Программная реализация последовательных протоколов ограничивает скорость передачи данных на уровне 50-150 Кбит/с при работе LPT-порта в стандартном режиме. В режиме EPP или ECP можно достичь скорости и 1–2 Мбит/с, но при этом адаптер несколько усложняется (поскольку в этих интерфейсах требуется одновременно принимать и передавать данные). Решить проблему производительности, а заодно и расширить функциональные возможности позволяет использование специализированных интерфейсных адаптеров для шин PCI или ISA, выпускаемых рядом фирм. Есть и внешние устройства с интерфейсами USB или Ethernet. Правда, цена этих адаптеров и устройств существенно отличается от цены простого адаптера, который можно изготовить и самостоятельно.
Глава 12
Архитектурные компоненты IBM PC-совместимого компьютера
Аппаратные интерфейсы, описанные в книге, в IBM-PC-совместимом компьютере «живут» в специфическом архитектурном окружении. Эту специфику приходится учитывать при проектировании аппаратной части устройств, чтобы обеспечить с ними эффективное программное взаимодействие. В этой главе вкратце рассматриваются особенности процессоров x86 и связанные с этими особенностями распределение памяти, организация ввода-вывода и прерываний. Здесь же рассматривается традиционный контроллер DMA, системные средства измерения времени, а также способы внедрения собственных расширений BIOS и нетрадиционной (бездисковой) загрузки ПО в специализированные компьютеры на базе IBM PC.
12.1. Пространство физической памяти
Основную часть физического адресного пространства PC занимает оперативная память (ОЗУ), начинающаяся с нулевого адреса. В нее вклинивается область адресов A0000h-FFFFFh — Upper Memory Area (UMA), 384 Кбайт — верхняя память, зарезервированная со времен IBM PC для системных нужд. В UMA размещаются области буферной памяти адаптеров шины (E)ISA (например, видеопамять) и постоянная память (BIOS с расширениями). ОЗУ продолжается и за областью UMА. Под самой верхней границей физического адресного пространства имеется образ памяти системной ROM BIOS.
Для доступности сервисов BIOS в реальном режиме все ПК имеют образ ROM BIOS в адресах E0000h-FFFFFh или F0000h-0FFFFFh. Кроме того, образ BIOS должен находиться и под самой верхней границей адресного пространства, поскольку все процессоры х86 по аппаратному сбросу стартуют с адреса начала последнего параграфа памяти (FFFF0h — 8086/88, FFFFF0h — 80286 и 386SX, FFFFFFF0h — 386DX и выше с 32-разрядной шиной адреса, FFFFFFFF0h — P6 и выше с 36-разрядной шиной адреса).
Для компьютеров класса АТ-286 и 386SX с 24-битной шиной адреса верхняя граница оперативной памяти — FDFFFFh (максимальный размер 15,9 Мбайт). Область FE0000h-FFFFFFh содержит образ ROM BIOS, обращение к этой области эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0E0000h-0FFFFFh.
Для ПК на процессорах 386DX и выше с 32-битной шиной адреса теоретический предел объема ОЗУ — почти 4 Гбайт, верхний образ BIOS находится в адресах FFFE0000h-FFFFFFFFh. Для ПК на процессорах P6+ с 36-битной шиной адреса предел объема ОЗУ — почти 64 Гбайт и верхний образ BIOS находится в адресах FFFFE0000h-FFFFFFFFFh.
Области физических адресов, не занятые ОЗУ и ROM BIOS, могут быть использованы устройствами шин (E)ISA и PCI (AGP).
Для памяти адаптеров, устанавливаемых в шину ISA, безусловно доступна часть области адресов UMA A0000h-EFFFFh или A0000h-DFFFFh (до начала ROM BIOS). В этой области располагаются и модули расширений BIOS (см. п. 12.7.1). Карты ISA могут иметь память и в области FE0000h-FFFFFFh, но она программно доступна лишь в защищенном (и большом реальном) режимах процессора. Для отображения этой области памяти на шину ISA (а не ОЗУ) в CMOS Setup предусмотрен параметр Memory Hole At 15-16М, но его включение не позволит использовать оперативную память свыше 15 Мбайт.
Поскольку шина ISA имеет 24-разрядную шину адреса, ведущие устройства этих шин (ISA Bus Master) способны обращаться к памяти (ОЗУ и память адаптеров) в пределах первых 16 Мбайт (000000-FFFFFFh). To же ограничение касается и стандартного контроллера DMA, которым могут пользоваться устройства шины ISA (и иные устройства системной платы).
Шина PCI имеет 32-разрядную шину адреса, так что ее ведущим устройствам доступна вся физическая память[5]. Для устройств PCI могут выделяться любые области адресов, свободные от ОЗУ, ROM BIOS и устройств ISA. Области адресов памяти, используемые каждым устройством PCI, описаны в заголовках их конфигурационных пространств. Эти данные требуются при распределении ресурсов и настройке мостов PCI в процессе инициализации шины.
12.2. Пространство ввода-вывода
Пространство ввода-вывода в IBM PC, как и в процессорах х86, отделено от пространства памяти. У всех этих процессоров, в том числе и 32-разрядных, в пространстве ввода-вывода используется 16-разрядная адресация (диапазон адресов 0-FFFFh). Для дешифрации адресов портов в оригинальном PC из 16 бит использовались только младшие 10 (А0-А9), что обеспечивает обращением портам в диапазоне адресов 0-3FFL Старшие биты адреса, хотя и поступают на шину, устройствами игнорируются. В результате обращения по адресам, к примеру 378h, 778h, B78h и F78h, будут восприниматься устройствами одинаково. Это упрощение, нацеленное на снижение стоимости как системной платы, так и схем плат адаптеров, для шины ISA никто не отменял. Традиционные адаптеры для шины ISA, называемые Legacy Card («наследие тяжелого прошлого»), для старших бит адреса не имеют даже печатных ламелей на своем краевом разъеме. Впоследствии перешли к 12-битной адресации устройств шины ISA, но ее приходится применять с оглядкой на возможное присутствие устройств с 10-битной адресацией. В адаптерах для шин MCA и PCI и во всех современных системных платах используются все 16 бит адреса. Карта распределения адресов ввода-вывода стандартных устройств PC приведена в табл. 12.1. Эта карта подразумевает 10-битную дешифрацию адреса. Естественно, что в конкретном компьютере реально присутствуют не все перечисленные устройства, но в то же время там могут оказаться другие, не попавшие в таблицу.
Таблица 12.1. Стандартная карта портов ввода-вывода
| AT и PS/2 | PC/XT | Назначение |
|---|---|---|
| 000-00F | 000-00F | Контроллер DMA #1 8237 |
| 010-01F | PS/2 — расширение DMA#1 | |
| 020-021 | 020-021 | Контроллер прерываний #1 — 8259A |
| 040-05F | 040-043 | Таймер (PC/XT: 8253, AT: 8254) |
| 060 | 060 | Диагностический регистр POST (только запись) |
| 060-063 | Системный интерфейс 8255 | |
| 060, 064 | Контроллер клавиатуры AT 8042 | |
| 061 | Источники NMI и управление звуком | |
| 070-07F | Память CMOS и маска NMI | |
| 080 | Диагностический регистр | |
| 080-08F | 080-083 | Регистры страниц DMA |
| 090-097 | PS/2 микроканал, арбитр | |
| 0А0 | Маска NMI | |
| 0A0-0BF | Контроллер прерываний #2 — 8259A | |
| 0C0-0DF | Контроллер DMA #2 8237A-5 | |
| 0F0-0FF | Сопроцессор 80287 | |
| 100-1EF | PS/2 управление микроканалом | |
| 170-177 | Контроллер НЖМД #2 (IDE#2) | |
| 1F0-1F7 | Контроллер НЖМД #1 (IDE#1) | |
| 200-207 | 200-20F | Игровой адаптер |
| 210-217 | Блок расширений | |
| 238-23F | COM4 | |
| 278-27F | 278-27F | Параллельный порт LPT2 (LPT3 при наличии MDA) |
| 2A2-2A3 | часы MSM48321RS | |
| 2C0-2DF | 2C0-2DF | EGA #2 |
| 2E0-2E7 | COM4 | |
| 2E8-2EF | COM4 | |
| 2F8-2FF | 2F8-2FF | COM2 |
| 300-31F | Плата прототипа | |
| 320-32F | Жесткий диск XT | |
| 338-33F | COM3 | |
| 370-377 | Контроллер НГМД #2 | |
| 376-377 | Порты команд IDE#2 | |
| 378-37F | 378-37F | Параллельный порт LPT1 (LPT2 при наличии MDA) |
| 380-38F | 380-38F | Синхронный адаптер SDLC/BSC #2 |
| 3A0-3AF | 3A0-3A9 | Синхронный адаптер BSC#1 |
| 3B0-3BB | 3B0-3BB | Монохромный адаптер (MDA) |
| 3B4-3C9 | PS/2 видеосистема | |
| 3BC-3BF | 3BC-3BF | Параллельный порт LPT1 платы MDA |
| 3C0-3CF | 3C0-3CF | EGA#1 |
| 3C0-3DF | 3C0-3DF | VGA |
| 3D0-3DF | 3D0-3DF | CGA/EGA |
| 3E0-3E7 | COM3 | |
| 3E8-3EF | COM3 | |
| 3F0-3F7 | 3F0-3F7 | Контроллер НГМД #1 |
| 3F6-3F7 | Порты команд IDE#1 | |
| 3F8-3FF | 3F8-3FF | COM1 |
5
Для пока еще экзотических вариантов системных плат с памятью более 4 Гбайт и 36-разрядной физической адресацией последних моделей процессоров PCI может использовать двухадресные циклы обращения с 64-битным адресом.