Интерфейс игровых устройств — Game-порт

 

Игровые устройства — джойстик, руль и педали автомобиля или иные — вырабатывают некоторые аналоговые и дискретные сигналы, которые можно ввести в компьютер. С самых первых моделей IBM PC был введен и фактически стандартизован интерфейс игрового адаптера — Game port, к которому можно подключить до двух джойстиков или иных устройств. Суммарно на порте доступно 4 координатных датчика (X1, X2, Y1 и Y2), изменяющих сопротивление, и 4 дискретных входа для кнопок управления. Назначение координатных датчиков зависит от игры и конструкции манипулятора. Для авиасимуляторов X1 может соответствовать перемещению рукоятки вверх-вниз, Y1 — влево-вправо, X2 — нажатие левой и правой педалей, Y2 — рукоятка сектора газа. Для автомобильных рулей X1 — руль, Y1 — газ, X2 — тормоз (газ и тормоз могут быть совмещены в координате Y1). Кроме игровых целей порт может применяться и для подключения «серьезных» датчиков.

Современные игровые устройства имеют свой интеллект (микроконтроллер) и подключаются к компьютеру цифровым интерфейсом — по шине USB или через СОМ-порт. Их функциональные возможности богаче, они позволяют устанавливать и двустороннюю связь с игроком (вводить механические воздействия).

Адаптер Game-порта имеет в пространстве ввода-вывода один регистр с адресом 201h, биты которого при чтении отображают состояние кнопок и компараторов аналоговых сигналов. Ввод дискретных сигналов от кнопок пояснений не требует. Упрощенная схема одного канала аналогового ввода приведена на рис. 8.19. В начале преобразования конденсатор разряжается через ключ, после чего начинается его заряд, скорость которого определяется величиной сопротивления датчика (чем больше сопротивление, тем медленнее заряд). Напряжение на конденсаторе контролируется компаратором, который срабатывает по достижении определенного уровня. Выходы компараторов всех четырех каналов преобразования, как и дискретные входы, собираются в регистр (см. ниже), который может быть программно считан. Преобразование выполняется чисто программно и начинается по выводу любого байта в регистр адаптера (201h), при этом биты 0–3 устанавливаются в единицу. Далее программа циклически выполняет чтение регистра адаптера и измеряет время до возврата в нулевое состояние бит 0–3, соответствующих четырем аналоговым каналам. Если аналоговый вход закорочен на шину GND или цепь измеряемого сопротивления разорвана, соответствующий бит не обнулится. Поэтому в программе преобразования должен быть предусмотрен тайм-аут. Для измеряемых сопротивлений в диапазоне 0-100 кОм время определяется по формуле

T(мкс)=24,2+11×R(кОм).

Точность и линейность преобразования невысока, преобразование выполняется не быстро (до 1,12 мс) и сильно загружает процессор. Однако в отличие от «настоящих» аналого-цифровых преобразователей, этот достается даром — игровой адаптер входит в состав практически всех комбинированных плат последовательных и параллельных портов и звуковых карт.

 

Рис. 8.19. Канал аналогового ввода

Порт имеет разъем- розетку DB-15S. Назначение выводов и соответствие сигналов битам регистра приведено в табл. 8.20. Резисторы подключаются к шине питания +5 В, кнопки — к шине GND (рис. 8.20). Замыканию кнопок соответствуют нули в битах 5–7. Аналоговые каналы можно использовать для дискретного ввода, если их входы подключить к кнопкам, замыкающим их на шину GND, и к резисторам, «подтягивающим» их к уровню + 5 В. Два джойстика (А и В) подключаются через Y-образный переходник-разветвитель. На звуковых картах через разъем «Game» вместе с джойстиками могут подключаться и внешние MIDI-устройства, используя специальный кабель-адаптер, обеспечивающий гальваническую развязку входного сигнала и ограничение выходного тока (см. рис. 8.18). Для интерфейса MIDI используются контакты 12 и 15, ранее предназначавшиеся для шин GND и +5V. Такое назначение делает безопасным подключение адаптера MIDI к «чистому» игровому порту и обычного джойстика к игровому порту с сигналами MIDI.

 

Таблица 8.20. Интерфейс игрового адаптера и MIDI

 

Бит	Назначение	Контакт
	Джойстик В кнопка #2
	Джойстик В кнопка #1
	Джойстик А кнопка #2
	Джойстик А кнопка #1
	Джойстик В Y-координата (Y2)
	Джойстик В X-координата (X2)
	Джойстик А Y-координата (Y1)
	Джойстик А X-координата (X1)
-	GND	4, 5, (12)
-	+5 В	1, 8, 9, (15)
-	MIDI In (Rx) — вход (на звуковой карте)
-	MIDI Out (Tx) — выход (на звуковой карте)

 

Рис. 8.20. Подключение датчиков к игровому адаптеру

Системную поддержку джойстика обеспечивает сервис BIOS Int 15h при AH=84h. При вызове в DX задается код подфункции:

♦ DX=0 — опрос кнопок, возвращает в AL[7:4] состояние кнопок (соответствует битам порта 201h);

♦ DX=1 — чтение координат X, Y джойстика А (в регистры АХ, BX) и В (в СХ, DX).

При ошибочном задании кода в DX устанавливается CF=1. Стандартный джойстик поддерживается и ОС Windows.

 

 

Глава 9

Интерфейсы устройств хранения

 

Устройства хранения данных — накопители на магнитных дисках (гибких и жестких, фиксированных и сменяемых), оптические диски CD и DVD, ленточные и твердотельные — подключаются к компьютеру самыми разнообразными способами. Первые устройства хранения в ПК — накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) — подключались интерфейсным кабелем-шлейфом к контроллеру, отделенному от самих устройств. Этот специализированный интерфейс сохранился до сих пор, им подключают дисководы, требующие скорости передачи всего 500 Кбит/с (около 60 Кбайт/с). Скорость 1000 Кбит/с, требуемая для так и не распространившихся дисководов на 2,88 Мбайт, осталась невостребованной. К интерфейсу дисководов подключали и старые стриммеры (очень тихоходные). Аналогичный интерфейс поначалу использовался и для подключения винчестеров (так называемых MFM и RLL), по нему передавались «сырые» данные записи чтения с головок диска, правда, усиленные. Позже накопители слегка «интеллектуализировали», и появился (ненадолго) интерфейс дисков ESDI, обеспечивающий скорость передачи данных аж 1 Мбайт/с. Однако вскоре контроллер полностью переселился на само устройство, да еще и с собственной буферной памятью (сначала на один сектор, а потом объем стал стремительно расти), и из внешнего интерфейса устройства хранения ушла вся специфика, связанная с магнитной записью и воспроизведением данных. Так появились устройства с интерфейсом ATА, начавшим свою историю в 1988 г. и ставшим в наши дни самым распространенным. Для устройств, логически отличающихся от жестких дисков — оптических, магнитооптических, ленточных и любых других, — в 1996 г. была принята спецификация ATAPI. Это пакетное расширение интерфейса, которое позволяет передавать по шине ATA устройству блоки командной информации, структура которых была позаимствована из SCSI. Потолок скорости ATA — 100 Мбайт/с (Ultra DMA Mode 5). Интерфейс ATA имеет уже вполне видимую границу по адресации около 137 Гбайт, в AT API используется принятая в SCSI 32-битная адресация, позволяющая адресовать до 2 Тбайт (при 512-байтном блоке). Дальнейшее развитие интерфейса — Serial ATA; здесь повышается скорость обмена с устройством, решается проблема одновременной работы с несколькими устройствами, значительно расширяются возможности адресации.

Для устройств хранения используют и универсальные интерфейсы, первым конкурентом ATA является шина SCSI, как в параллельном варианте так и в последовательном (FCAL). Примерно при тех же скоростях обмена SCSI позволяет эффективно работать с несколькими устройствами на одной шине, которая во время выполнения команды с длительной фазой ожидания данных свободна для обмена с другими устройствами. В отличие от сугубо внутренней шины ATA, SCSI позволяет подключать и внешние устройства. Для внешних устройств хранения с успехом применяются и шины USB, реже Fire Wire, а также подключение к LPT-порту.

 

Интерфейс НГМД

 

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) подключаются к контроллеру через специальный стандартный интерфейс. Основные функции по управлению НГМД, а также кодирование-декодирование данных выполняет контроллер, расположенный на большинстве современных системных плат. Раньше контроллер часто выносили на специальную карту расширения («в компании» с интерфейсом НЖМД). На плате электроники, установленной на корпусе НГМД, расположены только схемы приводов двигателей, усилители-формирователи сигналов записи и считывания и формирователи сигналов от датчиков.

 

Аппаратный интерфейс

 

Все сигналы интерфейса НГМД являются логическими с уровнями ТТЛ, активный уровень — низкий. Формирователи выходных сигналов накопителя имеют выход типа «открытый коллектор». Интерфейс подразумевает наличие терминаторов — нагрузочных резисторов — для каждой сигнальной линии устройства. Теоретически их предполагалось включать только на последнем дисководе в шлейфе, практически же их никогда и не отключают. Современные трехдюймовые накопители используют «распределенный терминатор» — резисторы с относительно высоким сопротивлением (1–1,5 кОм), постоянно соединяющие входные линии интерфейса с шиной +5 В. Низкие частоты интерфейсных сигналов позволяют не задумываться о точности согласования импеданса шлейфа и сопротивления терминатора. Однако если на шлейфе стоят только старые 5"-накопители со снятыми терминаторами, они могут отказаться надежно работать (выходные линии с открытым коллектором останутся без нагрузки).

Логически интерфейс довольно прост. Для того чтобы заставить накопитель работать, его нужно выбрать сигналом Drive Sel и запустить мотор шпинделя сигналом Motor On. Для выборки накопитель имеет четыре сигнала DS0…DS3, но отзывается только на один из них, определенный установкой джамперов. Выбранный накопитель воспринимает управляющие сигналы от контроллера и передает контроллеру свои выходные сигналы. О том, что накопитель выбран, свидетельствует светодиодный индикатор на его лицевой панели.

Для перемещения головок на один шаг контроллер должен подать импульс Step; направление перемещения определяется уровнем сигнала Direction: при низком уровне (сигнал активен) перемещение происходит в сторону центра диска (номер трека увеличивается). Нулевой трек контроллер находит, перемещая головки от центра до появления сигнала Track 00. Выбор номера головки производится сигналом Side 1. Начало трека накопитель отмечает импульсом Index, который вырабатывается при прохождении индексного отверстия вращающейся дискеты мимо датчика. Считываемые данные в закодированном (MFM) виде (но усиленные и сформированные в ТТЛ-сигнал) поступают от накопителя по линии Read Data. Для включения режима записи служит сигнал Write Gate, закодированные данные в цифровом виде поступают от контроллера по линии Write Data. Если установлена дискета, защищенная от записи, накопитель сообщит об этом сигналом Write Protect. Для снижения тока записи, которое требуется при работе накопителей HD с дискетами DD и QD, предназначен сигнал Reduce Write, его иное название — Low Current или FDHDIN. Для переключения головок на «вертикальную запись» (для дискет 2,88 Мбайт) служит сигнал FDEDIN. Оба эти сигнала вырабатываются контроллером, но для самого дисковода они дублируются сигналами от датчиков типа дискеты (сигнал FDEDIN необязателен, дисковод сам переключится по сигналу от датчика). Некоторые модели дисководов позволяют изменить описанный способ работы датчиков типа дискеты, принятый для PC-совместимых ПК, — они могут быть отключены или выполнять информирование контроллера. Однако практически все контроллеры сами управляют линиями интерфейса, соответствующими сигналам от этих датчиков. В этом управлении учитывается тип дисковода, описанный в CMOS Setup, и заказанный формат дискеты. Сигнал Reduce Write (низкий уровень) формируется контроллером при любом обращении к дисководу, описанному в CMOS как HD (High Density — высокая плотность, емкость 1,2 или 1,44 Мбайт), для работы с дискетами DD или QD (360 или 720 Кбайт). В некоторых контроллерах этот сигнал формировался, только когда контроллер настроен на скорость 300 Кбит/с (дискета 360/720 Кбайт в дисководе на 1,2 Мбайт). Такой контроллер может надежно форматировать и записывать дискеты 720 Кбайт в приводе на 1,44 Мбайт только при наличии правильно сконфигурированного датчика HD, иначе он все 3,5" дискеты будет записывать с высоким током записи, недопустимым для дискет QD.

Накопители HD при смене дискеты устанавливают сигнал Disk Changed, который сбрасывается после обращения к этому накопителю. Этот сигнал заслуживает особого внимания. Он имеется только у дисководов HD и ED (Extra High Density, малораспространенные дисководы на 2,88 Мбайт), причем способ использования этого контакта может определяться джамперами дисковода. В PC соответствующий джампер устанавливается в положение DC (Disk Change). Альтернативное использование этой линии — сигнализация готовности устройства, что может обозначаться как RY, RDY или SR, — для PC непригодно.

Заметим, что в интерфейсе нет никаких сигналов, прямо информирующих контроллер о готовности — наличии установленной дискеты. Контроллер может определить готовность, лишь выбрав накопитель и запустив мотор. Тогда отсутствие импульсов Index будет означать неготовность — нет дискеты или она не зафиксирована на шпинделе, или же не подключен дисковод (интерфейс или питание). Наличие дисковода контроллер может определить с помощью команды рекалибровки (см. ниже) — при ее выполнении дисковод должен подать сигнал Track00.

Все НГМД, применяемые в PC, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у устройств 5" и двухрядными штырьковыми контактами у устройств 3,5". Используемый в PC кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10–16 (рис. 9.1). Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода А: фрагмент перевернут, для В: — нет. Универсальный шлейф с пятью разъемами, изображенный на рисунке, позволяет подключать пару любых дисководов, которые должны располагаться в разных зонах шлейфа. Некоторые разъемы могут и отсутствовать, что сковывает свободу конфигурирования дисководов. В табл. 9.1 описан интерфейсный кабель с сигналами, приходящими на разные накопители. Направление сигналов (I/O — ввод-вывод) указано относительно контроллера.

 

Рис. 9.1. Кабель интерфейса НГМД

 

Таблица 9.1. Кабель интерфейса НГМД

 

 

Контроллер	Дисковод В:	Дисковод A:
Контакт¹
Сигнал	I/O	Контакт¹	Сигнал	Контакт¹	Сигнал
	FDHDIN (Reduce Write)	О		Low Current		Low Current
	Резерв	-		Резерв		Резерв
	FDEDEIN	-		FDEDIN (DS3)		FDEDIN (DS3)
	Index	I		Index		Index
	Motor On A	O		DS0		Motor²
	Drive Sel 1	O		DS11		DS2
	Drive Sel 0	О		DS2		DS11
	Motor On В	О		Motor²		DS0
	Direction	О		Direction		Direction
	Step	О		Step		Step
	Write Data	О		WData		Wdata
	Write Gate	О		WGate		Wgate
	Track 00	I		TR 00		TR 00
	Write Protect	I		WProt		WProt
	Read Data	I		RData		Rdata
	Side 1	O		Side 1		Side 1
34³	Disk Changed	I	34³	DC	34³	DC

¹ Нечетные контакты 1-33 — земля. Для дисководов 5" ключ между контактами 4–5 и 6–7.

² Пара сигналов, обеспечивающая выборку FDD (Motor On А и Drive Sel 0 для дисковода А: и Motor On В и Drive Sel 1 для дисковода В:).

³ Контакт 34 в XT не используется.

 

Контроллер НГМД и интерфейсный кабель, принятый в PC, позволяют адресоваться к одному из двух накопителей и включать мотор сигналами Drive Sel 0 и Motor On А для накопителя А: и Drive Sel 1 и Motor On В для накопителя В:. При этом на обоих накопителях джамперы устанавливаются так, что они отзываются на сигнал DS 1 (контакт 12 разъема). Обычно джамперы на дисководе обозначаются DS0/DS1/DS2/DS3, и следует установить джампер DS1. Если джамперы обозначаются как DS1/DS2/DS3/DS4, что встречается нечасто, то следует установить DS2. Принятая система выборки позволяет все дисководы конфигурировать однотипно, а адрес задавать положением на шлейфе. В некоторых специфических клонах PC применяют иную систему выборки накопителей и «прямой» кабель-шлейф. При этом используется выборка устройства сигналом DS0, ко переключение выборки на эту линию некоторыми накопителями не поддерживается, в результате замена накопителей в этих «фирменных» машинах может стать хлопотным делом, особенно при отсутствии технической документации.

 

Контроллер НГМД

 

Программное взаимодействие с НГМД производится через контроллер накопителей на гибких дисках FDC (Floppy Drive Controller), как правило, при участии контроллера DMA и прерываний. Программирование контроллера НГМД для выполнения операций с дискетами — довольно хлопотное занятие (см. [4, 8, 9]). Все функции, необходимые для использования НГМД в качестве устройств хранения данных, реализованы сервисами BIOS Int 13h (см. 12.8.1) и ОС. Игнорирование сервисов BIOS и даже ОС оправданно в основном лишь для нетривиальных задач типа работы с ключевыми дискетами и т. п.

Все контроллеры, применяемые в IBM PC, обеспечивают совместимость с «исторической» микросхемой контроллера NEC PD765, которая является аналогом i8272. Контроллер FDC АТ поддерживает два накопителя; он позволяет работать со скоростями передачи данных 250 Кбит/с (для работы с дискетами SD, DD и QD в старых дисководах 5"), 500 Кбит/с для плотности HD (1,2 и 1,44 Мбайт), а также 300 Кбит/с для работы с дискетами SD, DD и QD в приводах HD 5". Современные контроллеры, поддерживающие накопители ED (2,88 Мбайт), должны обеспечивать и скорость 1000 Кбит/с. Режимы контроллеров, соответствующие скоростям 250/300, 500 и 1000 Кбит/с, обозначаются соответственно 1М, 2М и 4М. В режиме 1М на одном треке умещается 9 секторов (по 512 байт); для этого при частоте вращения 300 об/мин требуется скорость 250 Кбит/с, а при 360 об/мин — 300 Кбит/с. В режиме 2М при частоте вращения 300 об/мин (у дисководов HD 3,5") на одном треке умещается 18 секторов, а при частоте вращения 360 об/мин (у дисководов HD 5") — 15 секторов. Режим 4М, похоже, так и останется невостребованным. Выбор скорости задает частоту синхронизации при записи и форматировании, а также настраивает цепи ФАПЧ сепаратора данных контроллера. Сепаратор данных способен устойчиво выделять данные и синхросигнал из сигнала, принятого с головки, лишь при небольших (порядка ±10%) отклонениях скорости от номинала, поэтому скорость должна быть правильно выбрана для всех операций обмена данными с диском.

В карте ресурсов AT имеется место под два контроллера НГМД:

♦ FDC АТ#1 (стандартный или основной) занимает порты с адресами 3F0h-3F7h (как и FDC XT);

♦ FDC AT#2 (дополнительный) занимает порты с адресами 370h-377h.

Контроллеры вырабатывают запрос аппаратного прерывания IRQ6 (BIOS Int 0Eh) по окончании выполнения внутренних операций. Для обмена данными может использоваться канал DMA2. Назначение регистров контроллера приведено в табл. 9.2.

 

Таблица 9.2. Регистры контроллера НГМД

 

Адрес	Назначение (R — чтение, W — запись)
3F2 (372)	RW: DOR (Digital Output Register) — регистр управления: биты [4:7] — включение моторов А, В, С, D: 1 — включен; бит 3:1 — разрешение использования DMA2 и IRQ6; бит 2:0 — сброс, 1 — разрешение контроллера; биты [1:0] — номер выбранного привода 0–3. В AT биты 6, 7 и 1 не используются
3F3 (373)	RW: TDR (Tape Drive Register) — регистр стриммера: биты [1:0] — номер устройства, которому соответствует стриммер. По сбросу устанавливается 00, но это означает отсутствие стриммера (вместо дисковода А: стриммер не поставить)
3F4 (374)	R: MSR (Main State Register) — главный регистр состояния: бит 7 (DQM) — запрос: 1 — готов к приему/передаче байта; бит 6 (DIO) — направление данных: 1 — FDC → CPU; бит 5 (NON DMA) — использование DMA: 1 — DMA не используется; бит 4 (CMDBSY): 1 — контроллер занят выполнением команды; биты [0:3] — привод А:, В:, С:, D: занят (в AT используются только биты 0, 1)
3F4 (374)¹	W: DSR (Datarate Select Register) — регистр выбора скорости: бит 7: 1 — сброс контроллера (обнуляется автоматически); бит 6: 1 — отключение питания контроллера; бит 5: 1 — разрешение внешней ФАПЧ (должен быть 0); биты [4:2] — выбор времени предкомпенсации записи (000 — предкомпенсация по умолчанию); биты [1:0] — скорость обмена (00 — 500 Кбит/с, 01 — 300 Кбит/с, 10 —250 Кбит/с, 11 —1 Мбит/с)
3F5 (375)	RW: DR (Data Register) — регистр команд/данных
3F7 (377)	W: CCR (Configuration Control Register) — регистр параметров контроллера (AT): биты [7:2] — не используются; биты [1:0] — скорость обмена (00 — 500 Кбит/с, 01 — 300 Кбит/с, 10 — 250 Кбит/с, 11— 1 Мбит/с)
3F7 (377)	R: DIR (Digital Input Register) — регистр состояния (только в AT): бит 7: 1=смена носителя (чтение инвертированной линии DC); биты [6:0] — не используются, при чтении не выводятся на шину данных

¹ Регистр DSR обеспечивает совместимость с контроллером i8272; в современных контроллерах НГМД на AT-совместимых компьютерах вместо него используют CCR, поскольку требуется только задание скорости.

 

Адрес регистра состояния FDC 3F7 (377) совпадает с адресом регистра HDC (давно неиспользуемого), в связи с чем раздельная работа FDC и HDC, расположенных на разных платах, проблематична. В нормальном (не диагностическом) режиме из этого регистра интерес представляет только бит 7 — признак смены носителя.

Контроллер НГМД может быть использован и для работы со стриммерами; специально для этого в контроллере имеется регистр TDR (Tape Drive Register), пара младших битов которого задает номер устройства, которому соответствует стриммер (для него иначе настраиваются цепи ФАПЧ сепаратора данных).

Все операции с дискетами выполняются по командам, посылаемым хостом в регистр DR (3F5) согласно состоянию битов регистра MSR (3F4). Запись байта команды или данных в регистр DR разрешается лишь при текущем значении MSR=10xxxxxxb, чтение — при MSR=11xxxxxxb. Для записи/чтения этого регистра приходится использовать отдельные подпрограммы, не только дожидающиеся разрешающих значений MSR, но и имеющие аварийный выход по тайм-ауту. Хост также выполняет запись в регистр DOR (3F2) для запуска/останова дисковода, а также в CCR (3F7) или DSR (3F4) для выбора скорости передачи данных. В операциях обмена данными с дискетами обычно участвует контроллер DMA, и он должен быть своевременно проинициализирован. Сигнал TC (завершение цикла DMA) используется как признак завершения фазы данных. В общем виде процедура обмена данными состоит из следующих шагов.

1. Запуск мотора и выбор дисковода (записью в регистр DOR).

2. Установка скорости (записью в регистр CCR).

3. Выполнение команды рекалибровки.

4. Ожидание раскрутки двигателя (если мотор работает еще менее 0,5 с).

5. Позиционирование головки на требуемый цилиндр.

6. Инициализация контроллера DMA.

7. Посылка команды чтения/записи.

8. Ожидание прерывания от контроллера. Прерывание произойдет, когда завершится фаза исполнения, во время которой контроллер обычно обменивается данными с хостом. Если за определенное время прерывание не получено, фиксируется неудачная попытка обращения с ошибкой тайм-аута.

9. По прерыванию от контроллера считываются байты результата, и если ошибок нет, на этом обмен успешно завершается. Если есть ошибки, то снова переходят на шаг инициализации DMA и далее повторяют команду чтения/записи. Если за несколько (3) раз успех не достигается, то выполняется рекалибровка, затем инициализация DMA и повторные попытки чтения/записи. Если успех не достигается и после нескольких рекалибровок, обмен прекращается аварийно.

Помимо описанного механизма имеется механизм автоматического выключения мотора НГМД, если к нему долго нет обращения. Для этого в фиксированном месте ОЗУ (BIOS Data Area, ячейка 0:0440) имеется счетчик времени работы мотора НГМД и адрес дисковода (в позиционном коде), мотор которого включен (0:043F). При каждом обращении к дискете (когда в регистре DOR устанавливается бит включения мотора) в счетчик времени заносится константа, соответствующая выдержке на отключение (по умолчанию — 2 с). Обработчик аппаратного прерывания от таймера IRQ0 (BIOS Int 08h) c интервалом около 55 мс декрементирует счетчик времени и по его обнулению отключает мотор (записью в регистр DOR). Таким образом, если в течение заданного интервала нет обращений, мотор автоматически выключается. Конечно, это работает, лишь когда BIOS отрабатывает аппаратные прерывания от таймера, так что не отключающийся мотор дисковода может быть косвенным признаком «зависания» компьютера.

Исполнение каждой команды имеет три фазы.

1. Фаза команды. Контроллер устанавливает биты DQM=1 и DIO=0, что является приглашением к вводу команды. В регистр DR посылается байт команды, после которого посылаются байты параметров в строго предписанном порядке. На прием каждого байта контроллер отзывается обнулением DQM на время обработки. После получения последнего требуемого байта DQM остается обнуленным и контроллер переходит в фазу исполнения. В качестве параметров фигурируют номер цилиндра С, номер головки H, номер сектора R, код размера N или длина поля данных сектора DTL, номер последнего сектора на треке EOT, число секторов SC, длительность зазоров GPL и некоторые другие данные.

2. Фаза исполнения требует передачи данных от хоста к контроллеру или обратно, передача может происходить как в режиме DMA, так и чисто программно (PIO). В режиме DMA обмен выполняется по сигналам DRQ и DACK# используемого канала. Если DMA не используется, то запросом на передачу является бит DQM и сигнал прерывания. По окончании фазы вырабатывается сигнал прерывания (и его признак в регистре ST0), и контроллер переходит в фазу результата.

3. В фазе результата DQM=1 и DIO=1, хост должен считать байты результата из DR, после чего биты установятся в значение DQM=1 и DIO=0, что соответствует переходу в фазу приема команды.

С момента получения команды и до окончания фазы результата в регистре MSR бит CMD BSY=1. Контроллер всегда можно принудительно сбросить (перевести в начало фазы команды) записью в регистр DOR или DSR. Если контроллер получит неподдерживаемую команду, он сразу выставит DQM=1 и DIO=1, что является указанием на необходимость чтения DR. Хост должен прочитать из DR код состояния, в котором будет значение 80h (недопустимая команда).

В современных контроллерах НГМД имеется буфер FIFO глубиной 16 байт, работающий при передаче данных (но не команд и параметров) через регистр DR; в «историческом» контроллере i8272 буфера FIFO не было. Логика общения с регистром DR остается той же. Буфер должен быть своевременно обслужен, чтобы не происходило его переполнения или опустошения. Логика буфера устанавливает запрос данных так, чтобы не отвлекать хост «по пустякам». При чтении из DR запрос устанавливается, когда в буфере имеется (16– порог) байтов или же считан последний байт сектора. При записи в DR запрос первоначально устанавливается и удерживается до заполнения буфера, впоследствии он устанавливается снова, когда в буфере остается порог байтов. Переход в фазу результата происходит, когда завершается обмен хоста с DR и буфер опустошается. Общение с регистром DR при записи команд и параметров должно выполняться согласно значениям старших битов регистра MSR (буфер FIFO при этом не используется).

 

 

Интерфейс ATA/ATAPI (IDE)

 

Интерфейс ATA (AT Attachment for Disk Drives) разрабатывался в 1986–1990 гг. для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной ISA. Стандарт, выработанный комитетом X3T10, определяет набор регистров устройств и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема. Интерфейс появился в результате переноса стандартного (для PC/AT) контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Drive Electronics). Стандартный контроллер AT позволял подключать до двух накопителей, что в интерфейсе ATA означает параллельное подключение контроллеров двух устройств. В спецификации ATA фигурируют следующие компоненты.

♦ Хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса ATA с шиной компьютера. Хостом мы будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса ATA. Хост-контроллер — более развитый вариант хост-адаптера.

♦ Ведущее устройство (Master) — ПУ, в спецификации ATA официально называемое Device-0 (устройство 0).

♦ Ведомое устройство (Slave) — ПУ, в спецификации официально называемое Device-1 (устройство 1).

Хост-адаптер и устройства объединяются кабелем-шлейфом, соединяющим параллельно одноименные контакты интерфейсных разъемов. Регистры обоих контроллеров оказываются расположенными в одних и тех же областях пространства ввода-вывода. Для выбора устройства, исполняющего текущую команду, используется бит выбора накопителя (DEV) в регистре номера устройства и головки (drive/head register). Если бит DEV=0, выбрано ведущее устройство, если DEV=1 — ведомое. Запись в этот регистр воспринимается сразу обоими устройствами, на обращения к остальным регистрам реагирует только выбранное. Достаточно универсальный набор сигналов позволяет подключать любое устройство со встроенным контроллером, которому в пространстве портов ввода-вывода достаточно того же набора регистров, способное поддержать режим выбора устройства через вышеупомянутый бит. Принятая система команд и регистров, являющаяся частью спецификации ATA, ориентирована на блочный обмен данными с устройствами прямого доступа. Для иных устройств существует спецификация ATAPI, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (Package Interface, PI). Структура и наполнение пакетов позаимствованы из универсального интерфейса SCSI. Пакетный интерфейс позволяет расширить границы применения шины ATA.

Адресация в ATA имеет «дисковые корни»: для накопителей изначально указывали адрес цилиндра (cylinder), головки (head) и сектора (sector) — так называемая трехмерная адресация CHS. Сначала эта адресация точно соответствовала реальной геометрии — физически сектор действительно находился по указанному адресу. Позже по ряду причин диски ATA стали описывать внешней геометрией, отличающейся от реальной внутренней (например, разные зоны треков имеют разное число секторов, причем часть секторов может резервироваться на случай замены дефектных). При этом одно и то же устройство может иметь различную внешнюю геометрию. Преобразование адресов в реальные выполняется встроенным контроллером устройства. В системе CHS устройство ATA позволяет адресовать до 267 386 880 (65 536×16×255) секторов (блоков), что при размере сектора в 512 байт дает 136 902 082 560 байт (около 137 Гбайт). Позже пришли к линейной адресации логических блоков LBA (Logical Block Addressing), где адрес блока (сектора) определяется 28-битным числом, что позволяет адресовать до 268 435 455 (2²⁸) блоков (немного больше, чем в CHS). Для устройств ATА, поддерживающих и CHS, и LBA, режим адресации определяется для каждой команды битом L (бит 6) регистра D/H; режимы могут чередоваться произвольным образом. Устройства ATAPI используют принятую в SCSI 32-битную логическую адресацию, позволяющую адресовать до 2 Тбайт (при 512-байтном блоке).

Если к шине ATA подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое — ведомым. О своей роли (ведущее или ведомое) устройства «узнают» с помощью предварительно установленных конфигурационных джамперов. Если применяется «кабельная выборка» (см. ниже), роль устройства определяется его положением на специальном ленточном кабеле. Оба устройства воспринимают команды от хост-адаптера одновременно. Однако исполнять команду будет лишь выбранное устройство. Выводить выходные сигналы на шину ATA имеет право только выбранное устройство. Такая система подразумевает, что, начав операцию обмена с одним из устройств, хост-адаптер не может переключиться на обслуживание другого до завершения начатой операции. Параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным шинам (каналам) ATA. Спецификация ATA-4 определяет способ обхода этого ограничения, но эту возможность используют редко.

Для устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса.

♦ ATA, он же AT-BUS, — 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера AT. Наиболее распространенный 40-проводный сигнальный и 4-проводный питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам AT. Для миниатюрных (2,5" и менее) накопителей используют 44-проводный кабель, по которому передается и питание.

♦ PC Card ATA — 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card (PCMCIA) для подключения к блокнотным PC.

♦ XT IDE (8 бит), он же XT-BUS, — 40-проводный интерфейс, похожий на ATA, но несовместимый с ним.

♦ MCA IDE (16 бит) — 72-проводный интерфейс, предназначенный специально для шины и накопителей PS/2.

♦ ATA-2 — расширенная спецификация ATA. Включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, Multiword DMA Mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт, поддержка LBA и CHS.

♦ Fast ATA-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

♦ ATA-3 — расширение ATA-2. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа — SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

♦ ATA/ATAPI-4 — расширение ATA-3, включающее режим Ultra DMA со скоростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI. Появляется поддержка очередей и возможность перекрытия команд.

♦ ATA/ATAPI-5 — ревизия ATA/ATAPI-4: удаляются устаревшие команды и биты, добавляются новые возможности защиты и управления энергопотреблением. Включает режим Ultra DMA со скоростью обмена до 66 Мбайт/с.

♦ ATA/ATAPI-6 — дополнения к ATA/ATAPI-5: потоковое расширение для чтения/записи аудио- и видеоданных, управление акустическим шумом, режим Ultra DMA со скоростью обмена до 100 Мбайт/с.

♦ Serial ATA — последовательный интерфейс.

♦ E-IDE (Enhanced IDE) — расширенный интерфейс, введенный фирмой Western Digital. Реализуется в адаптерах для шин PCI и VLB. Позволяет подключать до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает PIO Mode 3, Multiword DMA Mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS. С аппаратной точки зрения практически полностью соответствует спецификации ATA-2.

Устройства ATA IDE, E-IDE, ATA-2, Fast ATA-2, ATA-3, ATA/ATAPI-4, ATA/ATAPI-5 и ATA/ATAPI-6 электрически совместимы. Степень логической совместимости достаточно высока (все базовые возможности ATA доступны). Однако для полного использования всех расширений необходимо соответствие спецификаций устройств, хост-адаптера и его ПО.

Разработкой спецификаций ATA/ATAPI занимается технический комитет T13 американского Национального Комитета но стандартизации в области информационных технологий (NCITS). Разработанные им спецификации оформляются в виде стандартов ANSI. Спецификация ATA/ATAPI-6 объявлена последней версией параллельного интерфейса ATA, за которой следует последовательный интерфейс Serial ATA.

 

Параллельный интерфейс ATA

 

Параллельный интерфейс ATA представляет собой шину, в которой все сигналы соответствуют стандартной логике ТТЛ: