3.3.8. Системные ресурсы.

Для нормального функционирования системного блока и периферийных устройств, подключенных к PC, необходимо корректно разделять имеющиеся общие системные ресурсы, основными из которых являются:

• линии запросов на прерывание (IRQ);
• каналы прямого доступа к памяти (DMA);
• базовые адреса портов ввода/вывода.

Некорректное использование одновременно этих ресурсов ведет к конфликтам, в результате которых устройства либо не будут работать вообще, либо будут вести себя непредсказуемо. Эти конфликты могут быть успешно устранены только путем грамотной настройки программно-аппаратных средств. Эту процедуру обычно называют конфигурированием.

3.3.8.1. Система прерываний

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts).

Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущие действия и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре.

Без прерываний было бы очень трудно обеспечить эффективную работу компьютера. С одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой; с другой стороны, необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Каждому компоненту компьютера, которому может потребоваться запросить внимание процессора, выделяется особый номер прерывания. Например, клавиатура имеет свой номер прерывания, поэтому при нажатии клавиши процессор "узнает" об этом. Номера прерываний имеют также дисковые накопители и принтеры. Накопители на дисках с помощью прерываний сообщают об окончании запрошенной программной операции, а принтеры сигнализируют об отсутствии бумаги или о готовности печатать следующий символ.

В IBM PC-совместимых компьютерах имеется два вида прерываний: аппаратные (Hardware interrupts) и программные (Software interrupts). К аппаратным относятся, в первую очередь, прерывания, встроенные в процессор - прерывания при делении на ноль, прерывания при аварии питания и т. п. К аппаратным также относятся прерывания, с помощью которых процессору сообщается об аппаратных событиях, например, уже упомянутых отсутствии бумаги в принтере или окончании дисковой операции.

С помощью прерываний прикладные программы могут выполнять операции, запрограммированные в операционной системе, ROM BIOS или в других сервисных программах. Отметим, что аппаратное прерывание может получить управление и при выполнении программного прерывания. Программные прерывания действуют практически так же, как и аппаратные, и отличаются только источником прерывания.

Аппаратные прерывания работают следующим образом. Когда какому-либо устройству требуется участие процессора (например, когда на клавиатуре нажата клавиша), оно посылает особый сигнал - запрос на прерывание. Получив такой запрос, процессор прекращает выполнять текущую последовательность команд, а вместо нее начинает выполнять другую последовательность, соответствующую данному прерыванию (в нашем примере - передает код нажатой клавиши работающей программе).

Для простой и эффективной локализации процедуры обслуживания прерываний служит таблица векторов прерываний, содержащаяся в первых ячейках памяти компьютера. Вектор - это полный адрес памяти (4 байта) той процедуры, которая вызывается при появлении запроса на прерывание. Таким образом, в таблице векторов прерываний в ячейках памяти с 0 по 3 находится адрес программы обработки прерывания с номером 0, в ячейках памяти с 4 по 7 - адрес программы обработки с номером 1 и т. д.

В IBM PC-совместимых компьютерах управление аппаратными прерываниями осуществляется специальными микросхемами - контроллерами прерываний. Как уже отмечалось, на современных материнских платах контроллеры прерываний интегрированы в микросхему контроллера периферии Chipset.

В PC XT с восьмиразрядной шиной ISA имелось только 8 внешних аппаратных прерываний. В PC AT с процессором 80286 количество линий прерываний было увеличено вдвое благодаря использованию уже двух контроллеров прерываний.

Каждый из контроллеров имеет по 8 входных линий для приема запросов на прерывание. Линии запроса на прерывание называются IRQ (Interrupt-Requests). Прерывания, используемые вторым контроллером, подаются на неиспользованный вход IRQ 2 первого.

Каждая линия имеет свой приоритет. Наивысший приоритет соответствует линии IRQ 0. Отметим, что контроллеры прерываний включены таким образом, что линии IRQ 8-IRQ 15 имеют приоритет ниже приоритета линии IRQ 2, но выше IRQ 3. Каждой линии IRQ соответствует вектор прерываний, указывающий местонахождение процедуры обслуживания запроса на прерывание в ROM BIOS. Линиям IRQ I - IRQ 7 соответствуют векторы прерываний от 8Н до OFH, а линиям IRQ 8- IRQ 15 - векторы от 70Н до 77Н.

Часть линий прерываний резервируется системой, а часть может быть предоставлена для использования дополнительным оборудованием, необходимым пользователю. Так, например, IRQ 13 отводится для математического сопроцессора и оно не может быть использовано другим устройством, даже если математический сопроцессор не установлен. Обычно для IBM PC-совместимых компьютеров свободны IRQ3. IRQ 5, IRQ 7, IRQ 10, IRQ 11 и IRQ 12.

3.3.8.2. Прямой доступ к памяти

Передача данных в режиме прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA) требуется при обмене данными между оперативной памятью и высокоскоростными устройствами. В режиме прямого доступа периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно через каналы прямого доступа (каналы DMA), a не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективным такой режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с компакт-диска). Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы. Так, устройство, требующее прямой доступ к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к контроллеру, сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, начальный адрес блока данных и объем данных (рис. 5.19). Инициализация обмена происходит с участием процессора, но собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а не процессора.

Для организации прямого доступа в память в компьютерах IBM PC/XT использовалась одна 4-канальная микросхема DMA 18237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно. Доступным является только канал DMA 1. IBM PC/AT -совместимые компьютеры имеют уже 7 каналов прямого доступа к памяти. Как и для контроллеров прерываний , это достигается путем каскадного включения двух микросхем i8237, интегрированных в микросхему контроллера периферии; одна из линий (канал DMA 4) используется для подключения каналов DMA 0 - DMA 3.

Из всех каналов DMA стандартно задействован только канал DMA 2 для обмена данными с дисководом гибких дисков. Каналы DMA 1 и DMA 2 обычно используются звуковыми картами. Один канал DMA может использоваться различными устройствами, но не одновременно, например, канал DMA 1 - для звуковой карты и стримера. Однако в этом случае вы не сможете одновременно слушать музыку и записывать данные на ленту.

3.3.8.3. Порты ввода/вывода

В PC любое устройство (контроллеры, установленные на картах расширения или на материнской плате) за исключением оперативной памяти рассматривается центральным процессором как периферийное.

Обмен данными между CPU и периферийными устройствами осуществляется через так называемые порты ввода/вывода. Конструктивно порт ввода/вывода - это буферное устройство или регистр контроллера, процессора обработки сигналов и т. п., которые непосредственно подключены к шине ввода/вывода PC.

Для управления обменом данными между аппаратными компонентами компьютера каждому порту ввода/вывода присваивается свой уникальный шестнадцатеричный номер (адрес порта), например 2F8h, 370h. Можно провести аналогию с почтой: чтобы письмо попало по назначению, на конверте должен быть правильно указан адрес получателя. Напомним - символ "h" (hex) означает, что адрес указывается в шестнадцатеричной системе исчисления.

В IBM-совместимых PC можно адресовать (использовать) 65 536 (216) портов ввода/вывода (хотя большинство из них, как правило, не используется). Причем адресное пространство портов ввода/вывода не совпадает с адресным пространством памяти, что дает возможность иметь полный объем памяти и полный набор портов ввода/вывода. Стандартный диапазон адресов портов ввода/вывода для IBM PC-совместимых компьютеров составляет О-3FFH включительно, хотя реально можно использовать адреса вплоть до FFFFh (например, порты процессора WT-синтеза звуковой карты (см. главу 14) имеют адреса в диапазоне 620h-E23h). Сюда входят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров EGA/VGA, звуковых карт, последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другого периферийного оборудования.

Отметим, что периферийными устройствами могут использоваться несколько портов ввода/вывода. Иногда их количество может достигать нескольких десятков. Например, контроллер параллельного интерфейса, к которому обычно подключается принтер, имеет три регистра: регистр вывода данных, регистр состояния и регистр управления, адресуемые через свои порты ввода/вывода, а контроллер последовательного интерфейса - десять регистров, адресуемых через семь портов ввода/вывода.

Естественно, адресация портов осуществляется центральным процессором при выполнении той или иной программы. Для того чтобы исключить необходимость указания конкретного адреса каждого порта ввода/вывода при программировании, а также для оперативного их изменения в зависимости от конкретной конфигурации компьютера, существует понятие базовый адрес порта ввода/вывода (Base Address Input/Output).

Базовый адрес порта ввода/вывода присваивается каждому периферийному устройству и соответствует младшему адресу из группы портов (обычно адресу порта регистра данных). Адресация остальных портов периферийного устройства осуществляется путем задания смещения (целое число) относительно базового адреса. Например, для адресации порта регистра состояния контроллера параллельного интерфейса необходимо значение базового адреса порта LPT увеличить на единицу.

Следует помнить, что под базовым адресом ввода/вывода любого периферийного устройства понимается весь диапазон адресов портов ввода/вывода. BIOS резервирует ряд диапазонов адресов портов ввода/вывода стандартных аппаратных компонентов PC, которые не могут быть использованы другими периферийными устройствами.

Например, под интерфейс LPT1 резервируется диапазон адресов 378h-37Eh, в пределах которого можно выбирать базовый адрес порта ввода/вывода. Тогда будет исключена возможность конфликтов при адресации портов на аппаратно-программном уровне. Поскольку для управления и контроля LPT1 используются три регистра, в пределах этого диапазона адресов имеется 5 возможных значений базового адреса - 378h-37Ch. Диапазон адресов 200h-207h зарезервирован под игровой порт для джойстика, хотя фактически из восьми адресов обычно используется только один - 200h или 20In. Подобная ситуация наблюдается и для других устройств.

К сожалению, на практике стандартные адреса портов и прерывания используются не всеми изготовителями аппаратного обеспечения так, как было описано. Тем не менее, вы можете самостоятельно сконфигурировать плату расширения, чтобы это не привело к конфликту между двумя прерываниями или даже адресами портов.