✨ 075 硬盘异步 PIO

docs/09 设备驱动/075 硬盘异步 PIO.md

@@ -0,0 +1,73 @@
+# 硬盘异步 PIO
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+由于同步状态检测，消耗了大量的 CPU 资源，所以可以使用异步的方式来等待硬盘驱动器。给驱动器发送完读写命令后，进程可以进入阻塞态，当驱动器完成一个扇区的操作 (读/写) 时，会发送中断，可以在中断中恢复进程到就绪态，继续执行。
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+## 中断
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+注意：当命令以错误结束时，它不会生成 IRQ。每秒检查几次备用状态寄存器是明智的，以查看是否设置了 ERR 位。否则，直到命令超时您才会知道。
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+## 处理中断
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+在早期，IRQ 的唯一目的是通知 IRQ 处理程序驱动器已经准备好发送或接受数据。我们的期望是 IRQ 处理程序本身将立即对下一个数据块执行基于 PIO 的数据传输。现在事情没那么简单了。总线上的一个或两个驱动器可能处于 DMA 模式，或者数据块大小不是 256 个 16 位值。此外，现在更强调以尽可能快的速度从 IRQ 处理程序例程中返回。所以问题是：IRQ处理程序需要做的最小操作集是什么?
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+如果您正在使用 IRQ 共享，您将需要检查 PCI 总线主状态字节，以验证 IRQ 来自磁盘。如果是这样，就需要读取常规状态寄存器一次，以使磁盘清除其中断标志。如果状态寄存器中的 ERR 位被设置(位 0，值 = 1)，您可能想从错误 IO 端口(主总线上 0x1F1)读取并保存 **错误详细信息** 值。
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+如果传输是一个 READ DMA 操作，则必须从总线主状态寄存器读取值。因为 IRQ 处理程序可能不知道操作是否是 DMA 操作，所以在所有 IRQ 之后 (如果总线是由 PCI 控制器控制的，几乎肯定是这样)，您可能会检查 Busmaster Status 字节。如果该字节设置了 ERR 位(位 1，值 = 2)，您可能希望将当前值保存在磁盘的 LBA IO 端口中，它们可以告诉您驱动器上哪个扇区生成了错误。您还需要清除错误位，方法是向其写入一个 2。
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+您还需要向两个 PIC 发送 EOI (0x20)，以清除它们的中断标志。然后，您需要设置一个标志来“解除”驱动程序，并让它知道发生了另一个 IRQ ——这样驱动程序就可以进行任何必要的数据传输。
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+注意：如果你仍然处于单请求模式，并且只在 PIO 模式下轮询常规状态寄存器，那么 IRQ 处理器需要做的唯一一件事就是向 PCI 发送 EOI。您甚至可能想要设置控制寄存器的 nIEN 位，以尝试完全关闭磁盘 IRQ。
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+## 轮询状态 VS 中断
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+当驱动发出 PIO 读写命令时，需要等待驱动准备好后才能传输数据。有两种方法可以知道驱动器何时准备好接收数据。当它就绪时，驱动器将发送一个 IRQ。或者，驱动程序可以轮询其中一个状态端口(常规或备用状态)。
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+轮询有两个优点:
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+- 轮询的响应速度比 IRQ 快
+- 轮询的逻辑比等待 IRQ 简单得多
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+还有一个巨大的缺点：
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+- 在多任务环境中，轮询会耗尽所有CPU时间
+- 但是，在单请求模式下，这不是问题(CPU 没有更好的事情可做)，所以轮询是一件好事
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+如何轮询(等待驱动器准备传输数据):
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+- 读取常规状态端口，直到第 7 位(BSY，值= 0x80)清除，和第 3 位(DRQ，值= 8)设置
+- 或直到第 0 位(ERR，值= 1) 或 第 5 位(DF，值= 0x20)设置。
+- 如果两个错误位都没有设置，那么设备就已经准备好了
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+## 抢占/防止中断触发
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+如果驱动程序在向驱动器发送命令后读取了常规状态端口，则 **响应** IRQ 可能永远不会发生
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+如果您想要接收 IRQs，那么总是读取 **备用状态端口**，而不是常规状态端口。但有时 IRQ 只是浪费资源，让它们消失可能是一个好主意。
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+防止 ATA IRQs 发生的更完整的方法是在特定选定驱动器的控制寄存器中设置 nIEN 位。这应该会阻止总线上的驱动器发送任何 IRQs，直到你再次清除该位。
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+然而，它可能并不总是有效，一些程序员报告了 nIEN 运行时的问题。当 nIEN 是总线上的选定驱动器时，驱动器只响应新写入的 nIEN 值。
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+也就是说，如果选择了一个驱动器，并且您设置了 nIEN，然后选择带有驱动器选择寄存器的另一个驱动器，然后清除 nIEN ——然后第一个驱动器应该永远“记住”它被告知不要发送 irq ——直到您再次选择它，并在控制寄存器中写入一个 0 到 nIEN 位。
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+### 读写多块
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+在多任务 PIO 模式下，尝试减少 IRQ 数量的一种方法是使用 READ MULTIPLE (0xC4) 和 WRITE MULTIPLE (0xC5) 命令。这
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+些命令使驱动器缓冲区的扇区“块”，并且每个块只发送一个 IRQ，而不是每个扇区发送一个 IRQ。参考 IDENTIFY 命令的 uint16_t 47 和 59 来确定一个块中扇区的数量。您还可以尝试使用 SET MULTIPLE MODE (0xC6) 命令来更改每个块的扇区。
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+注意:总的来说，PIO 模式是一种慢速传输方式。在实际工作条件下，几乎任何驱动器都应该由 DMA 驱动器控制，而不应该使用 PIO。试图通过抢占 IRQ(或任何其他方法)来加快 PIO 模式的速度基本上是在浪费时间和精力。但是，400MB 或更小的 ATA 驱动器可能不支持多字 DMA 模式0。如果您希望支持这种大小的驱动器，那么在 PIO 模式驱动程序上花点功夫可能是值得的。
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+## 参考文献
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+- <https://wiki.osdev.org/PCI_IDE_Controller>
+- Information Technology - AT Attachment - 8 ATA/ATAPI Command Set (ATA8-ACS)
+- <https://wiki.osdev.org/ATA_PIO_Mode>

src/include/onix/ide.h

@@ -26,6 +26,7 @@ typedef struct ide_ctrl_t
     u16 iobase;                    // IO 寄存器基址
     ide_disk_t disks[IDE_DISK_NR]; // 磁盘
     ide_disk_t *active;            // 当前选择的磁盘
+    struct task_t *waiter;         // 等待控制器的进程
 } ide_ctrl_t;
 
 int ide_pio_read(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba);

src/kernel/gate.c

@@ -25,9 +25,24 @@ static void sys_default()
     panic("syscall not implemented!!!");
 }
 
+#include <onix/string.h>
+#include <onix/ide.h>
+
+extern ide_ctrl_t controllers[2];
+
 static u32 sys_test()
 {
-    // LOGK("syscall test...\n");
+    u16 *buf = (u16 *)alloc_kpage(1);
+    LOGK("pio read buffer 0x%p\n", buf);
+    ide_disk_t *disk = &controllers[0].disks[0];
+    ide_pio_read(disk, buf, 4, 0);
+    BMB;
+
+    memset(buf, 0x5a, 512);
+
+    ide_pio_write(disk, buf, 1, 1);
+
+    free_kpage((u32)buf, 1);
     return 255;
 }
 

src/kernel/handler.asm

@@ -105,8 +105,8 @@ INTERRUPT_HANDLER 0x2a, 0
 INTERRUPT_HANDLER 0x2b, 0
 INTERRUPT_HANDLER 0x2c, 0
 INTERRUPT_HANDLER 0x2d, 0
-INTERRUPT_HANDLER 0x2e, 0
-INTERRUPT_HANDLER 0x2f, 0
+INTERRUPT_HANDLER 0x2e, 0; harddisk1 硬盘主通道
+INTERRUPT_HANDLER 0x2f, 0; harddisk2 硬盘从通道
 
 ; 下面的数组记录了每个中断入口函数的指针
 section .data

src/kernel/ide.c

@@ -67,6 +67,24 @@
 
 ide_ctrl_t controllers[IDE_CTRL_NR];
 
+void ide_handler(int vector)
+{
+    send_eoi(vector); // 向中断控制器发送中断处理结束信号
+
+    // 得到中断向量对应的控制器
+    ide_ctrl_t *ctrl = &controllers[vector - IRQ_HARDDISK - 0x20];
+
+    // 读取常规状态寄存器，表示中断处理结束
+    u8 state = inb(ctrl->iobase + IDE_STATUS);
+    LOGK("harddisk interrupt vector %d state 0x%x\n", vector, state);
+    if (ctrl->waiter)
+    {
+        // 如果有进程阻塞，则取消阻塞
+        task_unblock(ctrl->waiter);
+        ctrl->waiter = NULL;
+    }
+}
+
 static u32 ide_error(ide_ctrl_t *ctrl)
 {
     u8 error = inb(ctrl->iobase + IDE_ERR);
@@ -157,6 +175,7 @@ static void ide_pio_write_sector(ide_disk_t *disk, u16 *buf)
 int ide_pio_read(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba)
 {
     assert(count > 0);
+    assert(!get_interrupt_state()); // 异步方式，调用该函数时不许中断
 
     ide_ctrl_t *ctrl = disk->ctrl;
 
@@ -176,7 +195,16 @@ int ide_pio_read(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba)
 
     for (size_t i = 0; i < count; i++)
     {
+        task_t *task = running_task();
+        if (task->state == TASK_RUNNING) // 系统初始化时，不能使用异步方式
+        {
+            // 阻塞自己等待中断的到来，等待磁盘准备数据
+            ctrl->waiter = task;
+            task_block(task, NULL, TASK_BLOCKED);
+        }
+
         ide_busy_wait(ctrl, IDE_SR_DRQ);
+
         u32 offset = ((u32)buf + i * SECTOR_SIZE);
         ide_pio_read_sector(disk, (u16 *)offset);
     }
@@ -189,6 +217,7 @@ int ide_pio_read(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba)
 int ide_pio_write(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba)
 {
     assert(count > 0);
+    assert(!get_interrupt_state()); // 异步方式，调用该函数时不许中断
 
     ide_ctrl_t *ctrl = disk->ctrl;
 
@@ -213,6 +242,14 @@ int ide_pio_write(ide_disk_t *disk, void *buf, u8 count, idx_t lba)
         u32 offset = ((u32)buf + i * SECTOR_SIZE);
         ide_pio_write_sector(disk, (u16 *)offset);
 
+        task_t *task = running_task();
+        if (task->state == TASK_RUNNING) // 系统初始化时，不能使用异步方式
+        {
+            // 阻塞自己等待磁盘写数据完成
+            ctrl->waiter = task;
+            task_block(task, NULL, TASK_BLOCKED);
+        }
+
         ide_busy_wait(ctrl, IDE_SR_NULL);
     }
 
@@ -262,14 +299,10 @@ void ide_init()
     LOGK("ide init...\n");
     ide_ctrl_init();
 
-    void *buf = (void *)alloc_kpage(1);
-    BMB;
-    LOGK("read buffer %x\n", buf);
-    ide_pio_read(&controllers[0].disks[0], buf, 1, 0);
-    BMB;
-    memset(buf, 0x5a, SECTOR_SIZE);
-    BMB;
-    ide_pio_write(&controllers[0].disks[0], buf, 1, 1);
-
-    free_kpage((u32)buf, 1);
+    // 注册硬盘中断，并打开屏蔽字
+    set_interrupt_handler(IRQ_HARDDISK, ide_handler);
+    set_interrupt_handler(IRQ_HARDDISK2, ide_handler);
+    set_interrupt_mask(IRQ_HARDDISK, true);
+    set_interrupt_mask(IRQ_HARDDISK2, true);
+    set_interrupt_mask(IRQ_CASCADE, true);
 }

src/kernel/thread.c

@@ -51,8 +51,9 @@ static void user_init_thread()
 
 void init_thread()
 {
-    // set_interrupt_state(true);
     char temp[100]; // 为栈顶有足够的空间
+    set_interrupt_state(true);
+    test();
     task_to_user_mode(user_init_thread);
 }