

• традиционная проводная сигнализация по линиям INTx;
• проводная сигнализация событий управления энергопотреблением по линии PME#;
• сигнализация с помощью сообщений — MSI;
• сигнализация фатальной ошибки по линии SERR#.

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

Аппаратные прерывания в PC-совместимых компьютерах

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

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

• в реальном режиме таблица прерываний содержит 4-байтные дальние указатели (сегмент и смещение) на соответствующие процедуры, которые вызываются дальним вызовом (Call Far с предварительным сохранением флагов). Размер (256 × 4 байт) и положение таблицы (начинается с адреса 0) фиксированы;
• в защищенном режиме (и в его частном случае — режиме V86) таблица содержит 8-байтные дескрипторы прерываний, которые могут быть шлюзами прерываний (Interrupt Gate), ловушек (Trap Gate) или задач (Task Gate). Размер таблицы может быть уменьшен (максимальный — 256 × 8 байт), положение таблицы может меняться (определяется содержимым регистра IDT процессора). Код обработчика прерываний должен быть не менее привилегированным, чем код прерываемой задачи (иначе сработает исключение защиты). По этой причине обработчики прерываний должны работать на уровне ядра ОС (на нулевом уровне привилегий). Смена уровня привилегии при вызове обработчика приводит к дополнительным затратам времени на переопределение стека. Прерывания, вызывающие переключение задач (через Task Gate), расходуют значительноевремя на переключение контекста — выгрузку регистров процессора в сегмент состояния старой задачи и их загрузку из сегмента состояния новой.

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

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

• бит 2 R/W — ERP — разрешение контроля ОЗУ и сигнала SERR# шины PCI;
• бит 3 R/W — EIC — разрешение контроля шины ISA;
• бит 6 R — IOCHK — ошибка контроля на шине ISA (сигнал IOCHK#);
• бит 7 R — PCK — ошибка четности ОЗУ или сигнал SERR# на шине PCI.

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

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

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

• PIC (Peripheral Interrupt Controller) — периферийный контроллер прерываний, программно совместимый с «историческим» контроллером 8259A, применявшимся еще в первых моделях IBM PC. Со времен IBM PC/AT применяется связка из пары каскадно соединенных PIC, позволяющая обслуживать до 15 линий запросов прерываний;
• APIC (Advanced Peripheral Interrupt Controller) — усовершенствованный периферийный контроллер прерываний, введенный для поддержки мультипроцессорных систем в компьютеры на базе процессоров 4–5 поколений (486 и Pentium) и используемый поныне для более поздних моделей процессоров. Кроме поддержки мультипроцессорных конфигураций современный APIC позволяет увеличивать число доступных линий прерываний и обрабатывать запросы прерываний от устройств PCI, посылаемые через механизм сообщений (MSI). Компьютер, оснащенный контроллером APIC, обязательно имеет возможность функционировать и в режиме, совместимом со стандартной связкой пары PIC. Этот режим включается по аппаратному сбросу (и включению питания), что позволяет использовать старые ОС и приложения MS DOS, «не знающие» APIC и мультипроцессирования.

Традиционная схема формирования запросов прерываний с использованием пары PIC изображена на рисунке ниже.

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

Имя (номер1)	Вектор2	Вектор3	Контроллер/маска	Описание
NMI	02h
IRQ0	08h	50h	#1/1h	Контроль канала, четность памяти (в XT — сопроцессор)
IRQ1	09h	51h	#1/2h	Клавиатура
IRQ2	0Ah	52h	#1/4h	XT — резерв, AT — недоступно (подключается каскад IRQ8–IRQ15)
IRQ8	70h	58h	#2/1h	CMOS RTC — часы реального времени
IRQ9	71h	59h	#2/2h	Резерв
IRQ10	72h	5Ah	#2/4h	Резерв
IRQ11	73h	5Bh	#2/8h	Резерв
IRQ12	74h	5Ch	#2/10h	PS/2-Mouse (резерв)
IRQ13	75h	5Dh	#2/20h	Математический сопроцессор
IRQ14	76h	5Eh	#2/40h	HDC — контроллер НЖМД
IRQ15	77h	5Fh	#2/80h	Резерв
IRQ3	0Bh	52h	#1/4h	COM2, COM4
IRQ4	0Ch	53h	#1/10h	COM1, COM3
IRQ5I	0Dh	54h	#1/20h	XT — HDC, AT — LPT2, Sound (резерв)
IRQ6	0Eh	55h	#1/40h	FDC — контроллер НГМД
IRQ7	0Fh	56h	#1/80h	LPT1 — принтер

*1 Запросы прерываний 0, 1, 8 и 13 на шины расширения не выводятся.
*2 Указаны номера векторов при работе в реальном режиме процессора.
*3 Указаны номера векторов при работе в ОС Windows.

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

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

• устройство по событию прерывания возбуждает назначенную ему линию запроса прерывания;
• контроллер принимает сигналы запросов от источников прерываний (сигналы IRQx) и при наличии незамаскированного запроса подает сигнал общего запроса прерывания (сигнал INTR) процессору x86;
• процессор, реагируя на запрос (когда прерывания флагом IF разрешены), сохраняет в стеке содержимое регистра флагов и адрес возврата, после чего формирует шинный цикл INTA (Interrupt Acknowledge, подтверждение прерывания), который доводится до контроллера прерываний;
• в момент получения сигнала INTA контроллер прерываний фиксирует состояние своих входов запросов — к этому моменту их состояние могло измениться: могли появиться новые запросы или пропасть запрос от «нетерпеливого» устройства. Контроллер анализирует поступившие запросы в соответствии с запрограммированной схемой приоритетов и посылает процессору вектор прерывания, соответствующий самому приоритетному незамаскированному запросу, присутствующему на входе контроллера в момент подачи шинной команды INTA. При этом контроллер выполняет и некоторые действия в соответствии с установленной приоритетной политикой, учитывающие, какой именно вектор был послан (какой из запросов пошел на обслуживание);
• получив вектор прерывания, процессор по его номеру вызывает соответствующую процедуру обработки прерывания. Если данный вектор прерывания используется не только для аппаратных прерываний, но и для исключений и/или программных прерываний, то процедура в первую очередь должна определить, к какому из этих типов относится данное событие. Для этого процедура может обратиться к контроллеру PIC (прочитать регистр ISR) и проанализировать состояние регистров процессора. Дальнейшие шаги рассматриваются для случая, когда обнаружено аппаратное прерывание;
• процедура обработки прерывания должна идентифицировать источник прерывания — определить устройство, его вызвавшее. В случае разделяемого использования несколькими устройствами данного номера запроса (следовательно, и вектора) идентифицировать источник прерывания можно только последовательными обращениями к регистрам каждого из этих устройств. При этом следует учитывать возможность поступления запросов от нескольких устройств одновременно или в процессе обработки прерывания от одного из них;
• процедура должна обслужить устройство-источник прерывания — выполнить «полезные» действия, связанные с событием, о котором и сигнализировало устройство. Это обслуживание должно обеспечить и снятие сигнала запроса прерывания от данного устройства. В случае разделяемых прерываний источников может быть и несколько, и все они требуют обслуживания;
• если обработка прерывания занимает значительное время, в течение которого требуется реакция системы на более приоритетные запросы, то после критической секции в обработчик включают инструкцию STI, устанавливающую флаг разрешения прерываний (IF) в процессоре. С этого момента возможны вложенные прерывания, прерывающие работу данного обработчика другой, более приоритетной процедурой;
• процедура обработки прерывания должна послать контроллеру команду завершения обработки прерывания EOI (End Of Interrupt), по которой контроллер разрешит последующий прием сигнала с обслуженного входа и менее приоритетных. Это должно быть сделано после снятия сигнала прерывания от обслуженных устройств, иначе контроллер после EOI пошлет повторный запрос. Обработчик прерывания, для которого запрос поступил от ведомого контроллера, должен послать EOI как ведомому, так и ведущему контроллеру. Участок обработчика, начинающийся от подачи команды EOI до завершения (инструкции IRET), должен быть непрерываемым, то есть он является критической секцией. Если обработчик разрешал вложенные прерывания, то перед подачей команды EOI должна присутствовать инструкция CLI, запрещающая прерывания;
• завершается обработка прерывания инструкцией IRET, по которой процессор возвращается к выполнению прерванного потока инструкций, предварительно извлекая из стека содержимое регистра флагов. При этом аппаратные прерывания снова окажутся разрешенными.

Эта последовательность описана применительно к обычному контроллеру прерываний (PIC), в системах с APIC меняется способ доставки вектора прерывания от контроллера к процессору, а в прерываниях MSI меняется способ доставки сигнала от устройства к контроллеру APIC. Эти нюансы описаны в последующих разделах.

Общая информация

Мосты PCI (PCI Bridge) — специальные аппаратные средства соединения шин PCI (и PCI-X) между собой и с другими шинами. Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к центру компьютера (системной памяти и процессору). «Почетной обязанностью» главного моста является генерация обращений к конфигурационному пространству под управлением центрального процессора, что позволяет хосту (центральному процессору) выполнять конфигурирование всей подсистемы шин PCI. В системе может быть и несколько главных мостов, что позволяет предоставить высокопроизводительную связь с центром большему числу устройств (число устройств на одной шине ограниченно). Из этих шин одна назначается условно главной (bus 0).

Равноранговые мосты PCI (PeertoPeer Bridge) используются для подключения дополнительных шин PCI. Эти мосты всегда вносят дополнительные накладные расходы на передачу данных, так что эффективная производительность при обмене устройства с центром снижается с каждым встающим на пути мостом.

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). Эти мосты выполняют преобразование интерфейсов соединяемых ими шин, синхронизацию и буферизацию обменов данных.

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 транслирует транзакцию на соответствующую шину и обеспечивает согласование протоколов шин. Таким образом, совокупность мостов PCI выполняет маршрутизацию (routing) обращений по связанным шинам. Если в системе имеется несколько главных мостов, то сквозная маршрутизация между устройствами разных шин может оказаться невозможной: главные мосты друг с другом могут оказаться связанными лишь через магистральные пути контроллера памяти. Поддержка трансляции всех типов транзакций PCI через главные мосты в этом случае оказывается чересчур сложной, а потому спецификацией PCI строго и не требуется. Таким образом, все активные устройства всех шин PCI могут обращаться к системной памяти, но возможность равнорангового общения может оказаться в зависимости от принадлежности этих устройств той или иной шине PCI. 

Применение мостов PCI предоставляет такие возможности, как:

• увеличение возможного числа подключенных устройств, преодолевая ограничения электрических спецификаций шины;
• разделение устройств PCI на сегменты — шины PCI — с различными характеристиками разрядности (32/64 бит), тактовой частоты (33/66/100/133 МГц), протокола (PCI, PC-X Mode 1, PCI-X Mode 2, PCI Express). На каждой шине все абоненты равняются на самого слабого участника; правильная расстановка устройств по шинам позволяет с максимальной эффективностью использовать возможности устройств и системной платы;
• организация сегментов с «горячим» подключением/отключением устройств;
• организация одновременного параллельного выполнения транзакций от инициаторов, расположенных на разных шинах.

Каждый мост PCI соединяет только две шины: первичную (primary bus), находящуюся ближе к вершине иерархии, с вторичной (secondary bus); интерфейсы моста, которыми он связан с этими шинами, называются соответственно первичным и вторичным. Допускается только чисто древовидная конфигурация, то есть две шины соединяются друг с другом лишь одним мостом и нет «петель» из мостов. Шины, подсоединяемые ко вторичному интерфейсу данного моста другими мостами, называются подчиненными (subordinated bus). Мосты PCI образуют иерархию шин PCI, на вершине которой находится главная шина с нулевым номером, подключенная к главному мосту. Если главных мостов несколько, то из их шин (равных друг другу по рангу) условно главной будет шина, которой назначен нулевой номер.

Мост должен выполнять ряд обязательных функций:

• обслуживать шину, подключенную к его вторичному интерфейсу:
•      выполнять арбитраж — прием сигналов запроса REQx# от ведущих устройств шины и предоставление им права на управление шиной сигналами GNTx#
•      парковать шину — подавать сигнал GNTx# какому-то устройству, когда управление шиной не требуется ни одному из задатчиков;
•      генерировать конфигурационные циклы типа 0 с формированием индивидуальных сигналов IDSEL к адресуемому устройству PCI;
•      «подтягивать» управляющие сигналы к высокому уровню;
•      определять возможности подключенных устройств и выбирать удовлетворяющий их режим работы шины (частота, разрядность, протокол);
•      формировать аппаратный сброс (RST#) по сбросу от первичного интерфейса и по команде, сообщая о выбранном режиме специальной сигнализацией.
• поддерживать карты ресурсов, находящихся по разные стороны моста;
• отвечать под видом целевого устройства на транзакции, инициированные мастером на одном интерфейсе и адресованные к ресурсу, находящемся со стороны другого интерфейса; транслировать эти транзакции на другой интерфейс, выступая в роли ведущего устройства (мастера), и передавать их результаты истинному инициатору.

Мосты, выполняющие данные функции, называются прозрачными (transparrent bridge); для работы с устройствами, находящимися за такими мостами, не требуется дополнительных драйверов моста. Именно такие мосты описаны в спецификации PCI Bridge 1.1, и для них, как устройств PCI, есть специальный класс (06). В данном случае подразумевается «плоская» модель адресации ресурсов (памяти и ввода-вывода): каждое устройство имеет свои адреса, уникальные (не пересекающиеся с другими) в пределах данной системы (компьютера).

Существуют и непрозрачные мосты (non-transparrent bridge), которые позволяют организовывать обособленные сегменты со своими локальными адресными пространствами. Непрозрачный мост выполняет трансляцию (преобразование) адресов для транзакций, у которых инициатор и целевое устройство находятся по разные стороны моста. Досягаемыми через такой мост могут быть и не все ресурсы (диапазоны адресов) противоположной стороны. Непрозрачные мосты используются, например, когда в компьютере выделяется подсистема «интеллигентного ввода-вывода» (I20) со своим процессором ввода-вывода и локальным адресным пространством.

Общая информация

В шину PCI изначально 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 ОС; оно ориентировано на технологию PnP. Стандарт PCI определяет для каждой функции 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 командам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым с помощью одного из аппаратно-программных механизмов, описанных далее. 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.

Конфигурационное пространство функции начинается со стандартного заголовка, в котором содержатся идентификаторы производителя, устройства и его класса, а также описание требуемых и занимаемых системных ресурсов. Структура заголовка стандартизована для обычных устройств (тип 0), мостов PCI-PCI (тип 1), мостов PCI-CardBus (тип 2). Тип заголовка определяет расположение общеизвестных регистров и назначение их бит. После заголовка могут располагаться регистры, специфичные для устройства. Для стандартизованных свойств (capability) устройств (например, управления энергопотреблением) в конфигурационном пространстве имеются блоки регистров известного назначения. Эти блоки организуются в цепочки, на первый такой блок есть ссылка в стандартном заголовке (CAP_PTR); в первом же регистре блока есть ссылка на следующий блок (или 0, если данный блок — последний). Таким образом, просмотрев цепочку, конфигурационное ПО получает список всех доступных свойств устройства и их позиций в конфигурационном пространстве функции. В PCI 2.3 определены следующие идентификаторы CAP_ID, часть из которых мы рассмотрим: 

• 01 — управление энергопотреблением;
• 02 — порт AGP;
• 03 — VPD (Vital Product Data), данные, дающие исчерпывающее описание аппаратных (возможно, и программных) свойств устройств;
• 04 — нумерация слотов и шасси;
• 05 — прерывания MSI;
• 06 — Hot Swap, горячее подключение для Compact PCI;
• 07 — протокольные расширения PCI-X;
• 08 — зарезервировано для AMD;
• 09 — на усмотрение производителя (Vendor Specific);
• 0Ah — отладочный порт (Debug Port);
• 0Bh — PCI Hot Plug, стандартное обеспечение «горячего подключения».

В PCI-X для устройств Mode 2 конфигурационное пространство расширено до 4096 байт; в расширенном пространстве могут присутствовать расширенные описания свойств.

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, чтением регистров конфигурационное ПО узнает о потребностях в ресурсах и возможных вариантах конфигурирования устройств. После распределения ресурсов, выполняемого программой конфигурирования (во время теста POST или при загрузке ОС), в конфигурационные регистры устройства записываются параметры конфигурирования (базовые адреса). Только после этого устройствам (точнее, функциям) устанавливаются биты, разрешающие им отвечать на команды обращения к памяти и портам ввода-вывода, а также самим управлять шиной. Для того чтобы всегда можно было найти работоспособную конфигурацию, все ресурсы, занимаемые картами, должны быть перемещаемыми в своих пространствах. Для многофункциональных устройств каждая функция должна иметь собственное конфигурационное пространство. Устройство может одни и те же регистры отображать и на память, и на пространство ввода-вывода. При этом в их конфигурационных регистрах должны присутствовать оба описателя, но драйвер должен использовать только один способ обращения (предпочтительно через память).

В заголовке конфигурационного пространства описываются потребности в адресах трех типов:

• регистры в пространстве ввода-вывода (I/O Space));
• регистры ввода-вывода, отображенные на память (Memory Mapped I/O). Это область памяти, обращения к которой должны производиться в строгом соответствии с тем, что запрашивает инициатор обмена. Обращение к этим регистрам может изменять внутреннее состояние периферийных устройств;
• память, допускающая предвыборку (Prefetchable Memory). Это область памяти, «лишнее» чтение которой (с неиспользуемыми результатами) не приводит к побочным эффектам, все байты считываются независимо от сигналов BE[3:0]#, и записи отдельных байтов мостом могут быть объединены (то есть это память в чистом виде).

Потребности в адресах указываются в регистрах базовых адресов — BAR (Base Address Register). Конфигурирующая программа может определить и 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 вводавывода), 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. Стандартный заголовок вмещает до 6 регистров базового адреса, но при использовании 64-битной адресации число описываемых блоков сокращается. Неиспользуемые регистры BAR при чтении всегда должны возвращать нули.

В PCI имеется поддержка старых (legacy) устройств (VGA, IDE), которые сами себя таковыми объявляют по коду класса в заголовке. Их традиционные (фиксированные) адреса портов не заявляются в конфигурационном пространстве, но как только устанавливается бит разрешения обращения к портам, устройствам разрешается ответ и по этим адресам.