Обмен опытом - TR-DOS: Работа с диском при включенных прерываниях.

     (C) Иван Рощин


            Работа с диском
       при включенных прерываниях


     1. Теоретические сведения


     В  компьютере ZX SPECTRUM выполнение
команд обмена информацией между оператив-
ной  памятью  и диском происходит при не-
посредственном  участии центрального про-
цессора Z80 :
 ┌───┐     ┌───┐     ┌────┐     ┌───────┐
 ┤   ├     ┤   ├     ┤    ├     │▒▒▒    │
 ┤   ├     ┤   ├     ┤    ├     ├───────┤
 ┤RAM├ <-> ┤Z80├ <-> ┤ВГ93├ <-> │ диск  │
 ┤   ├     ┤   ├     ┤    ├     │       │
 ┤   ├     ┤   ├     ┤    ├     │       │
 └───┘     └───┘     └────┘     └───────┘

     Как  видим, если во время выполнения
такой  команды произойдет прерывание, Z80
отвлечется на его обработку и команда за-
вершится с ошибкой "потеря данных". Таким
образом, на работу с диском накладываются
определенные ограничения.
     Следует  заметить, что в современных
компьютерах  используется  так называемый
прямой  доступ  к памяти, когда обмен ин-
формацией   между  памятью  и  каким-либо
внешним  устройством происходит без учас-
тия центрального процессора:

 ┌┴┴┴┴┴┴┴┐     ┌┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┐     ┌─┌───┐─┐
 ┤       ├ <-> │   RAM    │<┐   │ │HD │ │
 ┤       ├     └┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┘ │   │ └───┘ │
 ┤  CPU  ├                  │   │▒▒▒▒▒▒▒│
 ┤       ├     ┌┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴┐ │   │▒▒▒▒▒▒▒│
 ┤       ├ <-> │контроллер│<┘┌─>│▒▒▒▒▒▒▒│
 └┬┬┬┬┬┬┬┘     │дисковода │<─┘  └───────┘
               └┬┬┬┬┬┬┬┬┬┬┘       диск

     Спектрум  - компьютер несовременный,
и  недостаток аппаратных средств, которые
позволили  бы  "параллельно"  работать  с
диском  и  делать  что-то еще, приходится
восполнять  программной  поддержкой.  Для
этого прежде всего нужно разобраться, как
осуществляется   выполнение  команд  ВГ93
(например, "чтение сектора") при включен-
ных прерываниях.

─────────────────────────────────────────
     Примечание:  разумеется, все сказан-
ное  о  командах чтения относится и к ко-
мандам записи.
─────────────────────────────────────────


     Скорость  обмена  данными между ВГ93
и  Z80 равна 250 Кбит/с, а диск вращается
со  скоростью  300 об/мин. Исходя из этих
данных,  определим количество байт на од-
ной  дорожке  (обратите  внимание,  что в
расчетах 1 Кбит = 1000 бит, а не 1024):

     (250*1000/8) *60/300 = 6250 байт

     Примерно такое же значение (плюс-ми-
нус пять байт) можно получить, воспользо-
вавшись  для  определения  длины  дорожки
программой Afrodita 3.0 .
     Теперь  вычислим, сколько прерываний
произойдет  в течение одного оборота дис-
ка,  если  их частота известна и равна 50
Гц:

     50*60/300 = 10

     Таким образом, на каждый оборот дис-
ка  приходится  ровно  десять прерываний.
Как  уже  было  сказано,  если прерывание
произойдет  во  время  чтения сектора, то
этот  сектор не будет прочитан. Получает-
ся,  что  этот сектор нельзя будет прочи-
тать и при следующем обороте диска, т. к.
во время его чтения опять произойдет пре-
рывание. И мы приходим к выводу, что чте-
ние  секторов при разрешенных прерываниях
совершенно невозможно.

─────────────────────────────────────────
     Примечание:  все же есть способ осу-
ществить чтение в таких условиях. Если не
удалось прочитать сектор, надо рассинхро-
низировать  процесс  вращения диска и мо-
менты наступления прерываний. Сделать это
можно  очень просто: остановить двигатель
дисковода,  а  затем снова запустить его.
После  этого  остается  только  повторить
чтение нужного сектора.
─────────────────────────────────────────


     А как же, спросите вы, работают раз-
личные  demo,  в  которых чтение секторов
совмещено  с проигрыванием музыки по пре-
рываниям?  Оказывается, не все так плохо.
Дело в том, что на самом деле такой стро-
гой  синхронизации нет. Так, на "Пентаго-
не"  при тактовой частоте 3, 5 МГц проме-
жуток  между прерываниями составляет при-
мерно 71680 тактов. В этом случае частота
прерываний равна:

     3500000/71680 = 48, 83 Гц

─────────────────────────────────────────
     Примечание:   соответственно,  такой
же будет и частота кадров у подключенного
к  "Пентагону"  монитора  или телевизора.
Как  видим,  это  немного  отличается  от
стандарта  (50 Гц). Также это приводит  к
тому, что используемый во многих програм-
мах  таймер,  работающий  на прерываниях,
будет отставать на 1, 4 секунды в минуту,
в чем можно легко убедиться.
─────────────────────────────────────────


     Теперь в течение одного оборота дис-
ка  произойдет 48, 83*60/300 = 9, 77 пре-
рываний.  Рассмотрим, сколько байт прохо-
дит  под  магнитной головкой в промежутке
между двумя прерываниями:

     6250/9, 77 = 640 байт

     Если  считать, что первое прерывание
произошло  в  тот момент, когда магнитная
головка  находилась в начале дорожки, по-
лучаем такую таблицу:

┌──────────────────┬────────────────────┐
│ порядковый номер │ смещение от начала │
│    прерывания    │ дорожки, байт      │
├──────────────────┼────────────────────┤
│         1        │    0               │
│         2        │  640               │
│         3        │ 1280               │
│         4        │ 1920               │
│         5        │ 2560               │
│         6        │ 3200               │
│         7        │ 3840               │
│         8        │ 4480               │
│         9        │ 5120               │
│        10        │ 5760               │
│        11        │  150 (след. оборот)│
│        12        │  790               │
│        13        │ 1430               │
│        14        │ 2070               │
│        15        │ 2710               │
│        16        │ 3350               │
│        17        │ 3990               │
│        18        │ 4630               │
│        19        │ 5270               │
│        20        │ 5910               │
│        21        │  300 (след. оборот)│
│        ...       │  ...               │
└──────────────────┴────────────────────┘

     Видно,  что даже если сектор не про-
читался  на одном обороте дорожки, вполне
возможно,  что  он будет прочитан на сле-
дующем обороте, т. к. моменты наступления
прерываний будут смещены на 150 байт.

─────────────────────────────────────────
     Примечание:  на  моем  "Пентагоне" в
результате  экспериментов было установле-
но,  что из-за пониженной скорости враще-
ния  диска (299, 4 об/мин вместо 300) мо-
менты  наступления  прерываний  смещаются
не  на  150,  а на 138 байт. В дальнейших
расчетах  будет  фигурировать  именно эта
величина.   Для  каждого  компьютера  она
своя, и, как мы увидим, именно от нее за-
висит  степень  замедления  чтения секто-
ров.
─────────────────────────────────────────


     Вычислим,  чему  будет  равно  время
полного чтения диска при запрещенных пре-
рываниях:

     0, 2*160 = 32 секунды

     Теперь попробуем оценить, во сколько
раз замедлится чтение одной дорожки стан-
дартного TR-DOS диска при включенных пре-
рываниях.

─────────────────────────────────────────
     Примечание:  будем  считать, что при
чтении  дорожки  программа сначала считы-
вает все сектора подряд (при этом какие--
то  из  них, очевидно, не будут правильно
считаны  из-за  возникшего прерывания), а
затем  при каждом следующем обороте диска
пытается  прочитать все ранее неправильно
считанные сектора, и так до тех пор, пока
все сектора не будут прочитаны.
     Необходимо учесть, что если последо-
вательно  считываются  несколько  дорожек
(например,  4),  и  каждая дорожка считы-
вается,  например, за 2, 5 оборота диска,
то все 4 дорожки будут считаны не за 4*2,
5 = 10, а за 4*3 = 12 оборотов диска. Это
связано с тем, что когда мы отдаем коман-
ду  позиционирования на другую дорожку, а
затем  отдаем  команду чтения сектора, ВГ
не  сразу  начнет  читать сектор, а будет
ожидать индексного импульса, указывающего
на начало дорожки.
─────────────────────────────────────────


     Очевидно, что время чтения одной до-
рожки (измеряемое в оборотах диска) будет
определяться временем чтения "наихудшего"
сектора,  т. е. такого сектора, на чтение
которого будет затрачено наибольшее коли-
чество попыток.
     Длина  сектора на диске TR-DOS равна
256  байт. Рассмотрим на схеме, как может
происходить  чтение такого сектора в наи-
худшем случае:

 1 ├▒───────────┤ 0    <- показывает, при
                          чтении какого
 2 ├──────▒─────┤ 138  <- байта произошло
                          прерывание
 3 ├────────────┤

     Т.  е. при первом обороте диска пре-
рывание  произойдет  при  чтении байта со
смещением  0,  при  втором обороте момент
наступления  прерывания  сместится на 138
байт  так, что сектор опять не будет счи-
тан,  и,  наконец, при третьем обороте он
прочитается.
     Итак, получили, что время чтения од-
ной  дорожки  замедлится  в 3 раза. Соот-
ветственно,   весь  диск  прочитается  за
32*3=96 секунд, что прекрасно согласуется
с экспериментальными данными.
     Теперь рассмотрим процесс чтения од-
ной дорожки диска MS-DOS . Размер сектора
512 байт. В  этом  случае чтение "наихуд-
шего"  сектора  может происходить по двум
возможным  сценариям: либо он прочитается
на  пятом обороте диска, либо на девятом.
Это показано на схеме:

 1 ├▒───────────────────────┤ 0

 2 ├──────▒─────────────────┤ 138

 3 ├────────────▒───────────┤ 276

 4 ├──────────────────▒─────┤ 414

 5 ├────────────────────────┤



 1 ├────▒───────────────────┤ 93

 2 ├──────────▒─────────────┤ 231

 3 ├────────────────▒───────┤ 369

 4 ├──────────────────────▒─┤ 507

 5 ├▒───────────────────────┤ 5

 6 ├──────▒─────────────────┤ 143

 7 ├────────────▒───────────┤ 281

 8 ├──────────────────▒─────┤ 419

 9 ├────────────────────────┤  

     Практика  показывает, что время чте-
ния  одной дорожки MS-DOS диска в среднем
увеличивается в 7, 6 раза, то есть второй
вариант  реализуется  немного чаще перво-
го.
     Видно,  что из-за большей длины сек-
тора  чтение замедляется еще сильнее, чем
у  диска  TR-DOS . В этом TR-DOS получает
хоть какое-то преимущество.

     А  вот работать с диском IS-DOS  при
включенных прерываниях вообще нельзя. Ду-
маю,  вы  уже догадались, почему - сектор
в 1024 байта будет считываться так долго,
что  за  это время обязательно произойдет
прерывание,  а  может быть, и не одно. По
той же причине при включенных прерываниях
нельзя  форматировать  диск или выполнять
команду чтения трека.

     Как   же  реализовано  одновременное
проигрывание  музыки  и чтение диска (без
всякого  замедления!)  в  таких demo, как
POWER  UP и EYE ACHE 2 ? По-видимому, тут
используется   такой   способ:  процедура
проигрывания   музыки  запускается  после
чтения  очередного  сектора.  Но при этом
вызов  процедуры  не  синхронизируется  с
прерываниями,  а  ошибки чтения сопровож-
даются неприятными завываниями.