История и архитектура мейнфреймов

Обычно на русский язык термин "мейнфрейм" переводится как "большая ЭВМ универсального назначения". Однако нам представляется, что в настоящее время такое определение уже не является точным. Современные мейнфреймы не универсальны. Они специализированы как компьютеры для обработки больших и сверхбольших объемов данных или как суперсерверы. Название одного из поколений мейнфреймов IBM ESA (Enterprise System Architecture - архитектура систем масштаба предприятия) достаточно точно отражает такую специализацию

Мейнфреймы фирмы IBM [7] имеют почти 40-летнюю историю развития, причем, развитие это протекало эволюционно, во всяком случае, с точки зрения пользователей. При любых изменениях в аппаратной архитектуре каждое следующее поколение мейнфреймов обеспечивало выполнение программного обеспечения, разработанного для предшествующих поколений, почти в полном объеме.

За время существования мейнфреймов неоднократно высказывались и приобретали широкую популярность заявления об их устаревании и скорой кончине, однако, всегда "эти слухи оказывались несколько преувеличенными", и мейнфреймы продолжали существовать и развиваться. В настоящее время в технологиях обработки информации возрастает потребность в существенно централизованных решениях, и новое поколение мейнфреймов оказывается востребованным, как никогда раньше.

Семейство мейнфреймов IBM System/360, появившееся в начале 60-х годов, стало значительной вехой в истории вычислительной техники. Во-первых, это были первые ЭВМ, которые начали выпускаться серийно, а не по индивидуальным проектам, во-вторых, они стали первым семейством ЭВМ, то есть набором моделей с разной производительностью и разной стоимостью, но с переносимостью программного обеспечения с одной модели на другую. Семейство IBM System/360 строилось на базе CISC-процессоров с богатым набором команд и несколькими режимами адресации. Эти процессоры, однако, не поддерживали динамическую трансляцию адресов, поэтому программное обеспечение работало с реальной памятью, привязка адресов осуществлялась при загрузке. (Точнее - во время выполнения, в момент загрузки "базовых" регистров, но загруженная в реальную память программа уже не могла быть перемещена.) Размер адресной шины составлял 24 бит, что позволяло адресовать 16 Мбайт памяти - реальной и виртуальной. Чрезвычайно сильным свойством IBM System/360 явилась архитектура каналов ввода-вывода [8] (см. главу 6 части I). Достоинства мейнфреймов IBM System/360 определили ведущее положение этого семейства на рынке вычислительной техники в течение всех 60-х и начала 70-х годов, и первое время конкуренты IBM, вынуждены были делать собственные компьютеры программно совместимыми с IBM System/360.

Следующим поколением мейнфреймов стало семейство IBM System/370. Принципиальным отличием его от предыдущего поколения явилось введение динамической трансляции адресов. Применялась сегментно-страничная модель трансляции, во всех ОС этого поколения каждому процессу выделялся один сегмент адресного пространства (АП), то есть, процесс обладал собственной виртуальной памятью размером в 16 Мбайт. Однако в этом поколении проявилось некоторая "успокоенность" фирмы IBM. Фирма упустила из виду одно из конкурирующих направлений развития вычислительной техники, а именно - мини-ЭВМ, так называемые, Unix-машины, ведущим производителем которых в то время была фирма Digital Equipment. Нововведений семейства IBM System/370 оказалось недостаточно, чтобы сохранить почти монопольное положение на рынке, и именно тогда возникла первая "легенда о смерти мейнфреймов".

Отличие семейства IBM System/370/XA (eXtended Architecture - расширенная архитектура) от предыдущего поколения было достаточно революционным: адресная шина расширилась до 31 бита, что позволило адресовать виртуальную память до 2 Гбайт (при этом сохранилась совместимость и со старыми 24-разрядными моделями). Другим принципиально важным нововведением расширенной архитектуры явилось введение в подсистему ввода-вывода возможности динамического определения пути к устройствам ввода-вывода и поддержка SMP-архитектуры.

Следующим поколением стало семейство IBM ESA/370. В этом семействе появилась возможность адресовать до 16 2-Гбайтных виртуальных АП. Важнейшим из других возможностей, по-видимому, явилось свойство PR/SM (Partition Resources/System Management), обеспечивающее возможность разбиения (на микропрограммном уровне) ресурсов вычислительной системы на независимые логические разделы. Семейства 370/XA и ESA/370 определили новую специализацию мейнфреймов, однако еще не вывели фирму IBM в абсолютные лидеры.

Дальнейшее развитие мейнфреймов происходило во многом благодаря конкуренции IBM с японскими фирмами (Hitachi, Fujitsu), выпускающими собственные мейнфреймы, программно совместимые с IBM. Новое семейство - IBM ESA/390 интегрировало в себе большое количество нововведений, которые в итоге определили "второе рождение" мейнфреймов. Среди этих нововведений - увеличение регистрового массива, новые средства защиты памяти, новые средства работы с числами с плавающей точкой, оптоволоконные ESCON-каналы, встроенные криптографические процессоры и аппаратная поддержка сжатия данных и, конечно, sysplex - средство комплексирования вычислительных систем. В этом семействе произошел также переход мейнфреймов на CMOS-технологию, что привело к тому, что по размерам и по энергопотреблению они стали сравнимы даже с ПЭВМ. 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.

Рисунок 12.2 Эволюция ОС мейнфреймов