Михаил Гук - Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

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.

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.

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 Addr= Seg×16 + Offset, где Seg— содержимое сегментного регистра ( CS, DS, SSили ES), a Offset— исполнительный адрес, формируемый из одного или нескольких слагаемых в соответствии с выбранным режимом адресации. Эта сегментная модель адресации позволяет программам оперировать с непрерывными блоками памяти (сегментами) размером не более 64 Кбайт. Для манипуляций с памятью большего размера требовалось переключение сегментов с помощью специальных инструкций процессора, что усложняло программирование. Заметим, что при Seg= FFFFh и Offset= FFFFh данная формула дает адрес 10FFEFh, но ввиду 20-битного ограничения на шину адреса эта комбинация в физической памяти указывает на 0FFEFh. Таким образом, адресное пространство как бы сворачивается в кольцо с небольшим «нахлестом».

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.

Кроме защищенного режима, в процессоре 80286 имеется и реальный режим, в котором процессор ведет себя почти так же, как и 8086 (но более быстрый). Здесь физический адрес вычисляется так же, как и в 8086/88, но из-за ошибки разработчиков та самая единица в бите A20, которая отбрасывалась в процессорах 8086/88, теперь попадает на шину адреса, и в результате максимально доступный физический адрес в реальном режиме достиг 10FFEFh. Для обеспечения полной совместимости с процессором 8086/88 в схему PC ввели вентиль линии A20 шины адреса — GateA20 , который либо пропускает сигнал от процессора, либо принудительно обнуляет линию A20 системной шины адреса. Этот вентиль должен быть открыт при работе в защищенном режиме, а также когда в реальном режиме нужны дополнительные (64 К-16) байт памяти. Вентиль управляется через контроллер клавиатуры (см. п. 8.1.2) или иным специфическим способом.

В 32-разрядных процессорах , начиная с 80386, сохранена та же идея обращения к памяти с участием сегментных регистров (16-разрядных), но регистры процессора, участвующие в формировании адреса, позволяют адресовать уже 2³² = 4 Гбайт памяти в каждом сегменте. Базовый адрес сегмента берется из специальных структур данных — дескрипторов сегментов . Кроме базового адреса в дескрипторе описывается его лимит (длина), назначение (код или данные), возможность записи и чтения, а также уровень привилегий программы, позволяющий обращаться к данному сегменту. Дескрипторы предварительно программно формируются в памяти, где их наборы хранятся в виде таблиц дескрипторов. Процессор имеет средства защиты памяти, контролирующие использование сегментов. Программа может обращаться лишь к тем сегментам памяти, описание которых имеется в доступных дескрипторах. Виртуальное адресное пространство, доступное программе, имеет объем до (16 К-2) сегментов (число возможных дескрипторов), каждый из которых может иметь размер до 4 Гбайт. Дескриптор выбирается с помощью селектора , загружаемого в сегментный регистр ( CS, DS, SS, ES, FSили GS). Однако это виртуальное адресное пространство отображается блоком сегментации в логическое адресное пространство с опять-таки 32-разрядным линейным адресом, то есть объемом 4 Гбайт. По замыслу разработчиков процессора, это отображение с подкачкой требуемых сегментов с диска и выгрузкой неиспользуемых должно выполняться диспетчером виртуальной памяти операционной системы. Практически такая виртуализация применялась на процессорах 80286 (с 16-разрядными регистрами), поскольку иных механизмов не существовало.