Учебное пособие: Операционные системы "тонких" клиентов

Семейство ESA/390 прочно восстановило позиции мейнфреймов в мире информационных технологий, но дальнейшее развитие требований к обработке данных повлекло за собой и появление нового семейства мейнфреймов - z/900 [40]. Главная особенность новой архитектуры - расширение адресной шины до 64 разрядов. Для понимания функционирования программного обеспечения и ОС мейнфреймов мы приведем некоторые минимальные сведения об аппаратной части z-архитектуры. На рисунке 12.1 показана логическая структура современного мейнфрейма, так называемого z-сервера.

Рисунок 12.1 Логическая структура z-сервера

Основные вычислительные свойства реализуются на симметричной многопроцессорной (до 16 z-процессоров) конфигурации. Однако реально процессоров может быть и больше, так как конфигурация может включать в себя, помимо основных z-процессоров, специализированные сервисные процессоры, криптографические процессоры, процессоры ввода-вывода и т.д. Z-процессор, как и все предыдущие поколения центральных процессоров мейнфреймов, является CISC-процессором. Свойства CISC используются в этой архитектуре в полной мере. Обязательной составной частью z-архитектуры является Лицензионный Внутренний Код (LIC), реализованный на уровне микропрограмм процессора. Интенсивное использование микропрограммирования позволяет включить в систему команд процессора очень мощные команды, обеспечивающие значительную поддержку работы операционных систем и даже конкретных приложений. Одно из различий в моделях z-процессоров состоит в том, реализованы те или иные команды в них аппаратно (в более производительных моделях) или микропрограммно.

Основной аппаратной структурой, в которой фиксируется состояние процессора, является 16-байтное Слово Состояния Программы (PSW - Program State Word). В нем отражается адрес выполняемой команды, состояние задача/супервизор, режим адресации и т.п. Дополнительная информация о состоянии содержится еще в 16 8-байтных управляющих регистрах. В системе имеется 16 8-байтных регистров общего назначения (пара смежных таких регистров может использоваться для представления 16-байтного значения) и 16 16-байтных регистров плавающей точки.

Система имеет основную (оперативную) и расширенную память. Команды и обрабатываемые данные находятся в оперативной памяти. Расширенная память является необязательным компонентом системы. Она используется как дополнительный буфер между оперативной и внешней памятью. Данные могут перемещаться между основной и расширенной памятью постранично - командами PAGE IN и PAGE OUT.

В z-процессоре адрес имеет размер 64 бита, что позволяет работать с адресным пространством (АП) размером 16 эксабайт, однако процессор поддерживает и "старые" режимы адресации - с 31-битным и 24-битным адресом (режим определяется состоянием соответствующих разрядов PSW).

В системе адресации различаются адреса: абсолютные, реальные и виртуальные адреса нескольких типов.

Абсолютный адрес - адрес в реальной памяти, фактический адрес ячейки памяти.

Реальный адрес, как правило, совпадает с абсолютным, кроме реальных адресов, меньших 8 Кбайт. Реальный адрес, меньший 8 Кбайт, преобразуется в абсолютный путем префиксации - добавления к нему значения, записанного в префиксном регистре. Область реальной памяти до 8 Кбайт используется для специальных целей системой прерываний и ввода-вывода, префиксация обеспечивает для каждого процессора в многопроцессорной системе собственную область младших адресов памяти.

Виртуальные адреса различаются четырех типов: первичные, вторичные, домашние и определяемые регистрами доступа. Для виртуальных адресов разного типа по-разному выполняется динамическая трансляция адреса. Режим динамической трансляции задается определенными битами PSW и управляющих регистров. В зависимости от режима, в процессе динамической трансляции адресов используются от двух до пяти управляющих таблиц переадресации (3 таблицы областей, таблица сегментов, таблица страниц). В системе имеется также 16 AR-регистров (регистры доступа). Регистр AR0 содержит указатель на таблицы переадресации для первичного АП. Регистры AR1-AR15 позволяют приложению адресовать еще 15 дополнительных АП.

Защита памяти в мейнфреймах z-архитектуры включает в себя традиционную для многих компьютерных систем изоляцию АП виртуальной памяти, бит защиты от выборки, бит обращения и бит изменения в дескрипторах страниц, а также предусматривает механизм, основанный на применении ключей защиты памяти. Такой ключ приписывается каждой 4-килобайтной странице. В дескрипторе каждого страничного кадра имеется 4-битный ключ доступа, обеспечивающий авторизацию программ при обращении к памяти. Каждая программа имеет свой 4-битный ключ доступа, который при выполнении программы заносится в определенные разряды PSW. При каждом обращении к памяти ключ защиты, который выбирается из PSW, сравнивается с ключом страницы, к которой происходит обращение. Запись разрешается, только при совпадении ключей. Системные (привилегированные) программы выполняются с нулевым ключом защиты, что дает им доступ к любой странице памяти.

Система ввода-вывода основывается на каналах ввода-вывода, описанных нами в главе 6 части I. Однако там мы описали строго иерархическое подключение "канал - контроллер - устройство", которое применялось в ранних реализациях. Современная архитектура мейнфреймов обеспечивает более сложную схему подключений с гибким установлением путей к устройству. Канальная подсистема ввода-вывода управляет потоком данных между основной памятью и устройствами. Как часть операции ввода-вывода, канальная подсистема выполняет проверку доступности канальных путей, выбор одного из доступных путей и инициализацию операции обмена. В системе имеется два типа канальных путей:

Параллельные канальные пути, служащие для поддержки интерфейса ввода-вывода System/360 и System/370; такой путь представляет собой электрические проводные соединения между канальной подсистемой и одним или несколькими контроллерами. До 8 контроллеров и до 256 устройств могут использовать совместно один параллельный путь.

Последовательные канальные пути ESCON и FICON состоят из двух фибероптических кабелей, динамических переключателей и контроллеров. Динамическое переключение может быть выполнено между двумя любыми последовательными канальными путями в этой же или в другой канальной подсистеме. К каждому контроллеру последовательного интерфейса может быть подключено до 256 внешних устройств.

Внешний таймер (ETR - external time reference) обеспечивает синхронизацию часов мейнфреймов, объединенных в тесно связанный комплекс (Parallel Sysplex).

Аппаратные средства z-архитектуры поддерживают программное обеспечение всех предыдущих архитектур мейнфреймов IBM, аналогично и ОС мейнфреймов развиваются эволюционным путем [21]. Эта эволюция происходит по трем параллельным линиям, история которых представлена на рисунке 12.2.

12.2 Операционная система VSE/ESA

Линия ОС, представляемая сегодня VSE/ESA v.2.6 [21, 24, 38], ориентирована на применение на младших, наименее мощных моделях мейнфреймов. Поэтому ей свойственны более простые решения, запаздывающее внедрение новых свойств аппаратной платформы (в частности, она пока не использует новых возможностей z-архитектуры), отсутствие развитых средств управления производительностью. Хотя имеется много примеров успешного построения промышленных информационных систем на базе VSE, ее основное назначение - поддерживать "унаследованное" программное обеспечение, разработанное для предшествовавших версий аппаратуры и ОС. Программисту, воспитанному на ПЭВМ, это может показаться странным, но в сфере промышленной обработки данных достаточно широко применяется программное обеспечение, разработанное 20 и более лет назад. За столь длительный срок эти программы доказали свою полезность и надежность, и у пользователей нет оснований от них отказываться.

Среда выполнения, которую VSE обеспечивает для приложений, показана на рисунке 12.3. Эта среда обеспечивается отчасти обязательными компонентами в составе ОС, отчасти - опционными компонентами ОС, отчасти - промежуточным программным обеспечением. Ниже вкратце рассматриваются компоненты, создающие эту среду.

Рисунок 12.3 Среда выполнения приложения в VSE/ESA

Базовые управляющие средства обеспечиваются обязательным компонентом ОС, который носит название VSE/AF (Advanced Functions). В состав этого компонента входят: ядро ОС - супервизор, обеспечивающее управление памятью, управление задачами (в терминологии IBM задача означает процесс), базовые функции управления заданиями и базовые функции управления файлами, некоторые системные утилиты и т.д.

Управление памятью

Аббревиатура VSE расшифровывается как Virtual Storage Extension - расширение виртуальной памяти. Это название сложилось исторически, но сейчас его нельзя считать вполне точным. Первая ОС этой линии - DOS - работала только с реальной памятью. Реальная память разбивалась на разделы фиксированного размера, и в каждом разделе выполнялась одна задача. В DOS/VSE за счет динамической трансляции адреса System/370 создавалось виртуальное АП размером 16 Мбайт, которое затем разбивалось на разделы фиксированного размера - и для такой модели название VSE является вполне справедливым. Однако, уже в VSE/SP и далее - в VSE/ESA появилась возможность создавать для каждого раздела независимое АП размером 16 Мбайт (а позже - 2 Гбайт). Структура памяти для современных версий VSE представлена на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4 Структура памяти VSE/ESA

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27