PCI и PCI-X

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.

• Вперёд >