Операционные системы для больших ЭВМ

ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ИСТОРИЯ И АРХИТЕКТУРА МЕЙНФРЕЙМОВ 5

2 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА VSE/ESA 8

2.1 Управление памятью 9

2.2 Управление задачами 11

2.3 Файловая система 11

3 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА Z/OS 13

3.1 Управление памятью 14

3.2 Управление процессами 16

3.3 Средства взаимодействия 16

4 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА Z/VM 18

4.1 Управление памятью 19

4.2 Диспетчеризация ВМ 19

4.3 Виртуальные устройства 20

4.4 CMS 20

4.1 Файловые системы CMS 21

4.2 CMS Open Extension 22

4.3 GCS 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 24

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 25

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

История развития ОС насчитывает уже много  лет. Операционные системы появились  и развивались в процессе совершенствования  аппаратного обеспечения компьютеров, поэтому эти события исторически  тесно связаны. Развитие компьютеров  привело к появлению огромного  количества различных ОС, из которых далеко не все широко известны.

На самом  верхнем уровне находятся ОС для  мэйнфреймов. Эти огромные машины еще можно встретить в больших организациях. Мэйнфреймы отличаются от персональных компьютеров по своим возможностям ввода/вывода. Довольно часто встречаются мэйнфреймы с тысячью дисков и терабайтами данных. Мэйнфреймы выступают в виде мощных web -серверов и серверов крупных предприятий и корпораций. Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они выполняют три вида операций: пакетную обработку, обработку транзакций (групповые операции) и разделение времени. При пакетной обработке выполняются стандартные задания пользователей, работающих в интерактивном режиме.

Системы обработки транзакций управляют  очень большим количеством запросов, например бронирование авиабилетов. Каждый отдельный запрос невелик, но система  должна отвечать на сотни и тысячи запросов в секунду. Системы, работающие в режиме разделения времени, позволяют  множеству удаленных пользователей  одновременно выполнять свои задания  на одной машине, например, работать с большой базой данных. Все эти функции тесно связаны между собой, и операционная система мэйнфрейма выполняет их все. 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 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 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. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА VSE/ESA

Линия ОС, представляемая сегодня VSE/ESA v.2.6, 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  1. 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 1 - 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.

2.1 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 4.

Рисунок 2 - Структура памяти VSE/ESA

Нижняя часть виртуальной памяти - общая для всех разделов, в ней  размещается ядро ОС - супервизор. Выше располагается совместно используемая область виртуальной памяти, которая  содержит программы и данные, доступные  для всех разделов. Другая совместно  используемая область находится  в верхней части 2-Гбайтного АП. Разделение совместно используемой области на две части связано  с переходом от 24-разрядного адреса к 31-разрядному. Унаследованные программы  с 24-разрядной адресацией видят только часть АП до 16 Мбайт, в которой  есть все, что им нужно. Программы  же, созданные с учетом 31-разрядной  адресации, видят все 2 Гбайт АП, в  том числе, и расширение разделяемой  области.

Для части или для всего АП задачи может быть определен режим GETVIS, задающий расположение этой части  в реальной памяти и исключающий  ее из страничного обмена. Разумеется, это снижает эффективность функционирования остальных задач и применяется только для системных задач.

В части статических разделов, как  правило, уже при старте системы  запускаются системные задачи. Так, в разделе 0, который называется BG, обычно запускается задача связи  с оператором - BG; в разделе 1 - задача POWER и т.д. Разделы этих задач, выполняющих  обязательное общесистемное обслуживание, обычно (но не обязательно) размещаются  в общей части АП, как показано на рисунке 2.

2.2 Управление задачами

Единицей работы в ОС является задание (job). Задание состоит в последовательном выполнении нескольких шагов-задач (task) - программ (в частном случае задание может состоять из единственного шага). Задание характеризуется классом (буква) и приоритетом (число). Для каждого раздела оператором задаются классы заданий, выполняемых в разделе, и приоритет класса в разделе. Задания одного класса выбираются на выполнение в соответствии с числовым приоритетом, а при равенстве приоритетов - в порядке поступления. Классы и приоритеты заданий определяют порядок, в котором задания выбираются на выполнение, но не дисциплину распределения процессорного времени.

2.3 Файловая система

Сочетание структуры файлов на внешней  памяти и способов обработки файлов в программе составляет метод  доступа. В VSE/ESA применяются две группы методов доступа: базисные методы - BAM, "унаследованные" от старых версий и виртуальный последовательный метод - VSAM (применяемый также и  в z/OS как единственная для этой ОС структура файловой системы). Обычно при инсталляции VSE создаются два  дисковых тома. На этих томах устанавливаются  системные файлы и библиотеки, но также остается место и для  пользовательских файлов. Первичное  управление дисковым пространством  выполняется средствами BAM. На каждом диске выделяется пространство - область VSAM. С точки зрения BAM, вся эта область представляется как один файл, но внутри этого файла средства VSAM обеспечивают собственное управление дисковым пространством и создание VSAM-файлов.

В начале каждого диска находится  метка тома (VOL1), содержащая имя тома и указатель на размещение оглавления тома. Оглавление тома - структура VTOC - содержит информацию о размещении на томе BAM-файлов. Средства BAM фактически перекладывают управление дисковым пространством на программиста: при  создании файла программист должен явным образом указать физический адрес файла на диске и его  размер. Это выполняется средствами языка управления заданиями: после  оператора // DLBL, относящегося к создаваемому файлу должен следовать один или несколько операторов // EXTENT, задающих адреса и размеры участков файла. BAM-файл располагается в одном или нескольких (до 16) непрерывных участках дискового пространства. Дисковое пространство выделяется сразу при создании файла и не может быть перераспределено в дальнейшем. Элемент VTOC для каждого файла содержит его имя и до 16 пар "адрес-размер" для каждого участка. - Утилита VTOC помогает программисту вести карту распределения дискового пространства.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА Z/OS

z/OS (раньше - OS/390, еще раньше - MVS) является  стратегической для IBM ОС мейнфреймов. Именно в этой ОС в первую очередь осваиваются новые свойства аппаратной платформы, именно в этой ОС в первую очередь становятся доступными новые версии стратегических продуктов промежуточного программного обеспечения, именно эта ОС рассчитана на применение в самых мощных и производительных вычислительных комплексах и sysplex'ах (тесно связанных многомашинных комплексах, которые "выглядят" с точки зрения управления и распределения нагрузки как одна вычислительная система). Последняя на сегодняшний день версия этой ОС - z/OS V1R3.

ОС OS/360 MVT, находившаяся "у истоков" этой линии, работала только с реальной памятью, создавая в ней динамические разделы по мере необходимости. В ОС MVS сложились концепции управления виртуальной памятью и другими основными ресурсами, оставшиеся в принципе неизменными и до настоящего времени. Переименование системы в OS/390 было связано с интеграцией в систему ряда программных серверов, ранее существовавших в виде отдельных программных продуктов, а в z/OS - с адаптацией к 64-разрядной z-архитектуре. Длительная история эволюционного развития MVS - OS/390 - z/OS привела к тому, что на сегодняшний день z/OS является системой настолько сложной и богатой возможностями, что описать их все даже на структурном уровне - задача невыполнимая в объеме одной книги. Тем не менее, мы попытаемся (ни в коей мере не претендуя на полноту) дать читателю некоторое представление о компонентах управления теми ресурсами, которые являются предметом нашего основного внимания.