Betriebssysteme (BS) PC Bussysteme. Überblick. und deren Programmierung. PCI-basierte PC Systeme. alias Betriebssystembau (BSB)

Transkript

1 Betriebssysteme (BS) alias Betriebssystembau (BSB) PC Bussysteme und deren Programmierung Überblick Rückblick Bussysteme im PC Bus aus Sicht des Betriebssystems Initialisierung, BIOS,... Erweiterungen und Nachfolger AGP -X Express Zusammenfassung BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk Rückblick Bussysteme im PC seit es PCs gibt wurden die Anforderungen an den Systembus kontinuierlich größer: Bussystem PC ISA VLB MCA EISA CPUs ab 8088 ab 86 ab 386 ab 386 ab 386 ab 486 typischer Takt 4,7 MHz 8 MHz 5-50 MHz 0-5 Mhz 8,33 MHz 5-33 MHz Multi-Master nein nein ja (Version ) ja ja ja Busbreite 8 Bit 6 Bit 3/64 Bit 3 Bit 3 Bit 3 Bit -basierte PC Systeme typische Architektur der ersten Systeme: Die North entkoppelt und Bus. Einheiten und CPU können so parallel arbeiten. Die Verbindung zwischen North und South wurde später durch etwas schnelleres ersetzt. Data CPU Bus (Control, Address, Data) Addr nd level Cache Ctrl Tag Ctrl North Addr Ctrl Bus (Control, Address/Data) Data Hauptspeicher Adressraum MB 6 MB 4 GB 4 GB 4 GB 4 GB Transferrate MB/s 4-5 MB/s 40/64 MB/s 40 MB/s 33 MB/s 3 MB/s Durch die s werden ISA und transparent in einem System integriert. Audio IDE South ISA Bus ISA s s BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 3 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 4

2 die wichtigsten Daten Version.0 der Spezifikation von Intel (99) seit 993 kommen die Spezifikationen von der SIG 3/64 Bit, gemultiplexter Adress-/Datenbus im Burst Modus max. 3 MB/s bzw. 64 MB/s CPU-Typ unabhängig gibt es auch in Sparc, Alpha, ARM und PowerPC Systemen 4 Interruptleitungen (INTA-D) Skalierbarkeit durch s und Multifunktionseinheiten Multi-Master Fähigkeit (besser als der klassische DMA) Schema zur Erkennung und Konfigurierung von Geräten (Ressourcenzuweisung) BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 5 Interaktion mit Geräten Gerätetreiber BIOS Speicheradressraum 0xFFFFFFFF 0x I/O-Adressraum 0xFFFFFFFF (0xFFFF beim PC) 0x Konfigurationsadressraum 0:.0 0:. 0:.0 Geräte BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 6 Der Konfigurationsadressraum () beim PC wird der Konfigurationsadressraum indirekt über I/O-Ports angesprochen: ECD reserviert 0xcf8 0xcfc Bus CONFIG_ADDRESS 3 Bit CONFIG_DATA 3 Bit E inheit Fkt. Einblendung des Konfigurationsregisters im I/O Adressraum Register Index BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 7 Typ Initialisierung Geräteauswahl 64 Byte Header 9 Bytes frei verfügbar für Einheit 56 Byte Konfigurationsraum Der Konfigurationsadressraum () Format des 64 Byte Headers: Die Einheiten-ID 0xffff bedeutet 'nicht vorhanden' Am Header Bit 7= kann man Multifunktionseinheiten erkennen BIST erlaubt einen Selbsttest des Geräts x00 Einheiten-ID Hersteller-ID 0x04 Status Befehl 0x08 Klassencode Revision 0x0c BIST Header Latenz CLG 0x0 0x4 0x8 0xc 0x0 Basisadressregister 0x4 0x8 reserviert oder Card Bus CIS Pointer 0xc reserviert oder Subsystem Ids 0x30 Erweiterungs-ROM Basisadresse 0x34 reserviert oder Capabilities Pointer 0x38 reserviert 0x3c MaxLat MinGNT INT-Pin INT-Leit. Die Einheiten-ID und Revision identifizieren das Gerät eindeutig. Hersteller-ID und Klassencode sind Zusatzinformationen. Mit dem Befehl lässt sich das Gerät aktivieren und deaktivieren. Hier wird festgelegt, welche Adressbereiche die Einheit belegt. Gleichzeitig erfährt das System, wie groß der benötigte Adressraum ist. BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 8

3 Initialisierung bevor Geräte durch ihre Gerätetreiber angesprochen werden können, muss folgendes erfolgt sein: Konfigurierung der Basisadressregister der Geräte Konfigurierung der -s Speicherfensterregister hängt von den Geräten unterhalb ab! Busnummern (Primary, Secondary, Subordinate). Schritt: Suche nach Bussen zunächst ist nur bekannt, dass es eine - und gibt. Subordinate ist die Nummer des letzten Busses unterhalb (downstream) der Das BIOS bzw. Betriebssystem muss die Busstruktur schrittweise erforschen und initialisieren bereits belegte Busnummern und Adressbereiche dürfen auf keinen Fall doppelt vergeben werden! BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 9 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 0. Schritt: Suche nach Bussen Die Geräte an werden gefunden. Die wird initialisiert. Temporär wird die Subordinate Nummer auf 0xff gesetzt.. Schritt: Suche nach Bussen Die Geräte an Bus werden gefunden. Die wird initialisiert. Temporär wird die Subordinate Nummer auf 0xff gesetzt. Secondary Bus = Secondary Bus = Bus Bus BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk

4 . Schritt: Suche nach Bussen Secondary Bus = Die Geräte an Bus werden gefunden. Da es keine weitere gibt, kann die Subordinate Nummer entgültig auf gesetzt werden.. Schritt: Suche nach Bussen Secondary Bus = Es wird an Bus mit 3 weiter gemacht. Der neue Bus bekommt die nächste Nummer (3). Die Subordinate Nummer wird temporär auf 0xff gesetzt. Bus Bus Subordinate = 3 Secondary Bus = 3 Subordinate = Bus Bus 3 Bus BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 3 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 4. Schritt: Suche nach Bussen Bus Secondary Bus = An Bus 3 gibt es eine weitere (4). Sie wird initialisiert und Bus 4 wird untersucht.. Schritt: Suche nach Bussen Abgeschlossen! Ab jetzt kann der komplette Konfigurations- Adressraum angesprochen werden. Bus Secondary Bus = Subordinate = 4 Da keine weiteren Busse exisitieren, können die Subordinate Nummern jetzt endgültig gesetzt werden. 3 Secondary Bus = 3 Subordinate = 3 Secondary Bus = 3 Subordinate = 4 Subordinate = Bus 3 Bus Bus 3 Bus 4 Primary Bus = 3 Secondary Bus = 4 Bus 4 4 Primary Bus = 3 Secondary Bus = 4 Subordinate = 4 Bus 4 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 5 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 6

5 Algorithmus:. Schritt: Ausrichtung der aktuellen I/O und Zuweisung der Speicheradressen auf die nächste Adressen 4K bzw. M Grenze für jedes Gerät des akt. Busses (in aufsteigender Reihenfolge der I/O Speicher-Anforderungen): Reservierung der I/O und Speicheradressen Aktualisierung der globalen I/O und Speicherzeiger Initialisierung und Aktivierung des Geräts rekursive Anwendung des Algorithmus für alle angeschlossenen s Ausrichtung der resultierenden Adressen (wie oben) Programmierung und Aktivierung der BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 7 Das BIOS Überblick Festlegung durch SIG (993, Vorlage von Intel 99) auf PCs normalerweise vorhanden, bei anderen Rechnertypen eher selten anzutreffen konfiguriert die s und Geräte beim Systemstart minimal, falls ein "Plug&Play Betriebssystem" installiert ist sonst komplett nach dem Booten erlaubt das BIOS... die Suche von Geräten nach Geräteklasse oder Typ den Zugriff auf den Konfigurationsadressraum der Zugriff erfolgt über... den BIOS Interrupt 0xa (Real Mode) das "BIOS3 Service Directory" (Protected Mode) BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 8 Das BIOS im Protected Mode das BIOS3 Service Directory erlaubt (im Prinzip) den Zugriff auf beliebige BIOS Komponenten es liegt irgendwo im Bereich von 0xE0000-0xFFFFF Offset Größe Beschreibung 0x00 4 Bytes Signatur "_3_" 0x04 4 Bytes physikalische Einstiegsadresse (für call) 0x08 Byte BIOS3 Version (0) 0x09 Byte Länge der Datenstruktur / 6 () 0x0a Byte Prüfsumme 0x0b 5 Byte reserviert (0) mit dem BIOS3 Service kann man testen, ob ein BIOS vorhanden ist. BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 9 Das BIOS Funktionsumfang folgende Funktionen umfasst das -BIOS laut Spezifikation: Funktionsname Argumente Resultate BIOS Present - ja/nein, letzte Busnr., Init.-Mechanismus Find ID, Vendor ID, Index Bus/Dev./Func. Nr. Find Class Code Class Code, Index Bus/Dev./Func. Nr. Generate Special Cycle Bus Nr. - Get Interrupt Routing Opt. Pufferspeicher Routing Möglichkeiten Bus Nr., Nr., Set Hardware Interrupt Int.-Pin, Int.-Nr. - Read Configuration gelesenes Bus/Dev./Func./Reg. Nr. Write Configuration Bus/Dev./Func./Reg. Nr., zu schreibendes BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 0 -

6 AGP Hardware Accellerated Graphics Port (997) schnelle : Anbindung einer (3D) Graphikkarte (theoretische) N x 66 MB/s Transferrate für AGP x, x, 4x,... AGP-Karte Texturdaten Graphik- Chip Z-Buffer Frame-B. Textur-B. CPU Chipset AGP - Bus (Control, Address/Data) Audio IDE -ISA ISA s Hauptspeicher s ISA Bus BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk AGP Initialisierung AGP Karte und präsentieren sich im System wie eine -to- und ein normales Gerät volle Software-Kompatibilität spezielle AGP Register lassen sich über die Capability Liste im Konfigurationsraum ansprechen: Neben den AGP Erweiterungen werden wird die Capability Liste z.b. auch für Power Management verwendet. Status Bit 4 Capability Pointer Befehl Major Minor next ID=0x0 AGP Status Register AGP Command Register... optionale AGP Register weitere Capability Register NULL 0x04 0x34 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk ID Über die AGP Status und Befehlsregister kann man hauptsächlich die AGP Version und Zeitparameter abfragen und setzen. Die optionalen AGP Register sind leider je nach Kartentyp unterschiedlich belegt. -X (extended) Erweiterung des Busses (999) von der Special Interest Group (SIG) im 3.0 Standard festgeschrieben erlaubt eine größere Bandbreite bei voller Kompatibilität der -X Bus benutzt den Arbeitsmodus des langsamsten Geräts Express... hat technisch wenig mit dem Bus zu tun bidirektionale, serielle Punkt-zu-Punkt Verbindungen Bandbreite pro Lane je Richtung: 5 MB/s, 8GB/s bei x6! ein typisches PC System mit Express Geräten (i95) -Kartentyp (konventionell) -X Bus-Frequenz 33 MHz 33 MHz 66 MHz 66 MHz 33 MHz Spannung 5 V 3,3 V/univ. 3,3 V/univ. 3,3 V/univ. 3,3 V/univ. Mainboard 33 MHz 33 MHz 33 MHz 33 MHz 33 MHz 33 MHz 66 MHz - 33 MHz 66 MHz 33/66 MHz 33/66 MHz -X 66 MHz - 33 MHz 33/66 MHz 66 MHz 66 MHz -X 00 MHz - 33 MHz 33/66 MHz 66 MHz 00 MHz -X 33 MHz - 33 MHz 33/66 MHz 66 MHz 33 MHz neben der Takterhöhung gibt es auch Split Transactions zugänglich wiederum über die Capabilities Liste BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 3 BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 4

7 Zusammenfassung im Bereich der PC Bussysteme dominiert seit Jahren die neuesten Entwicklungen ( Express) haben kaum noch Ähnlichkeit mit dem Bus von 99 serielle Punkt-zu-Punkt Verbindungen und Switches neben den physikalischen Eigenschaften definiert auch ein Programmiermodell I/O- und Speicheradressräume Konfigurierung und Initialisierung über Konfigurationsadressraum Bus-Hierarchien auch die neuesten Entwicklungen sind auf der Ebene des Programmiermodells zu kompatibel BSB 007 Wolfgang Schröder-Preikschat, Olaf Spinczyk 5