Шины.PCI,.USB.и.FireWire

адрес в свободном пространстве памяти. После этого программированием регист$ ра команд данного устройства разрешается считывание ПЗУ и в нем ищется сиг$ натура заголовка AA55h. Когда сигнатура найдена, POST ищет подходящий образ (по типу программного кода и совпадающий по идентификаторам с обнаружен$ ными устройствами PCI) и копирует его в ОЗУ (в область C0000–DFFFFh), ос$ тавляя разрешенной запись в эту область. Далее чтение ПЗУ запрещается (запи$ сью в поле Expansion ROM Base Address) и вызывается процедура инициализации модуля (по адресу 3). При вызове процедуры POST сообщает номер шины (в ре$ гистре AH), номер устройства (AL[7:3]) и номер функции (AL[2:0]), благодаря чему процедура узнает точные координаты (идентификатор на шине PCI) аппа$ ратных средств, которые ей предстоит инициализировать. После отработки ини$ циализации определяется размер области, которую следует оставить в памяти (по байту 2, который может быть модифицирован процедурой инициализации), и для этой области запрещается запись. Если процедура инициализации «урезает» за$ нимаемую память, она должна позаботиться о достоверности контрольной суммы области, описанной байтом 2. Если память освобождается полностью (процедура обнуляет байт 2), то контрольная сумма, естественно, не нужна. Расширение для VGA (определяется по коду класса) обрабатывается особым образом — загружает$ ся по адресу C0000h. Процедура инициализации может определить наличие PnP BIOS в системе, проверив значение контрольной структуры PnP по адресу, ука$ занному ей программой POST в регистрах ES:DI, и исполняться в зависимости от обнаруженного системного окружения.

Для более эффективной работы во время инициализации драйвера устройства желательно использовать не только стандартную, но и расширенную память (за пределами первого мегабайта), в то время как POST работает в реальном режиме процессора. Решить эту проблему помогает режим «Big Real Mode», который под$ держивают все 32$разрядные процессоры. Специально для предоставления досту$ па ко всей памяти процедурами инициализации фирмы Phoenics и Intel разрабо$ тали спецификацию PMM (POST Memory Manager Specification), версия 1.01 была опубликована в конце 1997 года. Эта спецификация определяет несколько допол$ нительных сервисов BIOS, позволяющих выделять, находить и освобождать блоки в любой, в том числе и расширенной, памяти. Клиенты этого сервиса запрашивают блок памяти требуемого размера, а BIOS возвращает физический 32$разрядный адрес начала выделяемого блока (если она способна его выделить). Клиент поме$ чает свой блок 32$битным индексом (handle), по которому его в дальнейшем мож$ но найти функцией поиска. Анонимный блок (индекс FFFFFFFFh) поиску не поддается. Этими сервисами можно пользоваться только до начала процедуры начальной загрузки (Int 19h), работу с вентилем Gate A20 они берут на себя. Пе$ ред начальной загрузкой BIOS освобождает и обнуляет все блоки расширенной памяти, занятые с помощью этих сервисов. Наличие сервисов PMM определяется по контрольной структуре, начинающейся со строки$сигнатуры $PMM и располо$ женной на границе раздела в области E0000–FFFF0h. Программный интерфейс можно найти в вышеуказанном документе, который доступен на сайте http:// www.phoenix.com/techs.

Электрический интерфейс

иконструктивы для шин PCI

иPCI X

Электрический интерфейс

Для работы на шине PCI используются микросхемы КМОП (CMOS), причем имеются две спецификации: с напряжениями питания интерфейсных схем 5 и 3,3 В. Для них применимы параметры сигналов по постоянному току, приведенные в табл. 6.1. Однако мощность интерфейсных элементов (транзисторов для вентилей) вы$ брана меньшей, чем требовалось бы для переключения сигналов на высокой час$ тоте (33 или 66 МГц). Здесь используется эффект отражения сигналов, форми$ руемых микросхемами на проводниках шины, от несогласованных концов этих проводников, являющихся для таких высоких частот длинными линиями. На кон$ цах проводников шины нет терминаторов, поэтому от них приходящая волна сиг$ нала отражается с тем же знаком и с той же амплитудой. Складываясь с прямым сигналом, обратная волна и обеспечивает нужный приемнику уровень сигнала. Таким образом, передатчик генерирует сигнал, уровень которого до прихода отра$ женного сигнала находится между уровнями переключения, и достигает требуе$ мого уровня только после прихода отраженной волны. Это накладывает ограниче$ ние на физическую протяженность шины: сигнал должен успеть обернуться (дойти до конца и вернуться отраженным) за время, составляющее менее трети периода синхронизации (то есть 10 нс при 33 МГц, 5 нс при 66 МГц).

Линии управляющих сигналов FRAME#, TRDY#, IRDY#, DEVSEL#, STOP#, SERR#, PERR#, LOCK#, INTA#, INTB#, INTC#, INTD#, REQ64# и ACK64# на системной плате подтягивают$ ся к шине питания резисторами (типичные номиналы: 2,7 кОм для версии 5 В и 8,2 кОм для 3,3 В), чтобы не было ложных срабатываний при пассивности всех агентов шины.

Электрические спецификации рассчитаны на два типовых варианта нагрузки од$ ной шины: 2 устройства PCI на системной плате плюс 4 слота или 6 устройств плюс 2 слота. При этом подразумевается, что одно устройство на каждую линию шины PCI дает только единичную КМОП$нагрузку. В слоты могут устанавливаться

карты, также дающие только единичную нагрузку. При использовании компонен$ тов и трассировки плат с характеристиками, превосходящими требования специ$ фикации, возможны и иные сочетания числа слотов и устройств. Так, например, часто встречаются системные платы и с пятью слотами на одной физической шине. На длину проводников, а также на топологию расположения элементов и провод$ ников для карт расширения накладываются жесткие ограничения. Длина сигналь$ ных проводников не должна превышать 1,5 дюйма (3,8 см). Из вышесказанного понятно, что изготовление самодельных карт расширения на логических микро$ схемах средней степени интеграции, как это можно было делать для шин ISA, для PCI невозможно.

Таблица 6.1. Параметры интерфейсных сигналов на постоянном токе

Тактовая частота шины определяется по возможностям всех абонентов шины, включая и мосты (и главный мост, входящий в чипсет системной платы). Высокая частота шины PCI 66 МГц может устанавливаться тактовым генератором только при высоком уровне на линии M66EN. Таким образом, установка любой карты, не поддерживающей 66 МГц (с заземленным контактом этой линии), приведет к по$ нижению частоты шины до 33 МГц. Серверные системные платы, на которых име$ ется несколько шин PCI, позволяют использовать на разных шинах разные часто$ ты (66 и 33 МГц). Так, например, можно на 64$битных слотах использовать частоту 66 МГц, а на 32$битных — 33. Разгон нормальной частоты 33 МГц до 40–50 МГц аппаратно не контролируется, но может приводить к ошибкам работы карт расши$ рения.

Согласно спецификации PCI, устройства должны нормально работать при сниже$ нии частоты от номинальной (33 МГц) до нуля. Изменение частоты во время ра$ боты устройств допустимо при условии, чтобы все время соблюдались ограниче$ ния по минимальной длительности высокого и низкого уровней сигнала CLK. Останавливаться сигнал CLK должен только на низком уровне. После возобновле$ ния подачи импульсов CLK устройства должны продолжить работу, как будто оста$ новки синхронизации и не было.

При работе с частотой 66 МГц и выше для снижения электромагнитных помех (EMI) от сигнала фиксированной частоты может применяться расширение спект ра сигнала CLK (spread spectrum): неглубокая частотная модуляция с частотой мо$ дуляции 30–33 кГц. Если в устройствах для синхронизации используются схемы с ФАПЧ (PLL), то их быстродействие должно быть достаточным для отработки этой модуляции. В спецификации PCI$X диапазоны допустимых изменений тактовой частоты зависят от режима шины (см. табл. 6.5).

Стандартные слоты и карты PCI

Стандартные слоты PCI и PCI$X представляют собой щелевые разъемы, имею$ щие контакты с шагом 0,05 дюйма. Слоты расположены несколько дальше от зад$ ней панели, чем ISA/EISA или MCA. Компоненты карт PCI расположены на ле$ вой поверхности плат. По этой причине крайний PCI$слот обычно совместно использует посадочное место адаптера (прорезь на задней стенке корпуса) с сосед$ ним ISA$слотом. Такой слот называют разделяемым (shared slot), в него может ус$ танавливаться либо карта ISA, либо PCI.

Карты PCI могут предназначаться для интерфейсных сигналов уровня 5 В и 3,3 В, а также быть универсальными. Слоты PCI имеют уровни сигналов, соответствую$ щие питанию микросхем PCI$устройств системной платы (включая главный мост): либо 5 В, либо 3,3 В. Во избежание ошибочного подключения слоты имеют ключи, определяющие номинал напряжения. Ключами являются пропущенные ряды кон$ тактов 12, 13 и/или 50, 51:

для слота на 5 В ключ (перегородка) расположен на месте контактов 50, 51 (бли$ же к передней стенке корпуса); такие слоты отменены в PCI 3.0;

для слота на 3,3 В перегородка находится на месте контактов 12, 13 (ближе к задней стенке корпуса);

на универсальных слотах перегородок нет;

на краевых разъемах карт 5 В имеются ответные прорези только на месте кон$ тактов 50, 51; такие карты отменены в PCI 2.3;

на картах 3,3 В прорези только на месте контактов 12, 13;

на универсальных картах имеется оба ключа (две прорези).

Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением пита$ ния. Карты и слоты различаются лишь питанием буферных схем, которое посту$ пает с линий +V I/O:

на слоте «5 В» на линии +V I/O подается + 5 В;

на слоте «3,3 В» на линии +V I/O подается + (3,3–3,6) В;

на карте «5 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание + 5 В;

на карте «3,3 В» буферные микросхемы рассчитаны только на питание + (3,3– 3,6) В;

на универсальной карте буферные микросхемы допускают оба варианта пита$ ния и будут нормально формировать и воспринимать сигналы по специфика$ циям 5 или 3,3 В, в зависимости от типа слота, в который установлена карта (то есть от напряжения на контактах + V I/O).

На слотах обоих типов присутствуют питающие напряжения + 3,3, + 5, + 12 и –12 В на одноименных линиях. В PCI 2.2 определена дополнительная линия 3.3Vaux — «дежурное» питание + 3,3 В для устройств, формирующих сигнал PME# при от$ ключенном основном питании.

ПРИМЕЧАНИЕ

Выше приведены положения из официальных спецификаций PCI. На современных системных платах пока чаще всего встречаются слоты, по ключу являющиеся 5 вольтовыми. Однако при этом напряжение на линиях +V I/O и уровни сигналов ин терфейса являются 3,3 вольтовыми. В этих слотах нормально работают все совре менные карты с 5 вольтовыми ключами — их интерфейсные схемы работают при питании как 3,3, так и 5 В. Интерфейс с 5 вольтовым питанием может работать только на частоте до 33 МГц. «Настоящие» 5 вольтовые системные платы были только для процессоров 486 и первых моделей Pentium.

Наибольшее распространение получили 32$битные слоты, заканчивающиеся кон$ тактами A62/B62. 64$битные слоты встречаются реже, они длиннее и заканчива$ ются контактами A94/B94. Конструкция разъемов и протокол позволяют устанав$ ливать 64$битные карты как в 64$битные, так и в 32$битные разъемы, и наоборот, 34$битные карты как в 32$битные, так и в 64$битные разъемы. При этом разряд$ ность обмена будет соответствовать слабейшему компоненту.

Для сигнализации об установке карты и потребляемой ею мощности на разъемах PCI предусмотрено два контакта — PRSNT1# и PRSNT2#, из которых хотя бы один соединяется на карте с шиной GND. С их помощью система может определить при$ сутствие карты в слоте и ее энергопотребление. Кодирование потребляемой мощно$ сти приведено в табл. 6.2; здесь приведены значения и для малогабаритных карт Small PCI (см. ниже).

Таблица 6.2. Сигнализация присутствия карты и потребляемой мощности PCI

Карты и слоты PCI X по механическим ключам соответствуют 3,3$вольтовым кар$ там и слотам; напряжение питания + V I/O для PCI$X Mode 2 устанавливается 1,5 В.

На рис. 6.1 изображены карты PCI в конструктиве PC/AT$совместимых компью$ теров. Полноразмерные карты (Long Card, 107×312 мм) используются редко, чаще применяются укороченные платы (Short Card, 107×175 мм), но многие карты име$ ют и меньшие размеры. Карта имеет обрамление (скобку), стандартное для кон$ структива ISA (раньше встречались карты и с обрамлением в стиле MCA IBM PS/2). У низкопрофильных карт (Low Profile) высота не превышает 64,4 мм; их скобки также имеют меньшую высоту. Такие карты могут устанавливаться верти$ кально в 19$дюймовые корпуса высотой 2U (около 9 см).

Рис. 6.1. Карты расширения для шины PCI: a — укороченная (обычная); б — полноразмерная, в — низкопрофильная

Назначение выводов разъема карт PCI/PCI$X приведено в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Разъемы шины PCI

продолжение

Таблица 6.3 (продолжение)

1 Сигнал M66EN определен в PCI 2.1 только для слотов на 3,3 В. 2 Сигнал введен в PCI$X 2.0 (прежде был резерв).

3 Сигнал введен в PCI 2.2 (прежде был резерв). 4 Сигнал введен в PCI$X (в PCI — GND).

5Сигналы введены в PCI 2.3. В PCI 2.0 и 2.1 контакты A40 (SDONE#) и A41 (SBOFF#) использовались для слежения за кэшем; в PCI 2.2 они были освобождены (для совместимости на системной плате эти цепи подтягивались к высокому уровню резисторами 5 кОм).

На слотах PCI имеются контакты для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS и TRST#). На системной плате эти сигналы задействова$ ны не всегда, но они могут и организовывать логическую цепочку тестируемых адап$ теров, к которой можно подключить внешнее тестовое оборудование. Для непрерыв$ ности цепочки на карте, не использующей JTAG, должна быть связь TDI–TDO.

На некоторых старых системных платах позади одного из слотов PCI встречается разъем Media Bus, на который выводятся сигналы ISA. Он предназначен для раз$ мещения на карте PCI звукового чипсета, предназначенного для шины ISA.

Большинство сигналов PCI соединяются по чистой шинной топологии, то есть одноименные контакты слотов одной шины PCI электрически соединяются друг

сдругом. Из этого правила есть несколько исключений:

сигналы REQ# и GNT# индивидуальны для каждого слота, они соединяют слот с арбитром (обычно — мостом, подключающим эту шину к вышестоящей);

сигнал IDSEL для каждого слота соединяется (возможно, через резистор) с од$ ной из линий AD[31:11], задавая номер устройства на шине;

сигналы INTA#, INTB#, INTC#, INTD# циклически сдвигаются по контактам (см. рис. 3.1), обеспечивая распределение запросов прерываний;

сигнал CLK заводится на каждый слот индивидуально от своего выхода буфера синхронизации; длина подводящих проводников выравнивается, обеспечивая синхронность сигнала на всех слотах (для 33 МГц допуск ± 2 нс, для 66 МГц —

± 1 нс).

Когда обычная системная плата используется в низкопрофильных корпусах, для подключения карт расширения можно использовать пассивный переходник (Riser Card), устанавливаемый в один из слотов PCI. Если в переходник устанавливает$ ся более одной карты, то для реализации вышеупомянутых исключений использу$ ют выносные разъемы PCI (маленькие печатные платы), с помощью которых вы$ шеперечисленные сигналы берутся от других, свободных слотов PCI на системной плате. Переставляя эти разъемы, можно менять номера устройств на слотах пере$ ходника, а главное — их раскладку по линиям запросов прерывания. Беда такого подключения — длинные (10–15 см) шлейфы, соединяющие переходник со слота$ ми. Все сигналы в этом шлейфе передаются по параллельным неперевитым прово$ дам, что очень плохо для сигнала CLK: его форма искажается и вносится значитель$ ная задержка. Результатом могут быть внезапные «зависания» компьютера без всяких диагностических сообщений. В такой ситуации может помочь отделение провода CLK от общего шлейфа и встречное скручивание его свободного конца (это уменьшает индуктивность проводника). Остальные сигналы в шлейфе не так кри$ тичны к качеству разводки. Лучшим решением будет использование низкопрофиль$ ных карт PCI, устанавливаемых в системную плату без переходников. Проблема не возникала бы, если бы на переходнике была установлена микросхема источни$ ка синхронизации, раздающего синхросигнал на все слоты переходника. Однако это требует применения микросхем с ФАПЧ (PLL), привязывающих свой выход$ ной сигнал к сигналу синхронизации от системной платы, что несколько удорожа$ ет переходник.

Инициализация и определение режима работы шины PCI X

Каждый сегмент PCI$X (физическая шина) должен работать в самом прогрессив$ ном режиме, доступном всем его абонентам, включая и главный для этой шины мост. В стандартной шине PCI «прогрессивность» определяется только допусти$ мой тактовой частотой (33 или 66 МГц), и свои способности карта сообщает по контакту B49 (M66EN, см. выше). В шине PCI$X появляются новые возможности: поддержка собственно протокола PCI$X (Mode 1 в терминах PCI$X 2.0) и ускорен$ ных передач (Mode 2). Эти возможности карта сообщает через контакт B38 (PCIXCAP), который может быть подключен к шине GND через резистор определен$ ного номинала или оставаться неподключенным (NC), как указано в табл. 6.4). Номиналы резисторов выбраны так, что мост может определить возможности карт в многослотовых шинах, когда цепи PCIXCAP всех карт соединяются параллельно (кроме резисторов на картах имеются и конденсаторы). Мост, которому подчиня$ ется данная шина, проверяет состояние линий M66EN и PCIXCAP по началу сигнала сброса. В соответствии с увиденными возможностями (они будут соответствовать самому слабому абоненту) мост выбирает режим работы шины. Этот режим дово$ дится до всех абонентов с помошью шаблона инициализации (PCI$X Initialization Pattern) — уровней сигналов PERR#, DEVSEL#, STOP# и TRDY# в момент окончания сиг$ нала RST# (по его нарастающему фронту). К этому моменту на слоты уже подается соответствующее напряжение +VI/O. Возможные режимы шины и их шаблоны инициализации приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.4. Сообщение свойств карт PCI/PCI X