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<2004-09-07> CPU+Mainboard FAQ - Kapitel 6/14 - IRQs

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CPU und Mainboard FAQ Team

unread,

Dec 2, 2009, 8:00:05 PM12/2/09

Archive-name: de/comp/hardware/cpu+mainboard/kapitel_6
Posting-frequency: monthly
Last-modified: 2004-09-07
URL: http://dch-faq.de/kap06.html
Disclaimer: Approval for *.answers is based on form, not content.

6. Interrupt Requests (IRQs)
============================

Interrupt ReQuests (kurz "IRQs") gehï¿œren immer noch zu den
Problemkindern schlechthin. Und das, obwohl die PCI-Spezifikation
2.0, welche das Teilen von Interrupt Requests (IRQ-sharing)
und Interruptleitungen erlaubt, schon ï¿œber 8 Jahre auf dem Buckel
hat. Trotzdem ist ein Ende der Fragen um die IRQs nicht in Sicht.
Warum das so ist, soll in diesem Kapitel verdeutlicht werden.

6.1 Wozu IRQs?
==============

Jeder, der schon mal Probleme mit den IRQs hatte, wird sich diese
Frage wohl schon gestellt haben. Dabei sind IRQs durchaus sinnvoll.
Um den verschiedenen Anforderungen der einzelnen Gerï¿œte Herr zu
werden, kï¿œnnte die CPU z.B. alle Gerï¿œte immer wieder nacheinander
abfragen (sog. Polling), um so festzustellen, ob das entsprechende
Gerï¿œt Arbeit fï¿œr die CPU hat oder eben nicht. So wï¿œrden aber auch
Gerï¿œte abgefragt, die grade gar nichts zu tun haben, denn von einer
Tastatur kommen ja normalerweise weniger Daten als von einer
Festplatte etc. Das wï¿œrde dann die CPU unnï¿œtig belasten, da
CPU-Zeit verbraucht wird.
Genau deshalb gibt es IRQs, die auch Unterbrechungsanforderungen
genannt werden. Hat ein Gerï¿œt eine Aufgabe fï¿œr die CPU, teilt es
dies der CPU per IRQ mit, die dann die ankommenden Aufgaben
entgegennimmt. Um zwischen den verschiedenen Gerï¿œten unterscheiden
zu kï¿œnnen, gibt es im Chipsatz den PIC (Programmable Interrupt
Controller), welcher der CPU via Speicheradresse die genaue Aufgabe
fï¿œr das Gerï¿œt mitteilt. Die ersten PIC zur IBM XT-Zeit waren nur 8
Bit breit und hatten so nur 8 IRQs. Zur Einfï¿œhrung des IBM AT wurde
dann ein zweiter PIC eingebaut, womit 16 IRQs mï¿œglich waren.

Viele der 16 mï¿œglichen IRQs sind im System schon festgelegt. Dazu
hier eine ï¿œbersicht:

(*) nur bei modernen Chipsï¿œtzen wirklich mï¿œglich

Wie leicht zu erkennen ist, sind von den 16 mï¿œglichen IRQs
normalerweise nur 4 wirklich frei. 7 weitere kï¿œnnen im besten Fall
freigegeben werden, macht maximal 11 freie Interrupt-Leitungen.

6.2 Warum diese Anzahl an IRQs?
===============================

Das ist, wie bereits angedeutet, ein Relikt aus IBMï¿œs AT-Zeit und
der ISA-Architektur, die pro PIC nur 8 IRQ-Eingï¿œnge vorsah. Im AT
wurden 2 PIC verwendet, so kommt man auf 16 IRQs. Jede ISA-Karte hatte
dabei fï¿œr jeden Interruptleitung einen separaten Kontaktpin. In 8 Bit
ISA-Karten standen nur die IRQs 3-7 zur Verfï¿œgung, was ein ï¿œusserst
enger Spielraum war, als man noch viele ISA-Karten unterzubringen
hatte. Erst mit 16 Bit ISA-Karten konnten auch die hï¿œheren IRQs
verwendet werden.

6.3 IRQs, ISA und Plug & Play
=============================

Elektrisch gesehen sind die "Legacy-Gerï¿œte" aus der Tabelle in 6.1
die einen eigenen IRQ haben ISA-Gerï¿œte. Sie belegen also je eine
eigene Leitung. Das fï¿œhrt dazu, dass allein bei der Prï¿œsenz zweier
ISA-Gerï¿œte auf einem IRQ keins von beiden lï¿œuft, selbst wenn sie
einzeln angesprochen werden. Der Grund dafï¿œr ist, dass der PIC die
IRQs von ISA-Karten an der Impuls-Flanke erkennt (sog.
"Edge-Triggering"), und somit IRQs von 2 Gerï¿œten auf der selben
Leitung verloren gehen kï¿œnnen. Dieses Problem kï¿œnnte mit dem
Erkennen der IRQs an der Signalamplitude (sog. "Level-Triggering")
umgangen werden; leider unterstï¿œtzen ISA-Karten diesen Modus nicht.

Fï¿œr 'Insider' sei angemerkt:
Prinzipiell wï¿œren auch ISA-Karten IRQ-Sharing fï¿œhig: Ob ein IRQ
flanken- oder pegelgesteuert ausgelï¿œst wird, kann im PIC einzeln
eingestellt werden, und viele gï¿œngige Bausteine (z.B. der UART)
kï¿œnnen ebenfalls in beiden Betriebsarten arbeiten. Es bleibt nur
das Problem, dass die IRQs auf dem ISA-Bus mit einem Aktiv-H-Pegel
arbeiten, so dass man mit einfachen OC-Treibern und Wired-OR nicht
weiter kommt. Man muss zusï¿œtzlich eine Schottky-Diode verbauen, die
einen Stromfluss in den IRQ-Ausgang hinein verhindert. Bleibt nur
noch das Problem mit den Treibern, aber das ist natï¿œrlich wieder eine
Angelegenheit des Betriebssystems. Linux kann z.B. serielle
Schnittstellen auf dem ISA-Bus mit IRQ-Sharing ansteuern.

Auf alten ISA-Karten wird der IRQ meist noch per Jumper festgelegt.
Modernere Karten kommen mit Setup-Programmen daher, mit denen man den
gewï¿œnschten IRQ auswï¿œhlen kann. Plug-and-Play-ISA-Karten kï¿œnnen dem
BIOS sogar selber mitteilen, welchen IRQ sie gerne hï¿œtten. Die Daten
dazu legt das BIOS im ESCD-Speicherbereich (ESCD = Extended System
Configuration Data) des BIOS-EEPROMs ab, von wo aus das
Betriebssystem darauf zugreifen kann. Vor der Inbetriebname einer
alten ISA-Karte sollte man den IRQ und ggf. auch den Input/Output-
Bereich im BIOS fest reservieren, da diese Daten sonst auch an
PCI- oder ISA-Plug&Play-Gerï¿œte vergeben werden kï¿œnnten.

6.4 PCI und IRQ-Lines
=====================

Um den Beschrï¿œnkungen der ISA-Karte aus dem Weg zu gehen, wurde mit
der PCI-Spezifikation auch das gemeinsame Verwenden von IRQs durch
mehrere PCI-Gerï¿œte erlaubt (sog. IRQ-sharing). Dabei teilen sich
mehrere Gerï¿œte eine physikalische Leitung. Die Treiber mï¿œssen nun
selber herausfinden, welches Gerï¿œt den IRQ tatsï¿œchlich ausgelï¿œst hat.
Dies geschieht mittels des bereits erwï¿œhnten Level-Triggering. Im
ungï¿œnstigen Fall braucht die CPU natï¿œrlich ein Paar Takte lï¿œnger, um
den richtigen Treiber zu finden, was mehr Zeit kostet, als den
betreffenden Treiber im ISA-Fall einfach direkt zu laden. Das kann
genau dann zu Problemen fï¿œhren, wenn auf leistungsschwache Systemen
zeitsynchrone Anwendungen laufen sollen. Durch die IRQ-Teilung und
die dadurchh entstehenden minimalen Verzï¿œgerungen kann es zu
Problemen z.B. mit der Video-Darstellung kommen.

Letzlich ist es eine Sache der PCI-Gerï¿œtetreiber, ob das Teilen der
IRQs funktioniert oder nicht. Hersteller, die es immer noch nicht
geschafft haben, dieses beinahe uralte Feature in ihre Karten zu
implementieren, gehï¿œren eigentlich vom Markt verbannt. Besonders
Karten der Marke "Creative" sind in der Vergangenheit hï¿œufig negativ
aufgefallen, ebenso wie TV- oder Videocapture-Karten. Wer also viele
PCI-Gerï¿œte (AGP-Karte, PCI-Karten, USB, evtl. Onboard-RAID etc.)
einbauen und verwenden will, sollte sich vor dem Kauf von der
Fï¿œhigkeit des IRQ-sharing der PCI-Kartentreiber ï¿œberzeugen.

Obwohl viele Mainboards heute AGP und 4 oder mehr PCI-Plï¿œtze bieten,
sind fï¿œr PCI-Karten nur 4 Interruptleitungen pro Steckplatz
vorgesehen. Ausserdem gab es eine Zeit lang auch nur 4 Leitungen pro
Chipsatz, die auf die verschiedenen Slots verteilt werden konnten.
Nur wenige moderne Chipsï¿œtze wie der SiS735 bieten hier 6 oder gar 8
Leitungen, die dann besser auf die Steckplï¿œtze verteilt werden
kï¿œnnen.
Die 4 Kontakte am Steckplatz werden INTA# bis INTD# genannt. Dies
sind jedoch keine direkten Verbindungen zu den Interruptleitungen 0
bis 15. Fï¿œr die Zuordnungen der Interrupt-Lines zu einem konkreten
IRQ ist der IRQ-Router zustï¿œndig, der meist in der Southbridge oder
dem ICH sitzt. Frï¿œher wurde dies noch durch Jumper auf dem Board
realisiert.

Ist nun eine PCI-Karte installiert, kann diese sich die
Interrupt-Line nicht selber aussuchen, sondern nimmt immer erst die
Interrupt-Line INTA# (es sei denn, dass der INT# auf der Karte
explizit vorgegeben werden kann). Erst wenn mehrere Controller auf
derselben Karte sitzen (z.B. mehrkanal SCSI-Adapter), werden die
weiteren Leitungen verwendet. Damit nun nicht alle Adapter auf
dieselbe Interrupt-Line zugreifen, werden die 4 Interrupt-Leitungen
mï¿œglichst gleichmï¿œssig auf die verschiedenen PCI-Steckplï¿œtze verteilt.
So sollte es auch in vollgestopften System noch machbar sein,
mï¿œglichen IRQ-Konflikten aus dem Weg zu gehen.

Leider verï¿œffentlichen die Mainboardhersteller nur in den seltensten
Fï¿œllen, wie sie ihre Interrupt-Lines tatsï¿œchlich verteilt haben. Die
allerwenigsten halten sich an die folgende vom PCI-Konsortium
vorgeschlagene Verteilung:

Empfohlenes Schema nach PCI-Spezifikation:
------------------------------------------

INT-Schema mit separatem IRQ fï¿œr Slot 2 (z.B. ASUS K7V):
--------------------------------------------------------

AGP | PCI 1 | PCI 2 | PCI 3 | PCI 4 | PCI 5 | PCI 6 | USB | AC'97
======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======
INTA# | INTA# | INTB# | INTD# | INTD# | INTA# | - | INTD# | INTC#
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
INTB# | INTB# | INTC# | INTA# | INTA# | INTB# | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
- | INTC# | INTD# | INTB# | INTB# | INTC# | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
- | INTD# | INTA# | INTC# | INTC# | INTD# | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------

INT-Schema mit separatem IRQ fï¿œr Slot 5 (z.B. Abit KA7):
--------------------------------------------------------

INT-Schema fï¿œr 3 PCI-Slots mit separatem IRQ fï¿œr Slot 2:
--------------------------------------------------------

AGP | PCI 1 | PCI 2 | PCI 3 | PCI 4 | PCI 5 | PCI 6 | USB | AC'97
======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======+=======
INTA# | INTA# | INTB# | INTC# | - | - | - | INTD# | INTC#
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
INTB# | INTB# | INTC# | INTD# | - | - | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
- | INTC# | INTD# | INTA# | - | - | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------
- | INTD# | INTA# | INTB# | - | - | - | - | -
------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------

Wie aus den Tabellen ersichtlich wird, haben AGP und PCI verschieden
viele Abgriffe an INT-Leitungen. Dies ist mit dem Layout der AGP- und
PCI-Slots begrï¿œndet. Die Steckerbelegung der Steckplï¿œtze sieht wie folgt
aus:

Steckerbelegung des AGP- und PCI-Steckplatzes:
----------------------------------------------

| AGP-Slot || PCI-Slot
+----------+----------++----------+----------
Pin | Leiste B | Leiste A || Leiste B | Leiste A
=====+==========+==========++==========+==========
1 | OVRCNT# | + 12 V || - 12 V | TRST#
-----+----------+----------++----------+----------
2 | + 5 V | TYPEDET# || TCK | + 12 V
-----+----------+----------++----------+----------
3 | + 5 V | Reserved || Masse | TMS
-----+----------+----------++----------+----------
4 | USB + | USB - || TDO | TDI
-----+----------+----------++----------+----------
5 | Masse | Masse || + 5 V | + 5 V
-----+----------+----------++----------+----------
6 | INTB# | INTA# || + 5 V | INTA#
-----+----------+----------++----------+----------
7 | CLK | RST# || INTB# | INTC#
-----+----------+----------++----------+----------
8 | REQ# | GNT# || INTD# | +5V (I/O)
-----+----------+----------++----------+----------

(Pinbelegung bei Draufsicht auf die Platine von der Bestï¿œckungsseite, die
Nummerierung beginnt bei den Kontakten, die der Platinenkante am
nï¿œchsten sind, die Leiste "B" liegt dann links)

Pinbelegung des AGP- und PCI-Steckplatzes, unten:
-------------------------------------------------

| AGP-Slot || PCI-Slot
+---------------+---------------++---------------+--------------
Pin | Leiste A | Leiste B || Leiste A | Leiste B
=====+===============+===============++===============+==============
1 | +12V | OVRCNT# || TRST# | -12V
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
2 | TYPEDET# | +5V || +12V | TCK
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
3 | Reserved | +5V || TMS | Masse
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
4 | USB- | USB+ || TDI | TDO
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
5 | Masse | Masse || +5V | +5V
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
6 | INTA# | INTB# || INTA# | +5V
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
7 | RST# | CLK || INTC# | INTB#
-----+---------------+---------------++---------------+--------------
8 | GNT# | REQ# || +5V(I/O) | INTD#
-----+---------------+---------------++---------------+--------------

(Pinbelegung bei Sicht auf die Platine von der Unterseite her, die
Nummerierung beginnt bei den Kontakten, die der Platinenkante am
nï¿œchsten sind, die Leiste "A" liegt dann links, die Pins sind
versetzt angeordnet)

Mit den Daten der Pinbelegung an der Unterseite des Mainboards kann man
im Zweifelsfall auch durch einen Blick auf das Mainboard herausfinden,
wo welche INT-Leitung verlï¿œuft.

6.5 ACPI und APIC
=================

Auf allen modernen Boards wird heute ACPI (Advanced Configuration and
Power Management Interface) implementiert. ACPI bietet dabei weit
mehr als nur fortschrittlichere Energie Spar-Modi, wie sie seit dem
Advanced Power Management (APM) bekannt sind. ACPI ermï¿œglicht es, die
Kontrolle ï¿œber die Vergabe der Interrupts komplett an das
Betriebssystem abzugeben. Dazu teilt das BIOS dem virtuellen
ACPI-Gerï¿œt einen IRQ zu. Dieser Interrupt beherrscht zwar
IRQ-sharing, steht aber nicht mehr fï¿œr PCI-Karten zur Verfï¿œgung, die
kein IRQ-sharing kï¿œnnen.
Ein ACPI-BIOS verwaltet somit weit mehr als nur die IRQ-Routing
Tabellen, durch die Windows sonst seine Gerï¿œte konfiguriert. Auf
Ein-Prozessor-Systemen teilt z.B. Windows 2000 allen PCI-Gerï¿œten den
selben IRQ zu. Solange die Systeme einwandfrei arbeiten, besteht auch
kein Grund dieses Verhalten zu ï¿œndern. Wer jedoch die IRQ-Verteilung
ï¿œndern muss, weil es zu Problemen gekommen ist, muss komplett auf
ACPI verzichten.

So richtig kompliziert wird die Interrupt-Verteilung erst, wenn es
sich um Systeme mit mehreren CPUs handelt. In einem SMP-System
(Symmetric Multiprocessing) mï¿œssen nicht nur die PCI-Gerï¿œte IRQs
auslï¿œsen kï¿œnnen, sondern auch die CPUs selber mï¿œssen sich
untereinander mittels IRQ verstï¿œndigen.
Damit das noch funktioniert, hat der PIC einen Nachfolger bekommen,
den APIC (Advanced PIC), der aber nicht auf SMP-Systeme beschrï¿œnkt
ist; mitlerweile kann man auch Single-CPU System im APIC-Mode laufen
lassen. Solch ein APIC steuert nicht nur eine einfache Leitung an
einem Prozessor, sondern kommuniziert auf vielen Leitungen mit
mehreren Prozessoren und anderen APICs nach einem bestimmten
Protokoll. Alle Intel-Prozessoren und der AMD Athlon ab Model 2
("K75") kï¿œnnen im APIC-Modus laufen, auf den Mainboards selber
befindet sich bei Dual-Systemen ein weiterer APIC. Dieser
Mainboard-APIC kï¿œmmert sich um die IRQs fï¿œr PCI- und Onboard-Gerï¿œte
und nennt sich deshalb IOAPIC (Input Output APIC). Der IOAPIC kann
aber noch mehr: statt der 16 IRQs kï¿œnnen jetzt 24 (teilweise auch
deutlich mehr; je nach Ausfï¿œhrung) IRQs verwendet werden. Diese
lassen sich aber nur in APIC-fï¿œhigen Betriebssystemen (wie Windows
2000 oder Linux) verwenden.
Wer Probleme mit ACPI hat oder sich weiter einlesen mï¿œchte, dem sei
http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/RA/news/stack/kompendium/vortraege_99/power/ACPI_1.html
empfohlen.

6.6 Was tun bei IRQ-Problemen?
==============================

Leider, leider - ein Patentrezept gibt es nicht. Es gibt durchaus
Fï¿œlle, in dem nur der Kauf neuer Hardware ein Problem lï¿œst. Doch
vorher sollte man alle legitimen Mï¿œglichkeiten ausgetestet haben.

Wenn man an seinem PC IRQ-Probleme vermutet, sollte man ihn zunï¿œchst
in der Minimalkonfiguration starten. Das bedeutet: Alle zum Betrieb
des PCs nicht benï¿œtigten Karten fliegen raus. In den PC gehï¿œrt nur
eine Grafikkarte, egal ob AGP oder PCI. Damit wird dann der PC neu
gestartet. Ist das Problem noch nicht beseitigt, kann man zusï¿œtzlich
versuchen, alle momentan nicht benï¿œtigten onboard-Komponenten
abzuschalten, wie USB, LPT1, COM1 und COM2, Sound etc. Dann schaltet
man nacheinander alle Features wieder ein und erfï¿œhrt so, bei
welchem Gerï¿œt genau das Problem auftritt. Diesem Gerï¿œt ist dann per
BIOS mï¿œglichst ein separater IRQ zuzuweisen, sofern das BIOS einen
solchen Eingriff gestattet.
Nun kann man mit der erneuten Installation der PCI-Karten beginnen.
Sobald auch hier ein Problem auftritt, kann man dies meist durch
einen eigenen IRQ fï¿œr das betroffenen Gerï¿œt beheben.
Manchmal kommt es auch vor, dass sich nur 2 bestimmte Karten nicht
mï¿œgen, die aufgrund der IRQ-Lines den gleichen IRQ verwenden. Dann
hilft nur das Ausprobieren der verschiedenen Steckplï¿œtze fï¿œr die
beiden PCI-Karten. In solchen Fï¿œllen heist es, die Ruhe zu bewahren
und vor allem systematisch vorzugehen. Bei 6 PCI-Slots und 6
PCI-Karten gibt es immerhin 720 mï¿œgliche Konfigurationen. Also nicht
den Mut verlieren...

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