PCI и PCI-X

Традиционный контроллер прерываний — PIC

Контроллер прерываний (PIC) 8259A является периферийным устройством, которое связано с процессором через системную шину. По этой шине процессор может обращаться к регистрам контроллера, программируя его режимы и управляя им, а также получать от контроллера 8-битный вектор прерывания, для чего в интерфейсе системной шины процессора имеется специальная команда подтверждения прерывания (INTA). Контроллер 8259A имеет 8 входов запросов от источников и один выход общего запроса. Каждому из входов соответствует свой вектор; программированием регистров контроллера задается номер вектора для входа 0, остальным входам соответствуют последующие номера векторов. Каждый вход может быть программно замаскирован — тогда он не будет вызывать сигнал общего запроса. Контроллер занимает два адреса в пространстве ввода/вывода, программное обращение по этим адресам обеспечивает выполнение следующих функций:

• управление режимами работы контроллера;
• управление приоритетами и масками запросов;
• идентификацию запросов прерывания без вырабатывания общего запроса — обслуживание прерываний по опросу (полинг). 

В контроллере имеется три регистра: IRR, IMR и ISR. С каждым входом запроса в контроллере связано по одному биту каждого из этих регистров; бит 0 каждого из этих регистров относится к входу 0, бит 1 — к входу 1, бит 7 — ко входу 7. Регистры имеют следующие назначения:

• IRR (Interrupt Request Register) — регистр запросов прерываний, в котором бит устанавливается при обнаружении сигнала прерывания на соответствующем входе, независимо от маски;
• IMR (Interrupt Mask Register) — регистр масок прерываний. Единичное значение бита означает замаскированность данного входа — по запросу с замаскированного входа общий запрос прерывания не генерируется;
• ISR (Interrupt Service Register) — регистр обслуживаемого прерывания. Во время цикла подтверждения (INTA) в регистре устанавливается бит, соответствующий наиболее приоритетному запросу и, соответственно, формируемому вектору прерывания. В этот же момент обнуляется соответствующий бит запроса в регистре IRR. Бит в ISR обнуляется по получении контроллером команды EOI, а в режиме автоматического подтверждения (по команде AEOI) он обнуляется сразу после передачи вектора прерывания.

Контроллер прерываний позволяет программировать свои входы на чувствительность к уровню или перепаду сигнала:

• чувствительность к уровню (level sensitive) означает, что контроллер прерываний вырабатывает запрос прерывания процессора по факту обнаружения определенного уровня на входе IRQx. Если к моменту завершения обработки этого запроса (после записи команды EOI в регистр контроллера прерываний) контроллер снова обнаруживает активный уровень на том же входе DRQx, то он снова сформирует запрос на прерывание процессора;
• чувствительность к перепаду (edge sensitive) означает, что контроллер прерываний вырабатывает запрос прерывания процессора только по факту обнаружения перепада (на ISA — положительного) на входе IRQx. Повторно запрос по этому входу возможен только по следующему такому же перепаду, то есть сигнал предварительно должен вернуться в исходное состояние.

В любом случае сигнал запроса аппаратного прерывания IRQx должен удерживаться генерирующей его схемой, по крайней мере, до цикла подтверждения прерывания процессором — именно в этот момент PIC определяет самый приоритетный незамаскированный запрос и по нему формирует вектор. Если к этому моменту запрос будет снят, источник прерывания корректно идентифицирован не будет и контроллер сообщит ложный вектор прерывания (spurious interrupt), соответствующий его входу с максимальным номером (IRQ7 для первого контроллера и IRQ15 для второго). Обычно периферийные устройства строят так, что сигнал запроса сбрасывается при обращении программы обслуживания прерывания к соответствующим регистрам адаптера, так что ложных прерываний возникать не должно.

Стандартный PIC позволяет управлять чувствительностью только для всех входов одновременно. В шине ISA и системной периферии (таймеры, контроллер клавиатуры) прерывание сигнализируется положительным перепадом сигнала на линии запроса, так что традиционно контроллеры PIC программируют на чувствительность к перепаду. Более поздние модификации PIC, применяемые в системах с шиной EISA и ISA с поддержкой PnP, а также новые контроллеры APIC при работе в PIC-совместимом режиме позволяют управлять чувствительностью для каждого входа индивидуально.

Один PIC 8259A позволяет обслуживать 8 запросов прерываний; в PC/AT применяется каскадное соединение двух контроллеров, один из которых является ведущим, другой — ведомым. Ведущий контроллер 8259A#1 обслуживает запросы 0, 1, 3–7; его выход подключается к входу запроса прерываний процессора. К его входу 2 подключен ведомый контроллер 8259A#2, который обслуживает запросы 8–15. При этом поддерживается вложенность приоритетов — запросы 8–15 со своим рядом убывающих приоритетов вклиниваются между запросами 1 и 3 ведущего контроллера, приоритеты запросов которого также убывают с ростом номера. В XT каскадирование не применялось и один контроллер 8259A обслуживал все 8 линий запросов.

Контроллер 8259A позволяет работать с запросами в различных режимах:

• Fully Nested Mode — режим полной вложенности приоритетов; каждому входу (уровню) запросов назначается свой приоритет (самый приоритетный — вход 0). В момент подтверждения прерывания контроллер устанавливает в регистре ISR бит, соответствующий самому приоритетному запросу на данный момент (и переданному вектору прерывания), и до его сброса игнорирует последующие запросы с данного входа и менее приоритетные запросы;
• Special Fully Nested Mode — специальный режим полной вложенности, используемый в ведущем контроллере при каскадном соединении. В этом режиме ведущий контроллер не блокирует запрос от входа, к которому подключен ведомый контроллер. Это позволяет ведомому контроллеру сигнализировать о запросе, более приоритетном, чем предыдущий. В конце процедуры обработки ведомому контроллеру посылается неспецифический EOI, после чего считывается его ISR. Если в ISR ни один бит не установлен, то неспецифический EOI посылается и ведущему контроллеру, что позволит ему обслуживать и менее приоритетные входы. Если же в ISR ведомого контроллера есть ненулевые биты, то ведущий контроллер снова подаст общий запрос прерывания, и на его подтверждение ведомый пошлет соответствующий вектор. Упоминаний о проверке на 0 значения ISR вторичного контроллера до подачи EOI первичному применительно к PC автору не встречалось. Очевидно, что в ней нет необходимости, если не используется ротация приоритетов: если у вторичного контроллера есть еще не обслуженные запросы, то они будут обслужены в соответствии со своим приоритетом (до IRQ3…IRQ7);
• Automatic Rotation Mode — режим автоматической ротации приоритетов позволяет организовать равноприоритетное обслуживание всех запросов. В этом режиме уровень, запрос от которого пошел на обслуживание, получает низший приоритет. Ротация приоритетов организуется подачей команд OCW2 с кодом операции 101 или 100;
• Specific Rotation Mode — режим специфицированной ротации: командой OCW2 с кодом операции 111 или 110 указанному уровню устанавливается низший приоритет;
• Poll Mode — режим опроса, в котором общий запрос INTR не вырабатывается. По команде Poll, посылаемой через OCW3, контроллер фиксирует самый проритетный запрос. Последующее считывание из регистра контроллера даст байт, в котором бит 7 указывает на наличие запроса, а в битах [2:0] содержится номер самого приоритетного запроса;
• Normal EOI — нормальный режим завершения, в котором бит ISR сбрасывается явной командой EOI, посылаемой контроллеру в конце исполнения обработчика прерывания. Обычно используется команда неспецифического EOI (код 20h), по которой сбрасывается бит ISR, соответствующий самому приоритетному из обслуживаемых запросов. Возможна команда и специфического EOI, которая сбрасывает в ISR бит, указанный в данной команде. Бит для замаскированного запроса таким способом сброшен быть не может;
• Auto EOI — автоматическая генерация неспецифического EOI контроллером в конце цикла подтверждения прерывания. Этот режим применим лишь в случаях, когда не требуется поддержка вложенности прерываний, и только для ведущего контроллера.

Контроллер 8259A своими 8-битными регистрами приписывается к пространству ввода/вывода и занимает 2 смежных адреса. Обмен с регистрами контроллеров должен производиться только однобайтными операциями ввода/вывода. В современных PC-совместимых компьютерах контроллеры имеют и дополнительные регистры (ELCR). Положение регистров в пространстве ввода/вывода приведено в таблице ниже.

Адрес 8259A#1	Адрес  8259A#2	Назначение	Тип
020h	0A0h	Подача команд ICW1, OCW2, OCW3	WO
		Чтение регистров IRR, ISR или данных полинга (в зависимости от OCW3)	RO
021h	0A1h	Подача команд ICW2, ICW3, ICW4, OCW1	WO
		Обращение к регистру IMR	RW
4D0h	4D1h	Обращение к регистру ELCR	RW

Контроллер имеет два режима работы: режим инициализации и операционный. После сброса контроллер инициализируется последовательностью команд ICW1– ICW4 (Initialization Command Words) длиной до 4 байт, после чего переходит в операционный режим. В операционном режиме (Operation Mode)контроллер воспринимает команды управления OCW1–OCW3 (Operation Control Words). В операционном режиме он может быть и реинициализирован, признаком начала инициализации является единичное значение бита 4 в байте, записываемом по адресу 020h (0A0h). Назначение команд и регистров контроллера прерываний приведено ниже

Команда инициализации ICW1 (запись по адресу 020h или 0A0h) служит для конфигурирования контроллера:

• биты [7:5]: 0 (в PC не используются);
• бит 4:1 — признак команды инициализации (в командах управления он нулевой);
• бит 3 — чувствительность линий запроса: 0 — прерывание по перепаду, 1 — прерывание по уровню. В современных контроллерах игнорируется, в них используется отдельный регистр ELCR, управляющий чувствительностью каждого из входов;
• бит 2 = 0 (в PC не используется);
• бит 1:0 — каскадное включение пары контроллеров, 1 — одиночный контроллер;
• бит 0:1 — признак использования ICW4.

Команда инициализации ICW2 (запись по адресу 021h или 0A1h) задает номер вектора, генерируемого данным контроллером для входа 0. Биты [2:0] должны иметь нулевые значения.

Команда инициализации ICW3 (запись по адресу 021h или 0A1h) используется только для каскадного включения:

• для ведущего контроллера (Master, 8259A#1) биты [0:7] указывают на наличие ведомых контроллеров на линиях IRQ0–IRQ7 соответственно. В AT ICW3 = 04h (ведомый на IRQ2);
• для ведомого контроллера (Slave, 8259A#2) биты [2:0] содержат номер входа ведущего контроллера, к которому он подключен, биты [7:3] сброшены. В AT ICW3 = 02h (подключен к IRQ2 ведущего).

Команда инициализации ICW4 (запись по адресу 021h или 0A1h) задает режим работы контроллера, его применение обязательно при начальной инициализации:

• биты [7:5]: 0 — не используются;
• бит 4 — SFNM (Special Fully Nested Mode): 1 — специальный режим полной вложенности разрешен, 0 — запрещен;
• бит 3 — BUF (Buffered): 1 — признак буферизованности шины;
• бит 2 — M/S (Master/Slave), положение в каскаде: 1 — ведущий, 0 — ведомый. В современных контроллерах не используется (сброшен);
• бит 1 — AEOI (Auto End Of Interrupt): 1 — разрешение автоматического завершения прерывания, 0 — нормальный режим (требует подачи EOI);
• бит 0 — тип используемого процессора: 1 — 8086/8088 и далее, 0 — 8080.

Команда управления OCW1 (запись по адресу 021h или 0A1h) задает маски запросов, единичное значение бита означает маскирование запроса. Биты [0:7]определяют маски запросов для IRQ0–IRQ7 (8259#1) или IRQ8–IRQ15 (8259#2).

Команда управления OCW2 (запись по адресу 020h или 0A0h) — завершение обслуживания прерывания (команда EOI), управление приоритетом:

• биты [7:5] задают код операции (в операциях, помеченных звездочкой, используется поле LLL в битах 2–0):
•       -001 — неспецифический EOI;
•       -011* — специфический EOI для запроса LLL;
•       -101 — неспецифический EOI с ротацией приоритета;
•       -100 — установка ротации приоритета в режиме AEOI;
•       -000 — сброс ротации приоритета в режиме AEOI;
•       -111* — специфический EOI с ротацией приоритета (установкой низшего приоритета для заданного уровня);
•       -110* — установка низшего приоритета для заданного уровня;
•       -010 — нет операции.
• биты [4:3]: 00 — признак OCW2;
• биты [2:0] — поле LLL — номер уровня, к которому относится команда (только для команд, помеченных звездочкой).

Команда управления OCW3 (запись по адресу 020h или 0A0h) — оперативное управление контроллером:

• бит 7:0 — не используется;
• биты [6:5] — режим специального маскирования (в PC не используется): 11 — установить, 10 — сбросить, 00, 01 — не изменять;
• биты [4:3]: 01 — признак OCW3;
• бит 2 — признак команды опроса (полинга). После команды полинга на последующую команду чтения порта 020h или 0A0h контроллер ответит байтом, кодирующим запрос прерывания с максимальным приоритетом. Для PC полинг обычно не используется (бит 2 — нулевой), а контроллер передает вектор прерывания по команде INTA;
• биты [1:0] — управление чтением регистров при операциях ввода по адресу 020h или 0A0h:
•       -10 — чтение IRR — регистра запросов;
•       -11 — чтение ISR — регистра обслуживаемого прерывания;
•       -00, 01 — не изменять выбор регистра.

Регистры ELCR, имеющиеся в современных компьютерах, позволяют селективно управлять чувствительностью входов. В этих регистрах каждый бит отвечает за режим своего входа запроса: 0 — чувствительность к положительному перепаду, 1 — чувствительность к высокому уровню. Для входов IRQ0, 1, 2, 8 и 13 (таймер, клавиатура, вторичный контроллер прерываний, часы и исключение сопроцессора), допускается чувствительность только к перепаду (соответствующие биты должны быть нулевыми, но чипсет может их и игнорировать). Линии запросов прерывания от PCI по пути ко входам инвертируются, так как на них запрос сигнализируется низким уровнем.

В IBM PC/XT/AT используется специальный режим вложенных прерываний с фиксированным приоритетом и автоматическим неспецифическим завершением; типовые байты инициализации и управления приведены в следующей таблице. После инициализации (процедурой POST и при загрузке ОС) все неиспользуемые входы контроллеров замаскированы (на запросы прерываний реагировать не будут), а их векторы прерываний указывают на «заглушку» — процедуру с единственной инструкцией IRET. Для подключения обработчика прерывания от устройства первым делом следует загрузить обработчик в память и установить указатель на него в таблице прерываний. Далее следует размаскировать соответствующий ему вход в контроллере прерываний, для чего выполняется чтение регистра маски (адрес 21h для 8259A#1, A1h для 8259A#2), обнуление соответствующего бита и запись в регистр нового значения маски. Если обработчик прерывания удаляется из памяти, предварительно должен быть замаскирован соответствующий ему вход контроллера. Все изменения в таблице прерываний должны выполняться при замаскированных прерываниях, чтобы избежать попытки использования вектора в процессе его модификации (это приведет к «вылету» программы — вызову по некорректному адресу).
 

Каждая процедура обработки аппаратного прерывания должна завершаться командой неспецифического EOI — посылкой OCW2 = 20h контроллеру:

Байт	8259A#1	8259A#2
ICW1	10h	10h
ICW2	08h	70h
ICW3	04h	02h
ICW4	1Fh	1Bh
OCW3	0Ah	0Ah

 

На современных системных платах функции контроллеров прерываний возлагаются на чипсет, который может иметь и более гибкие возможности управления, чем пара контроллеров 8259A. Процедура инициализации контроллеров может и отличаться от традиционной, но ею занимается тест POST, который «знает» особенности системной платы. Однако в операционном режиме всегда сохраняется программная совместимость с 8259A.

• < Назад
• Вперёд >