Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия
Шрифт:
Таблица 12.4. Регистры контроллера DMA 8237A
| 8237#1 | 8237#2 | R/W, Назначение регистров |
|---|---|---|
| 000, 002, 004, 006 | 0C0, 0C4, 0C8, 0CC | W — регистры начального адреса для каналов 0–3 (8237#1) и 4–7 (8237#2). R — регистры текущего адреса тех же каналов |
| 001, 003, 005, 007 | 0С2, 0C6, 0CA, 0СЕ | W — начальное значение счетчика передач для каналов 0–3 (8237#1) и 4–7 (8237#2). R — текущее значение счетчика передач тех же каналов |
| 008 | 0D0 | W, Command Register — конфигуратор контроллера. Бит 7: 1 — активный уровень (DACK# — высокий, 0 — низкий); бит 6: 1 — активный уровень (DRQ — низкий, 0 — высокий); бит 5: 1 — режим расширенной записи (должен быть 0); бит 4: 0 — фиксированный приоритет, 1 — циклический; бит 3: 1 — укороченный цикл обмена (должен быть 0); бит 2: 1 — запрет работы контроллера; бит 1: 1 — фиксация
|
| 008 | 0D0 | R, Status Register — состояние каналов. Биты 4–7: запросы каналов 0–3; биты 0–3: завершение цикла каналов 0-3 |
| 009 | 0D2 | W, Request Register — регистр программных запросов. Биты 7–3 не используются; бит 2: 1 — установка, 0 — сброс бита запроса; биты 1–0: выбор канала (00 — 0; 01 — 1; 10 — 2; 11 — 3) |
| 00А | 0D4 | W, Single Mask Bit Register — управление масками. Биты 7–3 не используются; бит 2:1 — установка, 0 — сброс бита маски; биты 1–0: выбор канала (00 — 0; 01 — 1; 10 — 2; 11 — 3) |
| 00B | 0D6 | W, Mode Register — режимы работы каналов. Биты 7–6: режим передачи (00 — по запросу, 01 — одиночный, 10 — блочный, 11 — каскадирование); бит 5: 0 — инкремент, 1 — декремент адреса; бит 4: 1 — разрешение автоматической реинициализации |
| 00B | 0D6 | Биты 3–2; тип передачи (00 — холостой, проверка канала, 01 — запись в память, 10 — чтение памяти, 11 — недопустимо); биты 1–0: выбор канала (00 — 0; 01 — 1; 10 — 2; 11 — 3) |
| 00C | 0D8 | W, Clear Byte Pointer Flip/Flop — сброс триггера младшего/старшего байта |
| 00D | 0DA | W, Master Clear — общий сброс 8237 (вывод любого байта в регистр вызывает сброс) |
| 00E | 0DC | W, Clear Mask Register — общий сброс масок всех каналов (вывод любого байта в регистр вызывает сброс) |
| 00F | 0DE | W, All Mask Register Bits — регистр масок всех каналов. Биты 0–3: маски каналов 0–3 (0 — канал разрешен, 1 — замаскирован); биты 4–7 не используются |
Программирование контроллера для каждого канала определяет начальный адрес, направление его модификации (инкремент/декремент), количество пересылаемых байт (слов), режим работы канала. Регистры адреса контроллеров 8237A — 16-разрядные, и для расширения разрядности адреса для каждого канала имеются специальные регистры страниц (DMA page register), внешние по отношению к контроллерам 8237A. В отличие от адресных регистров контроллера 8237A регистры страниц при выполнении циклов DMA не модифицируются — в них по команде процессора до начала обмена по каналу загружается требуемое значение. В PC/AT регистры страниц хранят биты A[23:16] для 8-битных каналов и A[23:17] — для 16-битных. В PC/XT регистры страниц хранили только 4 бита A[19:16]. Контроллер 16-битных каналов подключен к шине адреса со смещением на 1 бит, так что линией А0 он не управляет. При передаче по 16-битным каналам всегда А0=0 (передачи слов по четным адресам). Счетчики циклов каналов — 16-разрядные, что позволяет передавать блоки до 64 К байт (для 8-битных каналов) или слов (для 16-битных каналов). При инициализации в счетчик загружается число, на единицу меньшее требуемого числа циклов, так что FFFF соответствует 65 534 передачам (216). В последнем цикле передачи (когда счетчик отсчитает требуемое количество циклов) контроллер вырабатывает сигнал завершения
При достижении регистром-счетчиком адреса значения FFFFh следующее его значение будет 0000h, а внешний регистр адреса страницы, естественно, останется неизменным. Таким образом, если блок начинается не с границы 64 Кбайт страницы памяти, возможно его «сворачивание» в кольцо. Но если для процессоров 80x86 в реальном режиме сегменты, также «сворачиваемые» в кольца, могут начинаться с адреса любого 16-байтного параграфа (границы кратны 10h), то при прямом доступе эти границы кратны 10000h. Этот эффект обязательно необходимо учитывать при программировании прямого доступа — блок, пересекающий данную границу, должен пересылаться за два сеанса циклов DMA, между которыми канал (включая и регистр страниц) должен быть реинициализирован. Эффект «сворачивания» сегментов в 16-битных каналах аналогичен, только для каналов. 5–7 эти «кольца» имеют размер 64 Кбайт слов и границы, кратные 20000h.
Разрядность передаваемых данных по каналу DMA должна соответствовать типу канала — 16-битный канал всегда пересылает данные словами, и расщепление их на одиночные байты невозможно.
Каждый канал может работать в одном из трех логических режимов.
♦ Режим одиночной передачи (single transfer mode) — получив подтверждение
♦ Режим блочной передачи (block transfer mode) — получив подтверждение
♦ Режим передачи по запросу (demand transfer mode) — получив подтверждение
Используя DMA в режимах, отличных от одиночного, следует соблюдать осторожность, чтобы длительность непрерывной передачи не превышала 15 мкс.
Стандартный контроллер DMA на шине ISA с частотой 8 МГц работает на половинной частоте и требует для одиночной передачи не менее пяти своих тактов. Длительность одиночного цикла составляет 1,125 мкс. В блочных передачах пропускная способность DMA достигает 1 Мбайт/с для 8-битных каналов и 2 Мбайт/с для 16-битных (время цикла составляет 1 мкс). На современных компьютерах контроллер DMA реализуется чипсетом системной платы; при сохранении программной совместимости с 8237А он может работать на шине гораздо быстрее. Количество тактов шины на один цикл может программироваться опциями BIOS Setup.
12.5. Процессоры х86
Все программы в IBM PC-совместимом компьютере исполняются центральным процессором, принадлежащим к семейству х86. Любое устройство для процессора представляет собой лишь набор регистров (ячеек), отображенных в пространство памяти и (или) ввода-вывода, и необязательно источник аппаратных прерываний. Современные процессоры х86, работающие в защищенном режиме, имеют довольно сложные механизмы виртуализации памяти, ввода-вывода и прерываний, из-за которых приходится различать физические и логические пространства (адреса памяти и ввода-вывода) и события (операции ввода-вывода, прерывания). Физический адрес ячейки памяти или порта ввода- вывода — это адрес, формируемый для обращения к данной ячейке на физических шинах компьютера (системной шине процессора, шине PCI, ISA). Логический адрес — это тот адрес, который формируется исполняемой программой (по замыслу программиста) для доступа к требуемой ячейке. Физическая операция ввода-вывода или обращения к памяти — это процесс (шинный цикл), во время которого генерируются электрические сигналы, обеспечивающие доступ к данной ячейке (порту). Логическая операция — это исполнение программной инструкции (команды) обращения к интересующей ячейке. Логическая операция не всегда порождает ожидаемую физическую операцию: при определенных условиях она может блокироваться средствами защиты процессора, вызывая даже принудительное завершение программы, или же эмулироваться, создавая иллюзию физического исполнения.
Безопасность в защищенном режиме базируется на 4-уровневой системе привилегий. В большинстве современных ОС ради упрощения и экономии процессорного времени используются только два крайних уровня — нулевой (supervisor), с неограниченными возможностями, и третий (user), с самыми жесткими ограничениями. Смена уровней привилегий при исполнении программы занимает много тактов процессора, но это вынужденная плата за реализацию защиты, без которой устойчивую ОС не построить. Более подробно механизмы защиты и виртуализации памяти, ввода-вывода и прерываний в процессорах х86 описаны в литературе [6, 7], здесь же изложены лишь некоторые прикладные аспекты их работы.
12.5.1. Возможности адресации памяти процессорами различных поколений
Сложность обращения к памяти в PC обусловлена свойствами процессоров х86 разных поколений и требованием обратной совместимости новых процессоров и компьютеров со старым ПО.
Процессорам 8086/88 было доступно адресное пространство 1 Мбайт с диапазоном адресов 0-FFFFFh, причем физический 20-битный адрес вычислялся с помощью двух 16-битных компонентов по формуле
В процессоре 80286 шина физического адреса была расширена до 24 бит, и введен новый режим работы — защищенный (Protected Mode), в котором программа может обращаться к 16-мегабайтному пространству физической памяти через логическое пространство виртуальной памяти. Здесь виртуальная память строилась на основе той же сегментной модели памяти с 16-разрядными регистрами. Физический адрес формировался суммированием 16-разрядного исполнительного адреса (смещения внутри сегмента) с 24-разрядным базовым адресом сегмента.