Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Глава 4. Взаимодействие программ с периферийными устройствами
Средства взаимодействия программ (задач) с ПУ. Открытая архитектура PC предрасполагает к широкому использованию различ ных адаптеров расширения, подключаемых к стандартным внешним интерфей сам или устанавливаемых в слоты шин PCI, AGP, PC Card, MCA и другие. Чаще всего программы с адаптерами общаются через инструкции обращения к памяти и портам ввода-вывода, используя такие системные ресурсы как прерывания, прямой доступ к памяти и непосредственное управление шиной. Общение через область памяти, к кото рой приписан адаптер, для нестандартных адаптеров ISA применяется редко, поскольку карта распределения памяти забита (и перегорожена) довольно плот но. Однако для устройств PCI рекомендуется общение через память, и в специ фикацию PCI заложены требования по полной перемещаемости ресурсов, зани маемых любым устройством. Эта рекомендация вытекает из архитектурных осо бенностей процессоров х86, у которых существует множество способов адреса ции к памяти и только два (непосредственный и косвенный) — к портам ввода-вывода. Поэтому драйверы, ориентированные на перемещаемость ресурсов, по лучаются более эффективными при отображении всех регистров ввода-вывода на па мять (memory mapped I/O). Кроме того, пространство памяти гораздо простор нее — 4 Гбайт против 64 Кбайт, «перегороженных» вдоль и поперек традицион ными регистрами PC-совместимых компьютеров.
4.1. Методы передачи данных
Для передачи данных между программой и устройством применяют разные ме тоды:
программно-управляемый обмен;
программированный ввод-вывод;
обмен по каналу прямого доступа к памяти (ПДП / DMA);
обмен в режиме прямого управления шиной.
Первые два метода (программно-управляемый обмен и программированный ввод-вывод) позволяют программе непосредственно обмениваться дан ными с устройством — все данные во время обмена с устройством проходят через процессор.
В двух последних (обмен по каналу DMA и обмен в режиме прямого управления шиной) обмен с устройством происходит асинхронно по отношению к исполняемой программе, которая получает и передает данные только через буферы, расположенные в оперативной памяти компьютера. Выбор метода передачи данных определяется в основном требованиями к пропускной способности, времени отклика на события, происходящим в адаптере, и допус тимой загрузкой процессора.
Программно-управляемый обмен подразумевает последовательность следую щих шагов.
1. Операцию чтения регистра состояния устройства для анализа его готов ности.
2. Ожидание готовности (зацикливание предыдущего шага).
3. Собственно обмен байтом или словом данных.
Такой обмен сильно загружает процессор, особенно если программа формиру ет и управляющие сигналы обмена. Например, так работает драйвер параллельно го порта в стандартном режиме, когда строб данных формируется двумя инструк циями OUT. В результате предел пропускной способности такого порта, в зависимо сти от производительности процессора, может быть порядка 150 Кбайт/с. Если процессор разгрузить от анализа готовности и формирования строба, как, напри мер, в ЕРР1-режиме параллельного порта, то производительность пор та можно повысить на порядок. Однако такой режим обмена программно-управ ляемым называть уже некорректно — это уже режим программною ввода-вывода с аппаратным контролем потока, где темп обмена определяет подключенное уст ройство.
Режим программного обмена РIO (Programmed Input/Output), пересылающий блок байтов, слов или двойных слов между памятью и портом ввода-вывода, построен на инструкциях блочной пересылки REP INS/OUTS. Для этих инструкций задается начальный адрес памяти, длина блока, адрес порта и направление изме нения адреса памяти (инкремент или декремент). Инструкции блочной пересылки (и обмен РIO) появились с процессорами 80286. Пересылки выполняются быст ро, скорость передачи определяется производительностью (частотой) процессо ра и шины. Обмен в режиме РIO успешно применяется и для обмена с устрой ствами ATA (IDE), причем в машинах AT он выполняется быстрее, чем по стан дартному каналу DMA. Поскольку полную скорость РIO периферийные устрой ства воспринять обычно не могут, контроллер интерфейса, аппаратно вводя так ты ожидания, «притормаживает» обмен до разумных скоростей, определяемых режимом обмена. Для устройств АТА определены 5 режимов, называемых РIO Mode, со скоростями обмена от 3,3 (РIO Mode 0) до 22,2 Мбайт/с (РIO Mode 4). В режимах 0, 1 и 2 синхронизация с устройством не предусмат ривается — считается, что оно должно успевать. В режимах с большими номера ми используется сигнал готовности от устройства, по которому могут быть вве дены дополнительные такты ожидания. Для устройств АТА режим РIO задается при инициализации контроллера интерфейса АТА и согласуется с возможностя ми устройств.
Обмен по прямому доступу к памяти (DMA) почти не загружает процессор - выполняемые им инструкции ввода-вывода относятся лишь к анализу состояния и инициализации канала DMA, но не к самой передаче данных. Время от клика на одиночный запрос, когда контроллер «заряжен» на обмен, не превыша ет сотен наносекунд. Однако скорость стандартного канала DMA ограничена зна чением 2 или 4 Мбайта в секунду, в зависимости от разрядности канала.
Обмен в режиме прямого управления шиной (bus mastering) выполняется по инициативе и под управлением относительно интеллектуального контроллера, здесь центральный процессор загружается в наименьшей степени (занимается только шина). Производительность в режимах прямого управления шиной обычно выше, чем у стандартных каналов DMA. Контроллер с прямым управлением мо жет для подключаемого периферийного устройства эмулировать обмен в режи ме DMA, но более эффективном, чем стандартные каналы, что и делается в со временных контроллерах ATA (IDE). Прогрессивные режимы DMA обеспечива ют более высокие скорости обмена — широко используется Ultra DMA/66, UltraDMA/100. Эти режимы поддерживают скорость обмена до 66 и даже 100 Мбайт/с.
4.2. Способы инициализации и синхронизации потока данных
Рассмотрим способы инициализации и синхронизации потока данных.
Способ обменом по опросу готовности. Инициатором обмена может высту пать как программа, так и периферийное устройство. Программа ожидает како го-либо события в устройстве (например, установки бита готовности), периоди чески читая его регистр состояния. Такой способ называется обменом по опросу готовности. Время реакции на события может быть сведено до долей микросе кунды, когда программа активно занимается опросом устройства в монопольном режиме. Однако при этом во время ожидания события процессор загружен бесполезной работой.
Способ с использованием аппаратных прерываний. Другой подход — использование аппаратных прерываний, вырабатываемых устройством по событиям, требующим взаимодей ствия с программой. Программные обработчики аппаратных прерываний обыч но инициализируют любой из вышеперечисленных способов блочного обмена или выполняют одиночную операцию пересылки. Время реакции на запрос пре рывания зависит от множества факторов, в том числе и от режима работы про цессора. В защищенном режиме прерывание приводит к автоматическому сохра нению контекста процессора в стеке и переключению задач. Эти действия связа ны с интенсивным обменом с памятью, так что время отклика на прерывание может достигать десятков микросекунд. А если в переключении задействована и виртуальная память, то счет пойдет на десятки и сотни миллисекунд. В реаль ном режиме процессора ответ на прерывание может быть получен за единицы (и даже доли) микросекунд.
Способ опроса готовности ряда устройств по периодическим прерываниям. Возможно и комплексное решение — полинг (polling) — опрос готовности ряда устройств по периодическим прерываниям, например от системного таймера. Устройство, для которого обнаружена готовность, обслуживается, не готовое — пропускается до следующего прерывания. При этом процессор не выполняет многочисленных и возможно бесполезных циклов опроса готовности, а может заниматься другими задачами. Правда, накладные расходы на обслуживание пре рываний остаются, а максимальное время реакции на событие не может быть меньшим, чем период прерываний от таймера. Так, например, работает утилита фоновой печати PRINT. Она не использует аппаратное прерывание от LPT-пopта (хотя могла бы), а работает по таймеру.
Активное использование прерываний характерно лишь для многозадачных операционных систем.
4.3. Буферизация данных в устройствах
Каждое устройство имеет свою специфику характера обмена данными, опреде ляемую природой его внешней (по отношению к компьютеру) стороны. По ха рактеру обмена устройства можно разделить на три основных типа.
Блочные устройства, например, дисковые накопители. Обмен с ними воз можен только блоками фиксированного размера — секторами. При обмене с физическим диском (например, через контроллер НГМД) нельзя оста навливаться посреди передачи блока.
Поточные устройства, примерами которых являются принтеры и сканеры. Принтеру посылают поток данных, которые он по мере своих электроме ханических способностей выводит в виде изображения на бумагу. Поток можно приостановить в любой момент, а затем продолжить передачу без всяких побочных эффектов.
Регистро-ориентированные устройства, которые, как правило, не являют ся источниками или приемниками большого объема данных. Программам обычно требуется знать текущее состояние данных устройств или (и) фор мировать текущие управляющие воздействия. Пример регистро-ориентированного устройства — джойстик: программа в определенные моменты опрашивает текущее состояние кнопок и координатных датчиков. Регистро-ориентированными, как правило, являются различные устройства со пряжения с технологическим оборудованием, компьютеризированные из мерительные комплексы и т. п.
Во многих устройствах присутствует смесь этих основных типов, так, даже принтер имеет и регистро-ориентированную часть — кроме приема потока он передает сигналы текущего состояния (ошибка, конец бумаги).
Буферизации данных внутри устройств. Для того чтобы обеспечить некоторую свободу программ, обслуживающих устройства, относительно процессов формирования (потребления) данных уст ройствами, применяют различные способы буферизации данных внутри устройств или их контроллеров. Буфер представляет собой набор внутренних ячеек памя ти с определенными правилами доступа как со стороны устройства, так и со сто роны компьютерного ядра. Размер буфера и дисциплина его обслуживания выбираются, исходя из технических (скорость и объем информации, допусти мые задержки) и экономических (цена) соображений.
Для блочных устройств обычно применяют буфер, минимальный размер ко торого равен размеру блока. Так, первые устройства IDE/ATA имели буфер 512 байт — на один сектор диска. Буфер поначалу был однопортовым: при чте нии с диска встроенный контроллер сначала заполнял буфер данными сектора, и только после этого данные из буфера могли быть считаны в память компьютерa. Позже размер буфера увеличили до объема нескольких секторов и стали при менять двухпортовый буфер, который допускает практически одновременное об ращение с двух сторон (портов) — со стороны устройства (обмен с носителем) и со стороны интерфейса (обмен по шине АТА). При считывании последователь ности секторов как только очередной сектор целиком попадает в буфер и схемы контроля сообщают об отсутствии ошибок, контроллер диска может выдавать данные этого сектора на внешний интерфейс, а сам тем временем продолжать считывание последующих секторов в оставшуюся часть буфера. Более «умный» контроллер может использовать кольцевой буфер, продолжая считывание секто ров с носителя в освободившееся (считанное по внешнему интерфейсу) начало буфера. Однопортовый буфер большого размера оказывается неэффективным, поскольку при длинных операциях он вносит большую задержку доставки дан ных. Двухпортовость позволяет уменьшить задержку, а кольцевая организация делает буфер практически безразмерным (при условии своевременного освобож дения).
Адаптеры локальных сетей тяготеют к блочным устройствам — они передают данные целыми пакетами, которые должны приниматься и посылаться с опреде ленной скоростью (10, 100 или 1000 Мбит/с для трех поколений Ethernet). Для них объем и организация буфера зависят от скорости среды передачи и произво дительности интерфейса (шины расширения), к которой они подключены2. Эти буфе ры могли также быть однопортовыми или двухпортовыми со всеми вышеопи санными свойствами. Однопортовые буферы приводят к задержкам передачи на время приема целого кадра, что сказывается на увеличении времени отклика сети3.
Для потоковых устройств часто применяют буфер с дисциплиной обслужива ния FIFO (First In — First Out, первым вошел — первым вышел). Размер такого буфера, как правило, невелик (например. 16 байт). Буфер ставится между программой (выполняемой задачей) и устройством, с одной стороны он наполняется, с противоположной — освобождается. Освобождающая сторона может извлекать данные из буфера, лишь когда наполняющая сторона их туда положит. Попытка извлечения данных из пустого буфера является ошибкой опустошения (underflow), попытка помеще ния в заполненный — ошибкой переполните (overflow). Схема управления буфера следит за степенью наполненности буфера и сообщает программе о критических ситуа циях. Когда программа, исполняемая процессором, выводит данные через FIFO, схема управления следит за снижением наполненности буфера ниже порога опустошения и в случае такового сигнализирует (обычно прерыванием) о необ ходимости вывода следующей порции данных. Схема управления также препятствует пере полнению, отвергая попытки записи лишних данных и немедленно сообщая об ошибке (обычно через соответствующий программно-читаемый бит состояния). При вводе данных через буфер FIFO его схема управления следит за наличием свободного места в буфере и при превышении порот заполнения также сигнализирует пре рыванием. Аналогично, она не позволяет считать данные из пустого буфера и сообщает об этом соответствующим битом. Также схема управления буфера должна позволять его очищать по инициативе процессора, сообщать о количестве (или хотя бы о наличии) данных в буфере по запросу процессора. Управляемость порогов позволяет программе в зависимости от внешнего темпа обмена данными, воз можностей и текущей загруженности компьютера выбрать оптимальный режим обмена, позволяющий и не «суетиться по мелочам», и не допускать переполне ний/опустошений буфера. У двунаправленных устройств, как правило, имеется пара FIFO-буферов (для полного дуплекса), для симплексных устройств доста точно одного. Например, в контроллере НГМД (хотя это и блочное устройство, но медленное) имеется один переключаемый буфер. Буферы FIFO применяются в СОМ-портах, LPT-портах и ряде других потоковых узлов ком пьютера. Без FIFO-буферов, например, невозможен фоновый обмен данными с модемами на скоростях выше 19,2 Кбит/с. Буферная память принтеров также является буфером FIFO, правда, не очень гибким и «общительным» (о степени своей наполненности по стандартному интерфейсу он не сообщает).
Буферы современных устройств внешней памяти имеют более сложную орга низацию, обеспечивающую кэширование данных: однако и они используют вы шеописанные принципы организации. Однопортовые буферы большого объема, как уже говорилось, могут вносить заметную задержку. Для потоковых примене ний (например, для воспроизведения мультимедийных файлов) эта задержка обычно не очень существенна и на производительность не влияет. Однако для приложений «петлеобразного» характера, когда буфер оказывается в цепочке за прос-ответ, его задержка может приводить к снижению производительности. Так, например, передача данных по сети обычно представляет собой последователь ность кадров данных, на каждый из которых передающая сторона ожидает кадр подтверждения. Если каждый кадр будет «просиживать» в буфере, естественно, производительность снизится. От этой беды спасает метод «скользящего окна», при котором передающая сторона допускает некоторое отставание приема под тверждений. Примерно та же идея используется и в синхронном режиме переда чи на шине SCSI.
1 EPP - быстродействующий параллельный порт
2 Мак симальный размер пакета (кадра) для Ethernet — около 1,5 Кбайт (для техноло гий TokenRing и FDDI гораздо больше). Сетевые карты Ethernet на 10 Мбит для шин ISA/EISA имели буфер по крайней мере на один кадр, а полнодуплекс ные — на два. Значительно более эффективными были карты с большим объе мом буфера (так, карты ЗС509В были гораздо «шустрее», чем ЗС509).
3 Для 100-мегабитных (Fast Ethernet) карт PCI с прямым управлением шиной ока залось возможным использование всего пары 64-байтных буферов (по одному на прием и передачу, для полного дуплекса). Каждый буфер поделен пополам, и половинки чередуются (ping-pong buffer): при приеме пакета из сети сначала заполняется первая половина, затем вторая. Как только первая половина запол нится, карта запрашивает управление шиной и, как только его получает, выгру жает (сама) данные из этой половинки в память. Как только заполнится вторая половина, карта переключится на заполнение первой (уже свободной) и даст следующий запрос на управление для выгрузки второй половины. По мере при ема кадра эта «игра в пинг-понг» продолжается; передача кадра выглядит анало гично. Такое упрощение организации (это технически проще обеспечения двух-портотвого доступа к локальной памяти) стало возможным благодаря высокой пропускной способности шины и гарантированному времени предоставления доступа к шине (см. п. 12.5.3). Однако для карт Gigabit Ethernet этот вариант уже не проходит, и на них устанавливают буферы на полный кадр.