Технология I₂O

I₂O (Intelligent Input/Output) - спецификация, определяющая стандартную архитектуру интеллектуального ввода/вывода, не зависящую от специфических устройств и операционной системы. Спецификация I₂O призвана решить две ключевые проблемы:

• Занятость процессора операциями ввода-вывода
• Необходимость в разработке драйверов для каждого устройства и для каждой операционной системы

Суть архитектуры I₂O заключается в обработке низкоуровневых прерываний ввода-вывода, поступающих от устройств, не центральным процессором (CPU), а специализированным процессором ввода-вывода (IOP), разработанным специально для этой цели. В настоящий момент эта задача решается применением RISC-процессора i960, работающего на частоте 66 МГц со своей собственной памятью, объёмом до 64 МБ. При поддержке обмена сообщениями между несколькими процессорами, архитектура I₂O разгружает центральный процессор и позволяет выполнение задач, требующих интенсивного ввода-вывода и широкой полосы пропускания, например видеоприложений или работы в среде клиент-сервер. Применения I₂O не ограничены и она может быть использована как в однопроцессорных, так и многопроцессорных и кластерных системах.

Спецификация I₂O определяет разбиение драйвера устройства на две части: ОС-зависимого и аппаратно-зависимого модуля, созданного для конкретного устройства. Эти модули работают автономно и могут выполнять задачи независимо. В настоящее время поддержка I₂O обеспечивается в NetWare 4, Windows NT Server 5.0 и UnixWare. Таким образом, технология с разбиением драйвера, уменьшает общее число требуемых драйверов: производители операционных систем пишут по одному драйверу на каждый класс устройств, например дисковые контроллеры, а производители оборудования - по одному драйверу на каждое свое устройство, который может быть использован с любой операционной системой поддерживающий I₂O.

Одна из целей создания открытой архитектуры I₂O - обеспечение возможности легкого подключения устройств и написания драйверов, расширяющей возможности для создания новых систем.

Краткий обзор

Две части драйвера I₂O устройства представляют собой Operating System Services Module (OSM), модуль обслуживания операционной системы, обеспечивающий интерфейс с ней и Hardware Device Module (HDM), модуль устройства, обеспечивающий управление оборудованием. OSM работает со внешним устройством посредством HDM. Общение между этими модулями происходит на двух уровнях - уровне сообщений, на котором происходит установление связи и транспортном уровне, определяющим способы разделения информации. Как и в большинстве протоколов связи, уровень сообщений базируется на транспортном уровне.

Модель связи I₂O, в комбинации со средой выполнения и конфигурационным интерфейсом, обеспечивает независимый интерфейс с HDM. Модули способны связаться друг с другом без знания архитектуры шины или топологии системы. Передаваемые сообщения формируют некий метаязык, не зависящий от аппаратной реализации. Вся эта технология сильно напоминает сеть TCP/IP. Такая реализация I₂O, кроме всего прочего, обеспечивает мобильность устройств ввода-вывода.

Модель связи I₂O

Модель связи для I₂O - это система обмена сообщениями. Когда OSM получает запрос от операционной системы, он транслирует его в запрос I₂O и передает его HDM для обработки. После обработки запроса, HDM возвращает результат обратно OSM, посылая сообщение посредством уровня сообщений I₂O. Далее результат передается операционной системе, как от любого другого драйвера устройства.

Уровень сообщений

Уровень сообщений определяет открытый, стандартный и абстрактный механизм для связи между сервисными модулями, обеспечивая основу для интеллектуального ввода - вывода. Этот уровень, управляя пересылкой всех запросов, а также обеспечивая функционирование API (Application Programming Interface), связывает модель драйверов I₂O.

Уровень сообщений состоит из трех основных компонент: дескриптора сообщения, сервисной программы сообщения (Message Service Routine - MSR), и очереди сообщений. Дескриптор по существу является адресом ресурса, к которому идет обращение. Для каждого сообщения, проходящего на уровне сообщений создается свой дескриптор. Очередь сообщений организуется между передающим и приемным устройствами.

Когда драйвер формирует сообщение, оно помещается в очередь и для его обработки активизируется MSR. Сообщение содержит две части - заголовок и тело. Заголовок содержит тип сообщения и адрес его отправителя.

I₂O базируется на очереди между MSR и отправителем. Инициатор запроса и сервисный модуль обслуживаются IOP. I₂O определяет также формат памяти, необходимой для функционирования технологии, не зависящий от организации операционной системы.

Модуль обслуживания операционной системы - OSM

OSM обеспечивает интерфейс между операционной системой и уровнем сообщений I₂O. В используемой модели драйверов, OSM представляет собой ту часть драйвера, которая обеспечивает интерфейс между системно-зависимым API и абстрактным форматом сообщений, посылаемых в HDM для обработки. OSM зависят от операционных систем и создаются их разработчиками.

OSM переводит сообщения операционной системы в формат, который может быть понят HDM. Передача информации обратно, от HDM к операционной системе реализуется также через OSM посредством уровня сообщений I₂O.

Один OSM может обслуживать множественные HDM. Благодаря существованию дескрипторов на уровне сообщений, OSM обладает возможностью рассылать свои сообщения многим адресатам, а также организовывать пересылку информации между ними.

Аппаратный модуль устройства - HDM

HDM - низкоуровневый модуль в среде I₂O. HDM представляет собой аппартно-зависимую часть драйвера, обеспечивающую взаимодействие с контроллером или непосредственно устройством. Можно провести аналогию между HDM и аппаратно зависимой частью драйвера сети или драйвером SCSI в том виде, в котором он существует сегодня. Каждый HDM уникален для каждого конкретного устройства и производителя. Он поддерживает все низкоуровневые операции устройства, такие как синхронные и асинхронные запросы, а также транзакции управляемые событиями.

HDM окружен средой I₂O, которая изолирует его от общения с операционной системой и шинными протоколами. Таким образом, один HDM может быть использован не только с различными операционными системами, но даже с различными платформами. HDM пишется производителем устройства и обычно прошивается в адаптер.

Системная среда

Модель I₂O может быть применена в любых условиях - как и в однопроцессорных, так и многопроцессорных системах.

Интерфейсы OSM и HDM входят в основной API I₂O. Среда выполнения OSM зависит от операционной системы, что оказывает влияние на реализацию некоторых функций API. В задачи OSM входит реализация связи между API, используемого операционной системой, и HDM, управляющим устройством.

Кроме основных функций в API HDM может быть введен дополнительный набор команд. Этот набор необходим для прямого общения операционной системы с HDM и применяется при ее загрузке для инициализации ядра. Примерно это и реализуется в основных многозадачных средах. Однако этот дополнительный набор также является единым для всех устройств одного класса. Так что технология I₂O не несет в себе никаких ограничений для области ее использования.

Реализация архитектуры I₂O

Гибкая, открытая архитектура I₂O предоставляет разработчикам различные варианты для реализации. Основные три подхода следующие:

• Установка IOP на материнскую плату. IOP устанавливается на материнскую плату и используется при интеллектуальном вводе-выводе. В этом случае IOP используется в качестве стандартного PCI Bridge и добавляет "интеллектуальности" к шине PCI
• Установка IOP на дополнительной плате расширения. Интеллектуальный контроллер I₂O инсталлируется как, например, обычная сетевая карта
• Установка опциональной платы расширения с IOP в специализированный слот на материнской плате. Этот процессор будет функционировать со всеми устройствами, требующими интеллектуальный ввод-вывод

Практика использования I₂O

Устройства, совместимые с технологией I₂O будут маркироваться производителями как "I₂O ready". Однако в одной системе можно будет применять, как и I₂O устройства, так и обычные, неинтеллектуальные устройства. Это позволит организовать легкий переход к новой архитектуре. Тем более стоимость материнской платы с IOP возрастет максимум на $10-15.

Можно ожидать, что в связи со введением дополнительных устройств (IOP) и разбиения драйвера на части, скорость обмена информацией может упасть. В принципе, это мнение оправдано. Однако, в связи с тем что во-первых упрощается задача написания драйверов, а во-вторых разгружается центральный процессор, общая эффективность системы должна возрасти. Пример подобного роста эффективности - применение IDE Bus Master драйверов.

Внедрение технологии интеллектуального ввода-вывода должно произойти в ближайшее время, тем более что ведущие производители материнских плат уже представили свои изделия с установленным на борту IOP i960, единственным на настоящее время процессором для реализации I₂O. Первое время I₂O будет использоваться в серверах, однако в ближайшем будущем может распространиться и на домашние системы.

Заключение

Таким образом, I₂O предлагает новый подход к организации интеллектуального ввода-вывода, упрощая жизнь, как разработчиком устройств, так и производителям операционных систем благодаря разделению функций драйверов. Кроме того, I₂O призвана реализовать новую высокопроизводительную концепцию высокопроизводительного и платформенно-независимого интеллектуального ввода-вывода. Открытость этого стандарта позволяет легко перейти от сегодняшних реалий в мир интеллектуального обмена информацией.