Протоколы и режимы передачи данных

 

Программа общается с устройствами ATA через регистры, используя инструкции ввода-вывода IN и OUT. Для передачи данных с максимальной скоростью применяют программный доступ PIO к регистру данных инструкциями INSW/OUTSW или по каналу DMA. Тип обмена (PIO или DMA) определяется командой обращения. Программный доступ PIO обязателен для всех устройств, команды режима DMA устройствами могут не поддерживаться. Параметры различных режимов обмена приведены в табл. 9.7.

 

Таблица 9.7. Параметры режимов передачи

 

Режим передачи	Минимальное время цикла, нс	Скорость передачи, Мбайт/с	Интерфейс
PIO mode 0		3,3	ATA
PIO mode 1		5,2	ATA
PIO mode 2		8,3	ATA
PIO mode 3		11,1	E-IDE, ATA-2 (используется IORDY)
PIO mode 4		16,6	E-IDE, Fast ATA-2 (используется IORDY)
Singleword DMA Mode 0		2,08	ATA
Singleword DMA Mode 1		4,16	ATA
Singleword DMA Mode 2		8,33	ATA
Multiword DMA Mode 0		4,12	ATA
Multiword DMA Mode 1		13,3	ATA-2
Multiword DMA Mode 2		16,6	FastАТА-2
Ultra DMA Mode 0	120¹	16,6	ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 1	80¹		ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 2	60¹		ATA/ATAPI-4
Ultra DMA Mode 3	45¹	44,4	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 4	30¹	66,6	ATA/ATAPI-5
Ultra DMA Mode 5	20¹		ATA/ATAPI-6

¹ В пакете данных режима Ultra DMA за каждый такт передаются два слова данных, один по фронту синхронизирующего сигнала, другой по спаду. Период следования синхросигналов равен удвоенному времени цикла.

 

Программный доступ PIO (Programmed Input/Output) выполняется в виде следующих друг за другом операций чтения или записи в пространстве ввода-вывода по адресу регистра данных. Готовность устройства проверяется перед началом передачи блока, после чего хост производит серию операций в определенном темпе, который определяется выбранным режимом PIO Mode 0–4. Для каждого режима определены допустимые параметры временной диаграммы цикла обмена. Обмен PIO программно реализуется с помощью процессорных инструкций ввода-вывода строк REP INS или REP OUTS с занесенным в регистр СХ количеством слов (или байтов) в передаваемом блоке. Эти инструкции обеспечивают максимально возможную скорость обмена для данного процессора и системной шины. «Обуздать» процессор в соответствии с выбранным режимом входит в задачу адаптера ATА, который использует для удлинения цикла сигнал готовности шины (для ISA — IOCHRDY). Традиционные режимы 0, 1 и 2 имеют временные параметры, фиксируемые только хост-адаптером. Для прогрессивных режимов ATA-2 (PIO Mode 3 и выше) устройство может затормозить обмен, используя сигнал готовности IORDY. Программный обмен на все время передачи блока занимает и процессор, и системную шину.

Обмен по каналу DMA занимает исключительно шины ввода-вывода и памяти. Процессору требуется выполнить только процедуру инициализации канала, после чего он свободен до прерывания от устройства в конце передачи блока (этим могут воспользоваться многозадачные системы). Стандартные каналы DMA шины ISA для интерфейса ATA не используются из-за низкой пропускной способности. Высокопроизводительные адаптеры ATA имеют собственные более эффективные контроллеры. Режимы обмена по каналу DMA бывают одиночными и множественными. При одиночном режиме — Singleword DMA — устройство для передачи каждого слова вырабатывает сигнал запроса DMARQ и сбрасывает его по сигналу DMACK#, подтверждающему цикл обмена. При множественном режиме — Multiword DMA — на сигнал DMARQ хост отвечает потоком циклов, сопровождаемых сигналами DMACK#. Если устройство не справляется с потоком, оно может приостановить его снятием сигнала DMARQ, а по готовности установить его снова. Множественный режим позволяет развить более высокую скорость передачи.

В спецификации ATA/ATAPI-4 появился новый режим — Ultra DMA, позволяющий перешагнуть барьер в 16,6 Мбайт/с, свойственный традиционным режимам и используемому кабелю. При этом обеспечивается и контроль достоверности передачи данных по шине, чего не делалось ни в PIO, ни в стандартных режимах DMA (а зря!). Стандартом ATA-4 было определено 3 режима Ultra DMA (0, 1 и 2), впоследствии ввели новые; выбор режима осуществляется командой Set Features. В режимах Ultra DMA сигналы DMARQ и DMACK# сохраняют свое назначение, а вот смысл сигналов DIOR#, DIOW# и IORDY на время передачи пакета (Ultra DMA Burst) существенно меняется. В пакете данные на шине сопровождаются стробом, генерируемым источником данных, причем для синхронизации используются оба перепада сигналов. Это позволяет повысить пропускную способность шины до 33 Мбайт/с, не увеличивая частоту переключения сигналов сверх 8,33 с^-1 (этот предел для обычного кабеля достигается в режиме PIO Mode 4 и Multiword DMA Mode 2). Каждое переданное слово участвует в подсчете CRC-кода, который передается хост-контроллером в конце пакета. Подсчет ведется и источником данных, и приемником.

При несовпадении принятого устройством кода с ожидаемым кодом фиксируется ошибка передачи, о которой устройство сообщает в конце исполнения команды. Передача в пакете может приостановиться, если приемник снимет сигнал готовности (DDMARDY# или HDMARDY#). Передача пакета может прекращаться по инициативе устройства (снятием сигнала) или хоста (сигналом STOP). Противоположная сторона должна подтвердить окончание цикла сигналом STOP или DMARQ соответственно.

Способ сообщения об ошибке передачи зависит от типа выполнявшейся команды. Для команд READ DMA, WRITE DMA, READ DMA QUEUED или WRITE DMA QUEUED в регистре ошибок ER устанавливается бит 7 (ICRC) и бит 2 (ABRT). Для пакетной команды REQUEST SENSE (уточнить состояние) в случае ошибки в регистре состояния SR устанавливается бит 0 (CHK) и сообщается ключ состояния (Sense key) 0Bh (команда отвергнута). Для всех других пакетных команд в случае ошибки устанавливается бит CHK и сообщается состояние 04h (аппаратная ошибка), а в последующих командах REQUEST SENSE сообщается значение ASC/АSСQ 08h/03h (ошибка CRC при связи с логическим устройством). Получив сообщение об ошибке, хост должен повторить команду. Если ошибки появляются постоянно, хост должен понизить скорость обмена (вплоть до выхода из режима Ultra DMA).

Тип режима обмена определяется возможностями хост-адаптера (и его драйвера), устройств и кабеля, и для каждого устройства он будет ограничен минимумом из максимальных возможностей всех этих компонентов. Как правило, режимы устанавливаются системой автоматически, но пользователю дается возможность при необходимости «подрезать крылья» контроллеру настройками BIOS Setup. Для работы в режимах Ultra DMA Mode 3 и выше требуется 80-проводный кабель, присутствие которого должно быть программно определено до включения этого режима обмена. Правда, в спецификации есть оговорка, что при двухточечном соединении (контроллер — устройство) для режимов 3 и 4 можно использовать 40-проводный кабель (без среднего разъема). Система не должна позволить пользователю применить высокоскоростные режимы на обычном кабеле, при этом желательно, чтобы она сообщала об обнаруженном несоответствии. Для определения типа кабеля есть несколько возможностей [4].

♦ Определение типа кабеля через хост-контроллер, для чего хост-контроллер должен иметь приемник сигнала CBLID#. После включения питания или аппаратного сброса хост ожидает завершения протокола сброса и затем подает команду идентификации Identyfу (Packet) Deviсе устройству 1. Устройство 1 стандарта ATA-3 и выше обязано после сброса снять сигнал PDIAG#/CBLID# не позднее, чем по приходу первой команды. Если обнаружено старое устройство, то протокол идентификации кабеля хостом работать не будет (но со старым устройством на шлейфе включать высокоскоростной режим и не стоит). Современное устройство снимет сигнал, и хост-адаптер сможет определить наличие 80-проводного кабеля по низкому уровню CBLID#. Некорректно работающее устройство может удержать низкий уровень сигнала, и в этом случае 40-проводный кабель будет ошибочно трактоваться как 80-проводный.

♦ Определение типа кабеля через устройство не требует дополнительного приемника в контроллере — линия PDIAG#/CBLID# в хост-контроллере заземляется через конденсатор емкостью 0,047 мкФ±20 %. Приемник сигнала идентификации кабеля располагается в устройстве. Для определения типа кабеля хост посылает команду Identify (Packet) Device устройству 1, чтобы оно освободило линию (сняло сигнал PDIAG#). Затем команда идентификации посылается устройству 0. Примерно через 30 мкс после получения команды устройство кратковременно обнуляет эту линию, затем отпускает и только через 20–30 мкс после этого считывает ее состояние и сообщает его в бите 13 слова 93. Линия подтягивается к +5 В резисторами 10 кОм, установленными в устройствах. Если используется 40-проводный кабель, то конденсатор в хост-адаптере не успеет перезарядиться и устройство сообщит нулевое значение бита. Если кабель 80-проводный, то конденсатор оказывается изолированным от линии PDIAG#/CBLID# в устройстве, и оно сообщит единичное значение бита. Если на хост- контроллере нет конденсатора, то даже 40-проводный кабель будет идентифицироваться как 80-проводный, что опасно при передаче данных. Если некорректно работающее ведомое устройство своевременно не отпустит линию, то даже 80-проводный кабель будет казаться 40-проводным.

♦ Комбинированный метод определения типа кабеля предполагает наличие на хост-контроллере и приемника сигнала CBLID#, и конденсатора (они друг другу не мешают). Решение о наличии 80-проводного кабеля принимается, только если это подтвердят оба метода. Возможная ошибка идентификации будет безопасной — при некорректном устройстве 1 на 80-проводном кабеле не будет включен высокоскоростной режим (наверное, это и к лучшему).

Правильный выбор режима обмена обеспечивает надежность и производительность. Все устройства поддерживают режим PIO Mode 0, в котором считывается блок параметров идентификации. В блоке имеются поля, описывающие режим обмена по умолчанию и более эффективные режимы обмена, поддерживаемые устройством. Командой Set Features можно изменить параметры режима. Иногда накопитель не обеспечивает надежной передачи данных в заявленном высокоскоростном режиме. Если данные начинают пропадать, первым делом следует понизить режим обмена.

BIOS определяет режим обмена с каждым устройством с учетом ограничений, заданных в Setup. Старые диски, не сообщающие своих параметров, могут не работать с новыми режимами PIO. На одном ленточном кабеле (канале ATА) могут присутствовать устройства с разным режимом обмена — спецификация это допускает. Однако реально могут возникать аппаратные или программные ограничения. Некоторые чипсеты не позволяют независимо программировать режим обмена для устройств канала. В таком случае при подключении двух разных устройств (например, PIO Mode 1 и 3) обмен с обоими устройствами будет происходить со скоростью меньшего (PIO Mode 1). Поэтому не рекомендуется к одному каналу ATA (порту IDE) подключать быстрый винчестер и медленный CD-ROM. Иногда завязка режимов обмена двух устройств обусловлена ограниченным набором параметров конфигурации в BIOS. Быстрые режимы множественного обмена по DMA реализуются только драйверами ОС. «Глупый» драйвер может попытаться навязать медленный режим обоим устройствам канала, так что смешивать разные устройства не стоит и по этой причине.

Протокол обмена PIO хорош только для однозадачных ОС. Для многозадачных ОС больший интерес представляет обмен по протоколу DMA, если, конечно, поддерживаемый режим обеспечивает приемлемую скорость обмена. С точки зрения драйвера есть различия лишь между типами режимов (PIO, DMA и UltraDMA); аппаратные нюансы режимов внутри типа влияют только на скорость передачи. Режим UltraDMA значительно отличается от обычного DMA необходимостью обработки возможных ошибок передачи по шине; в случае постоянных ошибок драйвер должен понизить режим UltraDMA (вплоть до перехода на традиционные режимы).

Протокол взаимодействия хоста с устройством выглядит следующим образом.

1. Хост читает регистр состояния устройства, дожидаясь нулевого значения бита ВSY. Если присутствуют два устройства, хост обращается к ним «наугад» — состояние будет сообщаться последним выбранным устройством.

2. Дождавшись освобождения устройства, хост записывает в регистр D/H байт, у которого бит DEV указывает на адресуемое устройство. Здесь кроется причина невозможности параллельной работы двух устройств на одной шине ATА: обратиться к устройству можно только после освобождения обоих устройств.

3. Хост читает основной или альтернативный регистр состояния адресованного устройства, дожидаясь признака готовности (DRDY=1).

4. Хост заносит требуемые параметры в блок командных регистров.

5. Хост записывает код команды в регистр команд.

6. Устройство устанавливает бит BSY и переходит к исполнению команды.

Дальнейшие действия зависят от протокола передачи данных, заданного командой.

Для команд, не требующих передачи данных, следующий шаг (шаг 7) — последний. Завершив исполнение команды, устройство сбрасывает бит BSY и устанавливает запрос прерывания (если он не запрещен). К этому моменту в регистрах состояния и ошибок уже имеется информация о результате исполнения. Единичное значение бита BSY может «промелькнуть» между шагами 6 и 7 так быстро, что хост его не зафиксирует, но для фиксации факта выполнения команды или ее части предназначен запрос прерывания.

Для команд, требующих чтения данных в режиме PIO, процедура продолжается следующим образом.

7. Подготовившись к передаче первого блока данных по шине ATA, устройство устанавливает бит DRQ. Если была ошибка, она фиксируется в регистрах состояния и ошибок. Далее устройство сбрасывает бит BSY и устанавливает запрос прерывания (если он не запрещен).

8. Зафиксировав обнуление бита BSY (или по прерыванию), хост считывает регистр состояния, что приводит к сбросу прерывания от устройства.

9. Если хост обнаружил единичное значение бита DRQ, он производит чтение первого блока данных в режиме PIO (адресуясь к регистру данных). Если обнаружена ошибка, считанные данные могут быть недостоверными. После передачи блока данных возможно одно из следующих действий:

• если на шаге 8 ошибка не обнаружена и требуется передача следующего блока, устройство устанавливает бит BSY и данная последовательность повторяется с шага 7;

• если есть ошибка или передан последний блок данных, устройство сбрасывает бит DRQ и выполнение команды завершается.

Для операций записи данных после шага 6 для устройства начинается активная фаза записи на носитель, что отмечается установкой бита BSY.

Для команд, требующих записи данных в режиме PIO, процедура после шага 6 продолжается следующим образом.

7. Подготовившись к приему первого блока данных по шине ATА, устройство устанавливает бит DRQ (если нет ошибок) и сбрасывает бит BSY. Если была ошибка, она фиксируется.

8. Зафиксировав обнуление бита BSY, хост считывает регистр состояния.

9. Если хост обнаружил единичное значение бита DRQ, он производит запись первого блока данных в режиме PIO по адресу в регистре данных.

10. После передачи блока данных возможно одно из следующих действий:

• если обнаружена ошибка, устройство сбрасывает бит DRQ, устанавливает запрос прерывания и выполнение команды завершается, а переданные по шине данные остаются устройством необработанными (не записываются на носитель);

• если ошибка не обнаружена, устройство устанавливает бит BSY и переходит к следующему шагу.

11. Устройство обрабатывает принятый блок данных, затем:

• если нет ошибок и обработанный блок — последний, устройство сбрасывает бит BSY и устанавливает запрос прерывания, на чем выполнение команды успешно завершается;

• если обнаружена ошибка, выполнение команды завершается таким же об разом, но с установкой битов ошибок;

• если нет ошибок и требуется передача следующего блока, процедура продолжается.

12. По готовности приема следующего блока устройство устанавливает бит DRQ, сбрасывает бит BSY и устанавливает запрос прерывания.

13. По обнулении бита BSY (или по прерыванию) хост считывает регистр состояния.

14. Обнаружив бит DRQ, хост выполняет запись очередного блока в регистр данных, и последовательность повторяется с шага 11.

Команды с передачей данных в режиме DMA выполняются похожим образом, но с некоторыми исключениями.

♦ Вместо PIO используется прямой доступ к памяти. Хост должен инициализировать канал DMA до записи кода в регистр команд, чтобы при появлении сигнала DMARQ начался обмен.

♦ Запрос прерывания даже в многосекторных передачах производится один раз — по выполнении команды.