Linux Kernel (Ядро линукса) (часть 2)

Архитектура ввода/вывода

Чтобы компьютер работал как требуется, необходимо наличие путей, по которым информация курсирует между центральным процессором, оператив
ной памятью и некоторым количеством устройств ввода/вывода, подключенных к компьютеру. Эти пути прохождения данных, называемые шинами, являются главными коммуникационными каналами внутри компьютера.

У любого компьютера имеется системная шина, которая соединяет большинство внутренних аппаратных устройств. Типичной системной шиной является PCI (Peripheral Component Interconnect, Взаимосвязь периферийных компонентов). На практике применяются и другие виды шин, например, ISA, EISA, MCA, SCSI и USB. Как правило, в компьютере присутствует несколько шин различных типов, связанных друг с другом с помощью аппаратных устройств, называемых мостами. Две высокоскоростные шины предназначены для передачи данных между элементами памяти: процессорная шина (Frontside Bus, FSB) соединяет процессор с контроллером ОЗУ, а дополнительная шина плана (Backside Bus) соединяет процессор непосредственно с внешним аппаратным кэшем. Главный мост соединяет системную шину с процессорной шиной.

Любое устройство ввода/вывода управляется одной и только одной шиной. Тип шины влияет на внутреннюю конструкцию устройства ввода/вывода и на то, как к устройству обращается ядро. В этом разделе мы обсудим функциональные характеристики, общие для всех архитектур ПК, не углубляясь в детали, присущие конкретным типам шин.

Путь прохождения данных от ЦП до устройства ввода/вывода обычно называется шиной ввода/вывода. В микропроцессорах 80 х 86 шестнадцать адресных контактов используются для адресации устройств ввода/вывода, а 8, 16 или 32 контакта данных — для передачи данных. Со своей стороны, шина
ввода/вывода соединена с каждым устройством ввода/вывода с помощью иерархически организованной структуры, состоящей из трех элементов: портов ввода/вывода, интерфейсов и контроллера.

Каждое устройство, соединенное с шиной ввода/вывода, имеет собственный набор адресов, называемых портами ввода/вывода. В архитектуре IBM PC адресное пространство ввода/вывода включает в себя до 65 536 8-битовых портов ввода/вывода. Два соседних 8-битовых порта можно считать одним 16-битовым портом, который должен начинаться с четного адреса. Аналогично, два соседних 16-битовых порта можно считать одним 32-битовым портом, который должен начинаться с адреса, кратного четырем. Специальные команды ассемблера, in, ins, out и outs, позволяют центральному процессору считывать данные с порта ввода/вывода и записывать их в порт. Выполняя одну из этих команд, процессор выбирает нужный порт и пересылает данные между своим регистром и портом.

Порты ввода/вывода могут быть отображены в адреса физического адресного пространства. После этого процессор может общаться с устройством ввода/вывода при помощи команд, работающих непосредственно с памятью (таких как mov, and, or и т. д.). Современные устройства лучше подходят для от- браженного ввода/вывода, поскольку он выполняется быстрее и может сочетаться с DM А-доступом.

Одной из важных целей, стоящих перед разработчиками систем, является создание унифицированного подхода к программированию ввода/вывода без понижения производительности. Стремясь к этому, они разделяют порты ввода/вывода на несколько специализированных регистров, как показано на рис. 13.2. Процессор пишет команды, которые следует отправить устройству, в управляющий регистр устройства. Значение, показывающее внутреннее
состояние устройства, процессор считывает с регистра состояния устройства. Кроме того, процессор получает данные от устройства, считывая байты с входного регистра, а передает данные устройству, записывая байты в выходной регистр.

Для уменьшения затрат один и тот же порт ввода/вывода часто используется для разных целей. Например, некоторые биты описывают состояние устройства, а другие— команду, выдаваемую устройству. Кроме того, порт ввода/вывода может служить и входным, и выходным регистром.