Быстрому процессору - интеллектуальный ввод/вывод

Интегральная производительность, которую пользователь оценивает по скорости реакции на его действия, определяется не только производительностью ЦП, но и производительностью подсистемы ввода/вывода.

О производительности вычислительных систем часто судят по разнообразным рейтингам, характеризующим производительность центрального процессора. Но нагромождение MIPS или SPEC еще не означает, что пользователь будет удовлетворен тем, с какой скоростью компьютер реагирует на его действия. Если в ответ на действия пользователя компьютер, прежде чем открыть новое окно, долго шуршит дисководом, то, как бы вы ни наращивали производительность ЦП, особого выигрыша не получите. Дело в том, что на скорость реакции компьютера влияет не только производительность ЦП, но и производительность подсистемы ввода/вывода. Эти характеристики должны быть сбалансированы; другими словами, быстрому процессору нужен быстрый ввод/вывод.

Производительность подсистем ввода/вывода всегда повышали путем выделения специального процессора для выполнения операций ввода/вывода, который разгружает ЦП. Еще совсем недавно такой спецпроцессор являлся атрибутом только больших машин (вспомните канальные процессоры IBM/ЕС-ЭВМ), но сегодня интеллектуальные, т. е. содержащие локальный микропроцессор, контроллеры применяются не только в серверах, но и в настольных ПК.

Однако появление интеллектуальных контроллеров ввода/вывода порождает новую проблему. Пока контроллеры были устроены просто, производитель мог себе позволить реализовать несколько различных драйверов для нескольких различных операционных систем. Интеллектуальные контроллеры ввода/вывода выполняют более сложные функции, и, соответственно, их драйверы требуют больших затрат на разработку и сопровождение. Расходы на драйверы становятся сравнимыми с затратами на разработку самого контроллера. Ситуация усугубляется еще и тем, что новые версии ОС почти всегда требуют модификации драйверов.

Именно для облегчения жизни производителей контроллеров и ОС (а в конечном счете для экономии средств пользователя этих ОС и контроллеров) и появился отраслевой стандарт I₂O(Intellectual Input/Output).

Стандарт интеллектуального ввода/вывода I₂O

Задача стандарта I₂O - определить унифицированный интерфейс между операционной системой и устройствами ввода/вывода. Его применение даст производителям ОС возможность реализовывать всего один I₂O-совместимый драйвер для всех устройств ввода/вывода, а от производителя контроллера ввода/вывода потребуется единственный I₂O-совместимый интерфейс, который позволит контроллеру работать со всеми ОС, снабженными I₂O-совместимым драйвером.

Для унификации интерфейса предложена концепция сплит-драйвера. Монолитный ранее драйвер расщеплен на две части: зависящую от ОС (OSM, OS Service Module) и зависящую от устройства ввода/вывода (HDM, Hardware Device Module). OSM исполняется центральным процессором компьютера, а HDM - на локальном процессоре интеллектуального контроллера ввода/вывода. Стандартом I₂O определен протокол обмена сообщениями между OSM и HDM, а также API-интерфейс с каждой стороны. Физической коммуникационной средой для обмена сообщениями между OSM и HDM является системная шина.

i960RP - подсистема ввода/вывода на одном кристалле

Хотя стандарт I₂O не определяет тип процессора и системной шины, первой и пока единственной аппаратной реализацией стандарта I₂O является архитектура на базе микропроцессора i960RP и шины PCI.

i960RP, позволяющий строить интеллектуальные контроллеры ввода/вывода, по праву можно назвать "подсистемой ввода/вывода на одном кристалле". Действительно, кроме процессорного ядра он содержит мост PCI-to-PCI, интерфейс локальной памяти, контроллер прямого доступа и другие устройства. Одна из шин PCI соединена с системной шиной компьютера и служит для связи с центральным процессором. Другая шина PCI в i960RP используется в качестве локальной шины платы контроллера, к которой подключаются микропроцессоры периферийных контроллеров.

Микропроцессор i960RP содержит также устройство Messaging Unit (MU), в котором предусмотрены несколько аппаратных механизмов передачи данных между ЦП и i960RP. Основным механизмом MU являются четыре FIFO-буфера для организации очередей сообщений. Два буфера служат для передачи команд от одного процессора к другому и два - для возврата результатов их выполнения. Очереди располагаются в локальной памяти i960RP и занимают от 4К до 64К 32-разрядных слов. На базе этих очередей реализуется протокол обмена сообщениями стандарта I₂O.

IxWorks - ОС для I₂O-совместимых контроллеров

Локальный процессор интеллектуального контроллера ввода/вывода выполняет несколько асинхронных процессов: прием команд ввода/вывода от центрального процессора, возврат результатов их выполнения, пересылку данных между центральным процессором и устройством ввода/вывода через буферы в локальной памяти, обработку прерываний от устройств и т. д. Для управления ими нужна многопроцессная операционная система, но какая? Поскольку устройства ввода/вывода обладают фиксированными временными характеристиками, не "вписавшись" в которые можно потерять информацию (например пропустить кадр в сети), в качестве локальной операционной системы следует использовать ОС реального времени.

На роль такой локальной операционной системы i960RP Intel выбрала IxWorks компании Wind River Systems, являющуюся модификацией под I₂O распространенной ОС реального времени VxWorks. В IxWorks реализован протокол обмена сообщениями I₂O, очереди событий I₂O, "каркас" HDM-части сплит-драйвера, API-интерфейсов I₂O и поддержка прямого доступа в память.

Для разработки I₂O-совместимых HDM-частей драйвера, а также другого ПО управления устройствами ввода/вывода, которое встраивается в интеллектуальный контроллер, Wind River Systems поставляет I₂O-ориентированную версию инструментальной среды Tornado. В отличие от обычной среды Tornado для VxWorks, Tornado for I₂O ориентирована на разработку ПО для IxWorks I₂O-совместимого контроллера ввода/вывода, построенного на базе микропроцессора i960RP. В качестве инструментального компьютера для Tornado for I₂O поддерживается ПК под Windows 95 или NT. В качестве интерфейса между инструментальным ПК и платой контроллера могут использоваться шина PCI, внутрисхемный эмулятор ICE (In-Circuit Emulator), ROM-эмулятор, а также последовательный интерфейс I2C, встроенный в i960RP.

Для разработчиков интеллектуальных контроллеров ввода/вывода с использованием i960RP компания Intel поставляет комплект I₂O Evaluation Kit, включающий прототипную плату на i960RP с шиной PCI, лицензию на IxWorks и демонстрационную лицензию на Tornado for I₂O.

ESSE о стандарте I₂O

Стандарт I₂O предназначен для применения прежде всего с популярными сетевыми операционными системами (например Windows NT, NetWare); его планируется распространить и на системы реального времени. Инициатива ESSE (Embedded Systems Software Environment - программная среда для встраиваемых систем), выдвинутая ассоциацией VITA (VMEbus International Trade Association) в числе других направлений развития стандартов ПО встраиваемых систем, предполагает создание унифицированного интерфейса драйверов ввода-вывода, в качестве одного из вариантов которого рассматривается стандарт I₂O.

I₂O движется в направлении кластерных систем

Ведущие производители серверов заняты подготовкой к выпуску систем, удовлетворяющих первоначальной спецификации I₂O, но одновременно с этим они уже рассматривают обновленный проект спецификации I₂O 2.0, позволяющей внедрить новую технологию в кластерные системы и современные сетевые архитектуры.

В ходе работы прошедшей в ноябре выставке Comdex участники рабочей группы I₂O наметили общие черты реализации данной архитектуры, главной целью введения которой станет уменьшение времени доступа к оперативной и дисковой памяти, а также обеспечение доступа любого сервера из любого кластера к внутренней дисковой памяти своих соседей. Спецификация I₂O определяет не зависящий от аппаратной платформы метод взаимодействия центрального процессора с процессорами ввода-вывода. Развитие спецификации поддерживает компания Intel вместе с другими производителями компьютерных систем.

Компании Compaq Computer и Hewlett-Packard, наряду с Dell, Digital и NetFrame, продемонстрировали на Comdex платы PCI, в которых новая архитектура ввода-вывода используется для повышения производительности сервера. Системы поступят в продажу в 1997 году.

С середины текущего года компании Microsoft, Novell и Santa Cruz Operation начнут поставлять дополнительные модули для своих операционных систем, обеспечивающие поддержку спецификации I₂O. Соответствующая версия ОС HP-UX компании Hewlett-Packard появится к концу года.

"Данная спецификация действительно отвечает интересам производителей оборудования, поскольку она позволяет написать всего один драйвер для каждого устройства взамен отдельного драйвера для каждой операционной системы, - сказал Джо Баркан, аналитик компании Gartner Group. - Для пользователей же это означает возможность взаимодействия плат ввода-вывода без прерывания работы центрального процессора".

Повышение производительности серверов пока не получило количественного выражения. Однако, по словам ведущего разработчика системных архитектур компании Hewlett-Packard Али Иззета, HP произвела измерения на собственном двухпроцессорном сервере LX Pro NetServer с контроллером ввода-вывода, удовлетворяющим спецификации I₂O, а также без него и установила, что производительность процессора снижается на две трети.

"Эта технология до такой степени высвобождает вычислительную мощность центрального процессора, что на однопроцессорном сервере типа HP NetServer с процессором Pentium Pro/200 МГц удается одновременно выполнять целый ряд приложений из набора Microsoft BackOffice и приложений баз данных SQL Server", - говорит Иззет и добавляет, что указанные преимущества станут еще более заметны в кластерных системах, где обмен информацией между серверами буквально "съедает" общую производительность системы и снижает ее масштабируемость.

Compaq и Dell заняты оценками эффективности затрат на установку контроллера I₂O в каждый сервер и применение I₂O в мощных настольных ПК.

Дополнительная информация:

Стандарт I₂O:

WWW-сервер организации I20 SIG - http://www.I2Osig.org

Микропроцессор i960RP:

WWW-сервер компании Intel - http://www.intel.com/design/i960

Инициатива ESSE:

WWW-сервер ассоциации VITA - http://www.vita.com

IxWorks и Tornado for I₂O:

WWW-сервер Wind River Systems - http://www.wrs.com