линий IRQ связывается с вектором прерываний, который указывает на программу обработки прерывания. В качестве примера в табл. 3.1 приведены адреса ввода/вывода, IRQ и значения векторов прерываний для нескольких контроллеров IBM PC. В MINIX действуют те же самые значения IRQ но векторы прерываний назначаются другие.

Операционная система обменивается с устройством информацией, записывая команды в регистры контроллера. Контроллер гибкого диска IBM PC воспринимает 15 различных команд, в том числе READ, WRITE, SEEK, FORMAT и CALIBRATE. У многих команд есть параметры, которые также передаются через регистры контроллера. Передав команду контроллеру, процессор может продолжить свою работу. Затем, когда устройство выполнит команду, контроллер инициирует прерывание, чтобы операционная система вновь получила управление и могла бы проверить результаты операции, которые процессор получает, считывая один или несколько байтов из регистров контроллера.

Таблица 3.1. Некоторые контроллеры, их адреса ввода/вывода, IRQ

и векторы прерываний для IBM PC, работающей под управлением MS-DOS

3.1.3. прямой доступ к памяти (DMA)

Многие контроллеры, особенно контроллеры блок-ориентированных устройств, поддерживают прямой доступ к памяти - DMA (Direct Memory Access). Чтобы понять, как работает DMA, познакомимся сначала с тем, как происходит чтение с диска в отсутствие DMA. Сначала контроллер считывает с диска блок (один или несколько секторов) последовательно, бит за битом, пока весь блок не окажется во внутреннем буфере контроллера. Затем контроллер проверяет контрольную сумму, чтобы убедиться, что при чтении не произошло ошибки. После этого контроллер инициирует прерывание. Когда операционная система начинает работу, она может прочитать блок диска побайтно или пословно, в цикле сохраняя считанное слово или байт в оперативной памяти.

Естественно, цикл, байт за байтом считывающий данные с контроллера, расходует процессорное время. Чтобы освободить процессор от низкоуровневой работы, и был изобретен прямой доступ к памяти. При использовании DMA процедура совершенно другая. Сначала центральный процессор программирует DMA-контроллер, устанавливая его регистры и указывая таким образом, какие данные и куда следует переместить (рис. 3.2). Затем процессор дает команду

дисковому контроллеру прочитать данные во внутренний буфер и проверить контрольную сумму. Когда данные получены и проверены контроллером диска, устройство DMA может начинать работу.

Центральный процессор

Память

Контроллер диска

О fliCK

-Буфер

Рэгистрн РМА -Адрес в памяти - Счетчик

Системная шина

Рис. 3.2. Работа DMA-контроллера

DMA-контроллер начинает перенос данных, посылая дисковому контроллеру по шине запрос на чтение. Этот запрос выглядит как обычный запрос чтения, потому контроллер диска даже не знает, поступил ли он от центрального процессора или от контроллера DMA. Обычно адрес памяти уже находится на адресной шине, соответственно, контроллер диска всегда в курсе, куда нужно переслать следующее слово из своего внутреннего буфера. Запись в память является еще одним стандартным циклом шины. Когда запись закончена, контроллер диска также по шине посылает сигнал подтверждения контроллеру DMA. Затем контроллер DMA увеличивает используемый адрес памяти и уменьшает значение счетчика байтов. После этого шаги со 2-го по 4-й повторяются, пока значение счетчика не станет равно нулю. По завершении цикла копирования контроллер DMA инициирует прерывание процессора, сообщая ему таким образом, что перенос данных завершен. Операционной системе не нужно копировать блок диска в память. Он уже находится там.

Как мы уже упоминали, до начала операции прямого доступа к памяти диск предварительно считывает данные в свой внутренний буфер. Возможно, вы задаетесь вопросом, почему контроллер не помещает данные прямо в оперативную память, по мере получения их с диска. Другими словами, зачем ему нужен внутренний буфер? Тому две причины. Во-первых, при помощи внутренней буферизации контроллер диска может проверить контрольную сумму до начала переноса данных в память. Если значения не совпадают, формируется сигнал об ошибке и перенос данных не производится.

Во-вторых, дело в том, что как только началась операция чтения с диска, биты начинают поступать с постоянной скоростью, независимо от того, готов контроллер диска их принимать или нет. Если контроллер диска попытается писать эти данные напрямую в память, ему придется делать это по системной шине. Если при передаче очередного слова шина окажется занятой каким-либо другим устройством (например, использующим ее в пакетном режиме), контроллеру диска придется ждать. Если следующее слово с диска прибудет раньше, чем кон-

троллер успеет сохранить отложенное, контроллер либо потеряет предыдущее слово, либо ему придется запоминать его где-либо еще. Таким образом, необходимость внутренней буферизации становится очевидной. При наличии внутреннего буфера контроллеру диска щина не нужна до тех пор, пока не начнется операция DMA. В результате устройство контроллера диска оказывается проще, так как при операции прямого доступа к памяти параметр времени не является критичным. (Некоторые древние контроллеры действительно напрямую обращались к памяти, обладая внутренним буфером небольшого размера, что часто приводило к ошибкам перегрузки при занятости шины.)

Описанная выше двухэтапная процедура буферизации имеет важные последствия, касающиеся производительности ввода/вывода. Когда данные передаются от контроллера в память самим контроллером или центральным процессором, под дисковой головкой проходит следующий сектор данных, биты которого поступают в контроллер. Простые контроллеры не умели одновременно считывать и передавать данные, и сектор пропускался.

Как следствие, может быть прочитан любой другой сектор, кроме следующего, а для чтения всей дорожки необходимы два полных оборота диска. Если же время, требуемое для передачи сектора данных в память, превышает время считывания сектора, может потребоваться пропуск двух (или более) блоков.

Пропуск блоков с целью дать контроллеру время для передачи данных в память называется чередованием. При этом во время форматирования секторы нумеруются с учетом фактора чередования. На рис. 3.3, а показан диск с восемью секторами без чередования. На рис. 3.3, б вы видите тот же диск с фактором чередования 1. На рис. 3.3, в фактор чередования равен 2.

а б в

Рис. 3.3. а - диск без чередования; б - фактор чередования 1; в - фактор чередования 2

Идея подобной нумерации блоков в том, чтобы позволить системе читать блоки с последовательными номерами и чтобы аппаратное обеспечение работало с максимальной производительностью. Если бы диск был без чередования, а контроллер не справлялся с чтением последовательных блоков, то для полного последовательного считывания всей дорожки потребовалось бы 8 оборотов диска. (Конечно, проблема решаема и программно, но лучше, чтобы об этом заботился контроллер.)

DMA используется не во всех компьютерах. Главный аргумент против прямого доступа к памяти: центральный процессор обычно значительно превосходит DMA-контроллер по скорости и в состоянии выполнить ту же работу