Hardware Support/ru

KolibriOS частично обеспечивает поддержку оборудования персонального компьютера. Часть оборудования поддерживается ядром ОС, часть динамически загружаемыми драйверами, мало того система предоставляет возможность прямого доступа к оборудованию прямо из пользовательского режима! Т.е. вы можете написать программу, которая сможет работать с оборудованием используя соответсвующий системный сервис. Правда этот подход лучше использовать исключительно в отладочных или исследовательских целях, а для "нормальной" поддержки оборудования всё-таки писать драйвера. Также нужно понимать, что существуют два вида драйверов:

• Драйвер являющейся частью ядра, т.е. весь его код может находиться в отдельном модуле, но после компиляции ядра он станет частью кода ядра системы (например: hd_drv.inc).
• Драйвер динамически подгружаемый в адресное пространство ядра уже после загрузки системы (например: sound.asm), эти драйвера находятся в специальной системной директории (/rd/1/drivers/).

Состав аппаратного обеспечения ПК

Итак из чего же состоит компьютер? Большинство пользователей, вспомнив уроки информатики, тут же назовут: системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Многие подумав добавят HDD, CD/DVD, Floppy приводы, видео, аудио и сетевую карты. А если заглянуть поглубже?

В системном блоке основным элементом является материнская плата, а на ней находится сердце компьютера - центральный процессор (ЦПУ) и оперативная память (ОП). Программиста же решившего написать драйвер для поддержки какого-то устройства в KolibriOS, больше всего заинтересует Южный Мост, чип где сходятся большинство ниточек, контролирующих оборудование. Существует также Северный Мост, посредством которого Южный Мост и связан с ЦПУ и ОП, но его мы пока подробно рассматривать не будем ввиду его небольшой функциональности с точки зрения программиста.

Компоненты южного моста

Большинство устройств представлены в Южном Мосту в качестве так называемых контроллеров - программно-доступных электронных блоков, управляющих работой конкретного оборудования. Из-за огромного разнообразия, многофункциональности и слабой стандартизации современного компьютерного "железа", каждому такому контроллеру требуется уникальный драйвер - специальная системная программа, обеспечивающая инициализацию, конфигурирование, эффективное управление оборудованием в реальной системной среде, и (самое главное!-) быстрый и надежный ввод/вывод потоков информации через данное устройство.

Функционально южный мост включает в себя:

• стандартный контроллер шины PCI;
• контроллер шины PCI Express;
• шина ISA, которая используется достаточно редко, но тем не менее остается неотъемлемой частью любого южного моста.
• контроллер шины SMBus или I2C для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами);
• DMA контроллер с поддержкой древних ISA и LPC-протоколов прямого доступа к оперативной памяти без участия ЦПУ;
• контроллеры прерываний: старый PIC и "продвинутый" APIC;
• ATA (IDE) и SATA контроллеры;
• контроллер шины LPC для передачи данных и управления SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи-контроллер) и BIOS ROM (флэш);
• часы реального времени (Real Time Clock);
• управление питанием (Power management (APM и ACPI) позволяющие переводить компьютер в «спящий режим» или выключать его;
• энергонезависимую память BIOS (CMOS) с независимым электропитанием от батареи, включающая небольшую по область памяти для хранения системных настроек;
• звуковой контроллер (обычно AC97 или Intel HDA).

Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры, контроллеры USB, FireWire и аудио-кодек.

Некоторые южные мосты также включают поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов. Однако, на многих системных платах эти устройства подключены через другой чип — Super I/O (контроллер ввода-вывода).

Возникает резонный вопрос: если все эти электронные фишки такие разные, как вообще возможен нормальный старт компьютера и загрузка операционной системы - ведь никаких драйверов в этот момент еще нет, а каждое устройство по-своему уникально и нестандартно?

Во-первых, кое-какая стандартизация всё-таки имеется. Пожалуй, главный и наиболее последовательный стандарт, общий для всех современных ПК-платформ - спецификация шины PCI, включающая единообразные средства идентификации, конфигурации и (в определенных рамках) диагностики устройств. Кроме него, имеется де-факто стандарт древней (legacy) архитектуры IBM PC/AT, низкоуровневая совместимость с которой до сих пор требуется от всех х86-платформ.

Во-вторых, существует ряд спецификаций базовой системы ввода-вывода BIOS, определяющих основные протоколы и структуры данных для работы с контроллерами устройств. После включения питания специальная программа POST (power-on self test) диагностирует и конфигурирует конкретное "железо" в соответствии с их требованиями; по завершении своей работы BIOS осуществляет загрузку операционной системы согласно BIOS Boot Specification.

Примитивный и медленный (но - надёжный и универсальный!) сервис BIOS в той или иной мере используется всеми операционными системами. Особенно велика его роль на этапе загрузки, пока ядро не успело обрасти драйверами и сконфигурировать свои собственные, быстрые и эффективные процедуры взаимодействия с имеющимся оборудованием.

Зависимость КолибриОС от сервиса BIOS очень высока, а специализированные системные драйверы - пока очень немногочисленны.

Поддержка аппаратного обеспечения в KolibriOS

Рассмотрим как же работает с оборудованием KolibriOS.

Список оборудования

Системные шины и интерфейсы передачи данных

Шина/Интерфейс	Поддержка в KolibriOS	Примечания
PCI	Поддерживается ядром ОС (/kernel/bus/pci32.inc)	пользователь имеет доступ к конфигурационному пространству PCI-устройств (в последующих версиях ОС этот небезопасный сервис будет ограничен) есть возможность доступа к портам и "бортовой" MMIO-памяти устройств из пользовательского приложения (требуется перекомпиляция с раскомментированной первой строчкой в /kernel/bus/pci32.inc )
PCI Express	В официальном ядре по умолчанию не поддерживается	Настраивается BIOSом в режиме совместимости как обычная шина PCI. Для AMD-процессоров реализовано автоопределение адреса расширенного конфигурационного пространства PCIe. Для других процессоров этот адрес можно установить вручную. В любом случае для активации сервиса требуется перекомпилировать ядро, включив в сборку kernel/bus/PCIe.inc и добавив в ядро (в восьмисотых-девятисотых строках kernel.asm) вызов call pcie_ext_config. В экспериментальном ядре Kolibri-A взаимодействие со всеми устройствами реализуется через PCIe-механизм, старый PCI-сервис эмулируется для совместимости.
PCI-X	Не поддерживается	Работает в режиме совместимости как шина PCI.
AGP	ограниченная поддержка	см. видеодрайвер ATIKMS
ISA	?
EISA	?
ASUS Media Bus	Не поддерживается
SMBus или I2C	Не поддерживается
LPC	Не поддерживается
USB	Поддерживается драйвером	Только для UHCI
FireWire	Не поддерживается
HyperTransport	Официальным ядром не поддерживается	ограниченная поддержка в Kolibri-A
InfiniBand	Не поддерживается
RapidIO	Не поддерживается
Fibre Channel	Не поддерживается
BlueTooth	Не поддерживается
IrDA	Не поддерживается
Wi-Fi	Не поддерживается
WiGig	Не поддерживается
Light Peak	Не поддерживается
Digital Visual Interface	Не поддерживается
DisplayPort	Не поддерживается
HDMI	Не поддерживается

Порты

Порт	Поддержка в KolibriOS
PS2	Поддерживается ядром ОС
COM	Поддерживается ядром ОС
LPT	Поддерживается ядром ОС
SPI	Не поддерживается
Game port	Не поддерживается
UHCI	Поддерживается драйвером
OHCI	Не поддерживается
EHCI	Не поддерживается
XHCI	Не поддерживается

Устройства хранения информации

Контроллер	Устройство	Поддержка в KolibriOS	Примечания
IDE (ATA)	FDD	Поддерживается ядром ОС	(см. /kernel/blkdev/flp_drv.inc)
	CD/DVD	Поддерживается ядром ОС	(см. /kernel/blkdev/cd_drv.inc)
	HDD	Поддерживается ядром ОС	(см. /kernel/blkdev/hd_drv.inc)
SATA	CD/DVD	Не поддерживается	В ряде случаев система может работать с SATA- и USB-дисками через BIOS Fn13h в виртуальном V86-режиме (скорость чтения/записи при этом оставляет желать лучшего).
	HDD	Не поддерживается
USB	CD/DVD	Не поддерживается
	SSD	Не поддерживается
	FlashDrive	Не поддерживается
	FlashCard	Не поддерживается
RAID	HDD	?

Системные устройства

Устройство	Поддержка в KolibriOS
Контроллер прерываний PIC	Поддерживается ядром ОС
Контроллер прерываний APIC	Поддерживается ядром ОС (по умолчанию код включен только в ветке Kolibri-ACPI)
Контроллер DMA	Поддерживается ядром ОС
Часы реального времени (Real Time Clock)	Поддерживается ядром ОС
Энергонезависимая память BIOS (CMOS)	Поддерживается ядром ОС

Управление питанием

Стандарт	Поддержка в KolibriOS
APM	Поддерживается ядром ОС
ACPI	Драйвером ACPICA (по умолчанию код включен в ветке Kolibri-ACPI)

Аудио

 Поддерживается только аудио перечисленное в данной таблице.

Стандарт	Производитель	Чипсет	Примечание
AC97	Intel Corporation	ICH0	Звуковой контроллер AC97 - поддерживается драйверами соответствующих устройств. Поскольку AC97 стандарт стандартизует только функции кодека и AC-Link, отвечающего за взаимодействие контроллера и кодека, то для различных контроллеров AC97 требуются разные драйвера.
		ICH1
		ICH2
		ICH3
		ICH4
		ICH5
		ICH6
	NVidia	NForce
		NForce2
		NForce3
		NForce4
		NForce500
	Silicon Integrated Systems	SIS7012
	ForteMedia	FM801
	VIA Technologies	VT8231
		VT8233
		VT8233C
		VT8235
		VT8237
		VT8237R
		VT8237R Plus
	Creative	EMU10K1X	Находится не на материнской плате компьютера, а на отдельной аудиокарте, которая вставляется в слот расширения PCI
HDA			Системой пока не поддерживается, работа над драйвером ведётся в настоящее время.
SB16	Creative	SoundBlaster16	Находится не на материнской плате компьютера, а на отдельной аудиокарте, которая вставляется в слот расширения ISA
		SoundBlaster16 ASP
		SoundBlaster16 PnP

Видео

Производитель(Стандарт)	Поддержка в KolibriOS	Примечания
VESA	Поддерживается ядром ОС	Поддерживается абсолютным большинством современных компьютеров.
VGA	Поддерживается ядром ОС
AMD	Драйвером для всех моделей ATI Radeon.	Поддерживаются аппаратный курсор мыши, смена видеорежимов и акселерация двумерной графики.
NVidia	Не поддерживается
Intel	Не поддерживается
VIA	Не поддерживается

Сетевые контроллеры

 В настоящее время контроллеры Ethernet поддерживаются драйверами в составе ядра ОС,
 но ведётся активная работа по выносу кода в динамически подгружаемые драйвера
 и созданию нового сетевого стека в рамках Net ветки KolibriOS.
 В данной таблице перечислены сетевые контроллеры, поддерживаемые системой в настоящее время.

Производитель	Устройство	Примечания
3Com Corporation	3c59x
	3c900
	3c905
	3c980
	3cSOHO100
	3c555
	3c556
	3c595
	3c575
	3cCFE575BT
	3cCFE575CT
	3cCFE656
	3c450
Realtek Semiconductor Co., Ltd.	rtl8029	RTL-8029(AS)
	rtl8139	RTL-8139/8139C/8139C+, RT8139 (B/C) Cardbus Fast Ethernet Adapter
	rtl8168	RTL8111/8168B PCI Express Gigabit Ethernet controller (rtl8169)
	rtl8169	RTL-8169 Gigabit Ethernet, RTL-8110SC/8169SC Gigabit Ethernet
Accton Technology Corporation	SMC2-1211TX	(rtl8139)
DELTA Electronics, Inc	RTL81xx	RealTek Ethernet (rtl8139)
Addtron Technology Co, Inc.	RTL8139	Ethernet (rtl8139)
D-Link System Inc	RTL8139 Ethernet	(rtl8139)
	DGE-528T	Gigabit Ethernet Adapter (rtl8169)
	DFE-690TXD	CardBus PC Card (rtl8139)
Abocom Systems Inc	RTL8139 (FE2000VX)	CardBus Fast Ethernet Attached Port Adapter (rtl8139)
Allied Telesyn International	RTL81xx	Fast Ethernet (rtl8139)
Planex Communications, Inc	FNW-3603-TX	CardBus Fast Ethernet (rtl8139)
	RTL81xx	RealTek Ethernet (rtl8139)
Sega Enterprises Ltd	RTL81xx	Fast Ethernet (rtl8139)
Edimax Computer Co.	RTL81xx	Fast Ethernet (rtl8139)
SpeedStream	1012 PCMCIA 10/100 Ethernet Card (RTL81xx)	(rtl8139)
LevelOne	FPC-0106TX misprogrammed (RTL81xx)	(rtl8139)
Northern Telecom	10/100BaseTX (RTL81xx)	(rtl8139)
Peppercon AG	ROL/F-100 Fast Ethernet Adapter with ROL	(rtl8139)
Compaq Computer Corporation	HNE-300	(RealTek RTL8139c) (iPaq Networking) (rtl8139)
U.S. Robotics	USR997902	10/100/1000 Mbps PCI Network Card (rtl8169)
Intel Corporation	i8255x
	i82801
Silicon Integrated Systems	SIS900
	SIS7016
AMD	79c970	pcnet32 (PCnet32 LANCE)
	79c978	pcnet32 (HomePNA)
NVidia	NForce
	NForce2
	NForce3
	MCP2A
	CK8S
	CK804
	MCP04
	MCP51
	MCP55
	MCP61
	MCP65
	MCP67
	MCP73
	MCP77
	MCP79
	MCP89

Устройства ввода

Тип устройства	Устройство	Поддержка в KolibriOS
Устройства ввода графической информации	Сканер	Не поддерживается
	Видео- и Веб-камера	Не поддерживается
	Цифровой фотоаппарат	Не поддерживается
	Плата видеозахвата	Не поддерживается
Устройства ввода звука	Микрофон	Не поддерживается
	Цифровой диктофон	Не поддерживается
	Модем	Поддерживается ядром ОС
Устройства ввода текстовой информации	Клавиатура (PS/2)	Поддерживается ядром ОС
	Клавиатура (USB)	Не поддерживается
Указательные (координатные) устройства с относительным указанием позиции (перемещения)	Мышь (PS/2)	Поддерживается ядром ОС
	Мышь (Com)	Поддерживается драйвером
	Мышь (USB)	Поддерживается драйвером
	Тачпад	Поддерживается ядром ОС в режиме эмуляции мыши (PS/2)
	Трекбол	?
	Трекпоинт	?
	Джойстик (LPT)	Поддерживается драйвером
	Джойстик (USB)	Не поддерживается
Указательные (координатные) устройства с возможностью указания абсолютной позиции	Графический планшет	Не поддерживается
	Световое перо	Не поддерживается
Игровые устройства ввода	Педаль	Не поддерживается
	Геймпад	Не поддерживается
	Руль	Не поддерживается
	Рычаг для симуляторов полёта	Не поддерживается
Устройства ввода общего назначения	Сенсорный экран	Не поддерживается

Устройства вывода

Тип устройства	Устройство	Поддержка в KolibriOS
Устройства вывода графической информации	Монитор (дисплей)	Поддерживаются видеодрайверами
	Проектор	Не поддерживается
	Принтер	Не поддерживается
	Графопостроитель	Не поддерживается
Устройства для вывода звука	Встроенный динамик	Поддерживается ядром ОС, также есть драйвер работающий с HAL - драйвером Infinity.
	Колонки	Поддерживаются аудиодрайверами
	Наушники	Поддерживаются аудиодрайверами.

Ресурсы предоставляемые системой для контроля оборудования

Для контроля оборудования используются обработчики аппаратных прерываний (IRQ), порты ввода/вывода и MMIO (memory-mapped IO или "отображённые на память зоны ввода-вывода"), которые BIOS выделил для конкретного оборудования. Поскольку у каждого системного устройства имеется свой уникальный адрес на шине PCI, то и доступ к ним разумно осуществлять через эту шину. Следует заметить, что новый стандарт системной шины PCI Express совместим "с верху вниз" с PCI, что позволяет проводить детектирование и базовый контроль ввода-вывода PCIe-устройств помощью стандартного сервиса PCI КолибриОС.

Как уже отмечалось, PCI устройства могут существенно отличаться друг от друга по используемым ресурсам и методам инициализации оборудования. Тем не менее, часть программно-доступных ресурсов является стандартной для всех устройств, что и позволяет точно идентифицировать имеющееся оборудование на шине. Прежде всего PCI устройство необходимо найти на шине, зайти в его конфигурационное пространство и обязательно проверить совпадение его вендора/версии с имеющимся шаблоном (иначе наш драйвер начнёт рулить каким-то совсем другим железом!), после чего можно приступать к диагностике и тонкой настройке режимов работы, подготавливая устройство для дальнейшей работы. Пример поиска оборудования на шине PCI см. в файле /drivers/sceleton.asm, этот файл является базой для многих новых драйверов.

Системой пока поддерживается только древний контроллер прерываний PIC, имеющий всего 16 линий запроса, при этом многие линии уже зарезервированы ядром. Важно, что на один IRQ-запрос в текущей версии Колибри можно повесить только один обработчик. Таким образом, если прерывание уже используется каким-то другим устройством, то для обеспечения корректной работы нужно либо разработать общий драйвер для конфликтующих устройств(!!), либо вручную переназначить номер IRQ, использовав ещё не занятую линию (обычно BIOS позволяет это разрулить через setup-меню).

Адреса поротов ввода-вывода и диапазонов MMIO содержатся в регистрах BAR0-BAR5 конфигурационного пространства PCI-устройства. Системный программист может узнать эти адреса только прочитав BAR-регистры: из драйвера - с помощью pci_read_reg (bus/pci/pci32.inc), из пользовательской программы - вызвав подфункцию 6 сисфункции 62. Чем отличаются порты от MMIO-памяти? Принципиально - ничем. И то, и другое служит для доступа к информационным шлюзам, связывающим ЦП с внешним миром. Есть некоторые нюансы электронной организации таких шлюзов (однотипные регистровые блоки имеет смысл упаковывать в MMIO, а уникальные - хранить в отдельных портах), но программисту можно этим не заморачиваться: с точки зрения программирования вся разница между этими ресурсами - в способе чтения и записи данных in/out для портов и mov для mmio.

Что необходимо для того, чтобы написать драйвер

Больше всего потребуется непреклонное желание добиться поставленной цели не смотря ни на какие сложности возникающие по ходу работы, это может быть основное, что вам понадобиться, как в принципе и при решении любой другой задачи. Кроме этого вам необходимо:

• Прочитать статью "Пишем драйвер для КолибриОС". В статье говорится о написании драйверов в формате MS COFF.
  Кроме этого система позволяет писать драйвера в формате PE. Также для сведения, в рамках ветки Kolibri-ACPI создается новая драйверная архитектура (тема на форуме).
• Достать спецификацию (datasheet) на конкретный Южный Мост и/или конкретное устройство на которое пишется драйвер.
  Например на форуме KolibriOS.
• Если уже существуют в Колибри драйвера аналогичных устройств, то неплохо было бы почитать их код (посмотреть "как это делается")
• Очень желательно смотреть исходный код драйверов нужного устройства для других ОС для понимания в общем и целом способов управления устройством
• Уметь искать необходимую для разработки информацию, чем больше полезной информации тем лучше
• Не будет лишним также общаться с другими разработчиками драйвером, в случае возникновения сложных вопросов
• Для просмотра списка устройств и их параметров на шине PCI, в Колибри есть специальное приложение pcidev. К примеру если устройство на которое вы пишете драйвер не может получить IRQ в своё монопольное распоряжение, то можно посмотреть какое ещё устройство получило это прерывание, чтобы исправить ситуацию.