введение_1 (1085732), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Следующая команда

3. Возврат

1. Прерывание

2.Отправка на обработку

Обработчик прерываний

Б

Рис. 1.10. Действия, выполняемые при запуске устройства ввода-вывода и получении

прерывания (а); обработка прерывания включает в себя получение прерывания,

переход к обработчику прерываний и возврат к программе пользователя (б)

Прерывания очень важны в работе операционной системы, поэтому рассмот­рим это понятие более внимательно. На рис. 1.10, показан трехшаговый процесс ввода-вывода. На первом шаге драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройства. Затем контроллер запускает устройство. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера пре­рываний, используя определенные провода шины, — это шаг 2. На шаге 3, если контроллер прерываний готов к приему прерывания (а этого может и не быть, если он занят прерыванием более высокого приоритета), то он подает сигнал на оп­ределенный контакт процессора, таким образом информируя центральный процес­сор. На шаге 4 контроллер прерываний выставляет номер устройства на шину так, чтобы центральный процессор мог прочесть его и узнать, какое устройство только что завершило свою работу (ведь в одно и то же время могут работать несколько устройств).

Как только центральный процессор решил принять прерывание, содержимое счетчика команд (PC) и слова состояния процессора (PSW) помещается в теку­щий стек, а процессор переключается в режим работы ядра. Номер устройства мо­жет использоваться как индекс части памяти, служащий для поиска адреса обра­ботчика прерываний данного устройства. Эта часть памяти называется вектором прерываний. Когда обработчик прерываний (это часть драйвера устройства, по­славшего прерывание) начинает свою работу, он удаляет расположенные в стеке счетчик команд и слово состояния процессора, сохраняет их и запрашивает уст­ройство, чтобы получить информацию о его состоянии. После того как обработка прерывания целиком завершена, управление возвращается к работавшей до этого программе пользователя, к той команде, выполнение которой еще не было закон­чено. Описанные шаги показаны на рис. 1.10, б.

Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специ­ального контроллера прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства центрального процессора. Процес­сор вызывает микросхему DMA, говорит ей, сколько байтов нужно передать, со­общает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и по­зволяет дальше действовать ей самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается так же, как было описано выше.

Прерывания часто происходят в очень неподходящие моменты, например во время обработки другого прерывания. По этой причине центральный процессор обладает возможностью запрещать прерывания и разрешать их позже. Пока преры­вания запрещены, все устройства, завершившие работу, продолжают посылать свои сигналы, но работа процессора не прерывается до тех пор, пока прерывания не будут разрешены. Если заканчивают работу сразу несколько устройств в то время, когда прерывания запрещены, контроллер прерываний решает, какое из них должно быть обработано первым, обычно основываясь на статических приоритетах, назна­ченных для каждого устройства. Устройство с высшим приоритетом побеждает.

Шины

Структура, показанная на рис. 1.5, в течение многих лет использовалась на мини-компьютерах, а также на первых моделях IBM PC. Но поскольку процессоры и па­мять стали работать быстрее, возможности одной шины (и, конечно, шины IBM PC) по управлению всей передачей данных достигли своего предела. Нужно было что-то делать. В результате в систему добавились дополнительные шины как для ускорения общения с устройствами ввода-вывода, так и для пересылки данных между процессором и памятью. Вследствие этой эволюции сейчас большая систе­ма Pentium выглядит примерно так, как изображено на рис. 1.11.

У этой системы восемь шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA), каждая со своей скоростью передачи данных и своими функциями. В операционной системе для управления компьютером и его конфи­гурации должны находиться сведения обо всех этих шинах. Две основные шины — это ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитекту-

pa), оригинальная шина компьютера IBM PC, и ее преемник, шина PCI (Peripheral Component Interconnect — интерфейс периферийных устройств). Шина ISA впер­вые появилась на компьютерах IBM PC/AT, она работает на частоте 8,33 МГц и может передавать два байта за такт с максимальной скоростью 16,67 Мбайт/с. Она включена в систему для обратной совместимости со старыми медленными платами ввода-вывода. Шина PCI была создана компанией Intel в качестве пре­емницы шины ISA. Она может работать на частоте 66 МГц и передавать сразу по 8 байт за такт со скоростью 528 Мбайт/с. Сейчас большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода используют шины PCI. Даже некоторые компьютеры с процессорами, отличными от Intel, пользуются шиной PCI, поскольку с ней со­вместимо очень много плат ввода-вывода.

При такой конфигурации центральный процессор по локальной шине переда­ет данные микросхеме PCI-моста, который, в свою очередь, обращается к памяти по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц. Системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и намного больший внешний кэш второго уровня (кэш L2), подключенный к процессору от­дельной шиной кэша.

Шина КЭШа Локальная шина Шина памяти

Кэш L2

CPU

PCI -мост

ОЗУ

PCI -слоты

SCSI

USB

ISA- мост

IDE-диск

Графический адаптер

Монитор

Мышь

Клавиатура

ISA -шина

Модем

Звуковая карта

Принтер

Доступные ISA

слоты

Рис. 1.11. Структура большой системы Pentium

Кроме того, в систему входят три специализированные шины: IDE, USB и SCSI. Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств к системе — дис­ков и устройств для чтения компакт-дисков (CD-ROM). IDE-шина — это потомок интерфейса контроллера диска на PC/AT, и сейчас она входит в стандартный комплект всех систем, основанных на процессорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) была придумана для того, чтобы присоединить к компьютеру все медленные уст­ройства ввода-вывода, такие как клавиатура и мышь. Она использует маленький четырехпроводной разъем, причем два провода поставляют электропитание к USB-устройствам. USB — это централизованная шина, по которой главное устрой­ство каждую миллисекунду опрашивает устройства ввода-вывода, чтобы узнать, есть ли у них данные. Она может управлять загрузкой данных со скоростью 1,5 Мбайт/с. Все USB-устройства используют один драйвер, избавляя нас тем самым от необхо­димости установки новых драйверов для каждого нового USB-устройства. Поэто­му USB-устройства можно присоединять к системе без ее перезагрузки.

SCSI (Small Computer System Interface — системный интерфейс малых компь­ютеров) — это высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способ­ности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh с момента их появления, кроме того, она популярна в UNIX-системах и некоторых системах на базе процессоров Intel.

Есть еще одна шина (не показанная на рис. 1.11), называется IEEE 1394. Иног­да ее также называют FireWire, хотя, строго говоря, FireWire — это название, дан­ное компанией Apple собственной реализации шины 1394. Как и USB, IEEE 1394 является бит-последовательной шиной, но она поддерживает пакетную передачу данных со скоростью, достигающей 50 Мбайт/с. Это ее свойство позволяет под­ключать к компьютеру портативные цифровые видеокамеры и тому подобные мультимедийные устройства. В отличие от USB шина IEEE 1394 не имеет цент­рального контроллера. Шины SCSI и IEEE 1394 конкурируют с разработанной более быстрой версией шины USB.

Работая в окружении, изображенном на рис. 1.11, операционная система долж­на уметь распознавать аппаратные составляющие и уметь их настраивать. Это тре­бование привело компании Intel и Microsoft к разработке системы персонального компьютера, называемой plug and play («включи и работай»). В основе этой сис­темы лежала концепция, близкая к той, что была впервые реализована компанией Apple Macintosh. До появления plug and play каждая плата ввода-вывода имела фиксированные адреса регистров ввода-вывода и уровень запроса прерывания. Например, клавиатура использовала прерывание 1 и адреса в диапазоне от 0x60 до 0x64; контроллер гибкого диска использовал прерывание 6 и адреса от 0x3F0 до 0x3F7; принтер пользовался прерыванием 7 и адресами от 0x378 до 0х37А и т. д.

Все в этой схеме было хорошо до тех пор, пока пользователь не покупал зву­ковую карту и модем, и оказывалось, что оба устройства случайно использовали, скажем, прерывание 4. В таком случае они конфликтовали и не могли работать вместе. Возможным решением было встроить набор DIP-переключателей или джамперов (jumper — перемычка) в каждую плату и объяснить пользователю не­обходимость настройки каждой платы таким образом, чтобы адреса портов и но­мера прерываний различных устройств не конфликтовали друг с другом. Подро­стки, посвятившие свою жизнь изучению тонкостей аппаратуры персонального компьютера, иногда могут сделать это без ошибок. К сожалению, кроме них это практически никому не удавалось, что приводило к полному хаосу.

Стандарт plug and play позволяет системе автоматически собирать информа­цию об устройствах ввода-вывода, централизованно назначать уровни прерыва­ния и адреса ввода-вывода, а затем сообщать каждой плате эту информацию — вот краткое описание процесса. Такая система работает на компьютерах Pentium. Каж­дый компьютер с процессором Pentium содержит материнскую плату (в США бла­годаря успехам борьбы за политическую корректность эту плату теперь решено называть родительской). На материнской плате находится программа, называемая системой BIOS (Basic Input Output System — базовая система ввода-вывода). BIOS содержит программы ввода-вывода низкого уровня, включая процедуры для чтения с клавиатуры, вывода информации на экран, ввода-вывода данных с диска и т. д. В настоящее время эти функции хранятся во флэш-ОЗУ, которая в обыч­ных условиях является неизменяемой, но, если в BIOS нашлись какие-либо ошиб­ки, ее может изменить операционная система.

При начальной загрузке компьютера стартует система BIOS. Сначала она про­веряет количество установленной в системе оперативной памяти, подключены ли клавиатура и другие основные устройства и корректно ли они отзываются. BIOS начинает проверку с шин ISA и PCI, чтобы определить все устройства, присоеди­ненные к ним. Некоторые из этих устройств являются традиционными, их также называют унаследованными (legacy), то есть созданными до изобретения plug and play. Они имеют фиксированные уровни прерывания и адрес порта ввода-вывода (например, заданные с помощью переключателей или перемычек на плате ввода-вывода без возможности их изменения операционной системой). Эти устройства регистрируются. Устройства plug and play тоже регистрируются. Если присутству­ющие устройства отличаются от тех, что были во время последней загрузку, кон­фигурируются новые устройства.

Характеристики

Список файлов книги