ibm大型機(jī)系統(tǒng)概述

1、大型機(jī)操作系統(tǒng)概述劉 玓liudi@uestc.edu.cn,課 程 說 明一、專業(yè)位置,,,,,,,大巨型機(jī) + z/OS,小中型機(jī) + UNIX,微型機(jī) + Windows,,功能強(qiáng)大,簡單易用,二、大型機(jī)之“大”的含義：1、集中處理之?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算量2、并發(fā)訪問之用戶數(shù)3、并行連接之設(shè)備數(shù)4、計(jì)算功能之復(fù)雜度5、可靠性之高度6、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之工藝化高度,三、學(xué)習(xí)結(jié)果,IBM主機(jī)教育專業(yè)證書分為兩類：第一類、凡是完成

2、主機(jī)專業(yè)方向所有必修課程的學(xué)生，IBM公司將 向其頒發(fā)主機(jī)教育Professional Certification證書。第二類、完成一門以上，但未完成所有主機(jī)專業(yè)方向必修課程的學(xué)生，IBM公司將向其頒發(fā)主機(jī)教育Specialist Certification證書。,四、學(xué)習(xí)建議：1、教材選用2、學(xué)習(xí)方法3、時(shí)間安排4、教學(xué)活動(dòng)5、認(rèn)證考試6、成績構(gòu)成,IBM大型機(jī)系統(tǒng)概述,,,發(fā)展歷史（一）,1948年，IBM開發(fā)

3、制造了基于電子管的計(jì)算機(jī)SSEC；1952年，IBM公司生產(chǎn)的第一臺(tái)用于科學(xué)計(jì)算的大型機(jī)IBM701問世，701字長36位，使用了4000個(gè)電子管和12000個(gè)鍺晶體二極管，運(yùn)算速度為每秒20000次； 1953年又推出了第一臺(tái)用于數(shù)據(jù)處理的大型機(jī)IBM702；,發(fā)展歷史（二）,1956年IBM繼續(xù)推出701與702的后繼產(chǎn)品704和705；1958年,IBM推出了大型科學(xué)計(jì)算機(jī)7090，并實(shí)現(xiàn)了晶體化； 1960年IBM將7

4、000系列全部晶體化，并制造了7094－1大型科學(xué)計(jì)算機(jī)和7040、 7044大型數(shù)據(jù)處理機(jī)；,發(fā)展歷史（三）,1961年，IBM完成了第一臺(tái)流水線計(jì)算機(jī)STRETCH(IBM7030)；1964年4月7日，IBM公布了360系統(tǒng)，成為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑；System/360是5種不同型號(hào)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)稱（也就是系列機(jī)的思想）； 總之，在1955年到1965年這10年間，美國名牌大學(xué)與大公司使用的計(jì)算機(jī)大多數(shù)是IBM704

5、到IBM7094這些機(jī)器。,發(fā)展歷史（四）,1970年六月，IBM正式發(fā)布了System/370的155和165兩種型號(hào)； 1972年八月，IBM推出的S/370－158和168系統(tǒng)采用了虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)和多處理技術(shù)，所謂多處理技術(shù)是指兩個(gè)以上的處理器裝在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中共同工作； 1981年，IBM公布了擴(kuò)展的S/370體系結(jié)構(gòu)（370－XA）,將地址線位數(shù)從24位增加到31位，大大增強(qiáng)了S/370的尋址能力；,發(fā)展歷史（五）,19

6、88年，IBM對(duì)S/370的體系結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的改進(jìn)，發(fā)布了ESA/370；1990年9月，IBM開發(fā)了ESA/390,ES/9000和S/390系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用ESCON等新技術(shù)；1994年，在擴(kuò)展ES/9000產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)之上，IBM發(fā)布了System/390(簡稱S/390系統(tǒng)），引進(jìn)了并行復(fù)合系統(tǒng)環(huán)境下的并行處理和CMOS技術(shù)的應(yīng)用；IBM eServer zSeries－更開放,更可靠…,技術(shù)上的大改進(jìn),S/360

7、系統(tǒng)；流水線計(jì)算機(jī)；虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)；多處理機(jī)技術(shù)；COMS技術(shù)；parallel sysplex；面向企業(yè)需求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置。,S/360系統(tǒng),從應(yīng)用角度來看，克服了第二代計(jì)算機(jī)性能單調(diào)的弱點(diǎn)，集科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能于一身，確立了通用性；從生產(chǎn)角度來看，實(shí)現(xiàn)了系列化；從發(fā)展角度來看，既采用了新的技術(shù)（微程序和通道等），又留有繼續(xù)發(fā)展的余地； 從使用角度來看，360在建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的繼承性上起了開創(chuàng)性的作用

8、。,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),如上圖所示，在主機(jī)系統(tǒng)中整個(gè)虛擬存儲(chǔ)體系由8層組成：－寄存器：是速度最快的存儲(chǔ)介質(zhì)，但數(shù)量較少；用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令和正在使用的各類數(shù)據(jù)；它位于CPU內(nèi)部，其中通用寄存器為32位，浮點(diǎn)寄存器則為64位。,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),－高速緩沖器：位于CPU內(nèi)部，由高速半導(dǎo)體存儲(chǔ)線路組成，其中存放的是下一批待執(zhí)行的指令。－二級(jí)高速緩沖器：不在CPU內(nèi)部，主要功能是自動(dòng)地從它的下一層存儲(chǔ)器獲取信息并傳送到上

9、一層的緩存中，其目的是更快地將信息從主存提出送到緩存。,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),－主存：是整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的主角；位于CPU外部；所有經(jīng)過CPU和I/O通道的信息都必須存放于此；其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上各層存儲(chǔ)器，但訪問速度仍然很快。,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),－擴(kuò)展存儲(chǔ)器：其目的是降低整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)成本的同時(shí)又不降低太多的性能，它由超大規(guī)模的半導(dǎo)體存儲(chǔ)線路矩陣組成，作為主存的補(bǔ)充。 在S/390的有些型號(hào)中，擴(kuò)展存儲(chǔ)器實(shí)際上是主存的一部分。一些還要使用但不

10、是馬上要用的信息都會(huì)自動(dòng)地存入擴(kuò)展存儲(chǔ)器中。一旦這些信息又要被使用時(shí)，它們將立即被送回到主存，以備CPU隨時(shí)使用。,虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),－直接訪問存儲(chǔ)設(shè)備（DASD）：即磁盤存儲(chǔ)器，在S/390中，磁盤存儲(chǔ)器一般可以分為兩類：一類是帶有高速緩存的，另一類則不帶高速緩存。磁盤存儲(chǔ)器同I/O設(shè)備一樣，也是通過S/390的I/O通道或系統(tǒng)總線與系統(tǒng)相連。 由于它利用磁介質(zhì)存儲(chǔ)信息，即使在關(guān)掉電源后信息也不會(huì)丟失，因此也稱為永久性存儲(chǔ)器。,

11、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù),－光盤存儲(chǔ)器：利用光技術(shù)獲得極高的記錄密度,是一種比磁盤速度低的隨機(jī)存儲(chǔ)器,也可以長期保存信息。－磁帶存儲(chǔ)器：磁帶存儲(chǔ)器往往是作為磁盤存儲(chǔ)器的備份，是一種低成本高速度的存儲(chǔ)媒體，對(duì)于存儲(chǔ)一些檔案文件非常適合。,多處理器技術(shù),多處理器技術(shù)是指兩個(gè)以上的處理器裝在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，共同工作。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CP,CP,CP,CP,OS/390,Storage,Channel Su

12、bsystem,CP,CP,CP,CP,,OS/390,,,,,,OS/390,OS/390,Storage,Storage,CSS,CSS,CMOS技術(shù),CMOS技術(shù)－互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；與雙極型技術(shù)相比，有了顯著的提高，一個(gè)芯片中可以容納450000個(gè)電路；散熱的優(yōu)越性；成本的降低；體積的減少。,Sysplex,System complexSysplex 是指在一個(gè)或者多個(gè)處理器中運(yùn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的OS390操作系統(tǒng)；

13、XCF(cross-system coupling facility)－允許一個(gè)系統(tǒng)中的特許程序與該系統(tǒng)中的其它程序或者其它系統(tǒng)中的程序進(jìn)行通訊；Channel-to-channel通訊方式；Sysplex Timer－同步功能。,,并行復(fù)合系統(tǒng),S/390并行復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)用這些新的結(jié)構(gòu)設(shè)施，可以充分利用至多32臺(tái)計(jì)算機(jī)，而且今后利用的臺(tái)數(shù)還可以增加。S/390并行復(fù)合系統(tǒng)可以使得這些計(jì)算機(jī)協(xié)作工作如同一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，有

14、統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)參考系，將所有的數(shù)據(jù)作為一個(gè)整體來對(duì)待，隨時(shí)可以共享，并且在進(jìn)行這些工作時(shí)，它的這種結(jié)構(gòu)對(duì)用戶，對(duì)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)用程序乃至操作管理程序來說都是透明的。,并行復(fù)合系統(tǒng),在并行復(fù)合系統(tǒng)中，似乎只有一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工作而不是多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在協(xié)同工作，所以它的優(yōu)點(diǎn)十分明顯。例如說原有的應(yīng)用程序可以不經(jīng)任何的修改即可以在上面運(yùn)行，它可以連續(xù)不斷的運(yùn)行，可以做單象運(yùn)行，又能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的工作負(fù)載平衡以及數(shù)據(jù)的整體共享等等。,動(dòng)態(tài)工作負(fù)載平衡,應(yīng)

15、用程序,應(yīng)用程序,應(yīng)用程序,應(yīng)用程序,應(yīng)用程序,應(yīng)用程序,數(shù)據(jù)共享,,,,,,,,,,,,,,,,,體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn),ESCON(企業(yè)系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)),這是一種新的輸入輸出結(jié)構(gòu),應(yīng)用光纜，利用光通訊而不是傳統(tǒng)的電子訊號(hào)；加密結(jié)構(gòu)：在S/390中，計(jì)算機(jī)通過集成密碼特征來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)中的信息進(jìn)行加密或解密，以防止信息被非法訪問；,體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn),子系統(tǒng)存儲(chǔ)保護(hù)：防止諸如CICS等子系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的干擾,這個(gè)功能由操作系統(tǒng)和子系統(tǒng)共同提供；數(shù)

16、據(jù)壓縮：是指S/390在硬件級(jí)上提供數(shù)據(jù)壓縮，其速度是軟件壓縮的5倍以上；,體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn),異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（ADMF）：利用I/O處理器更有效地實(shí)現(xiàn)中央存儲(chǔ)器與擴(kuò)展存儲(chǔ)器之間的信息移動(dòng)，以空出處理器來完成其它任務(wù)；DB2排序增強(qiáng)：允許使用硬件完成DB2的排序算法；,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,S/370基本任選方式 在S/370基本方式中，S/390可以執(zhí)行S/370的217條指令；存儲(chǔ)器使用24位地址，也就是說，最多支持16

17、MB的虛擬存儲(chǔ)器,同時(shí)支持16個(gè)通道和集成I/O適配器，但在此方式下不支持ESCON通道。,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,S/370本機(jī)方式 在此方式下，S/390同樣可以執(zhí)行S/370的217條指令,但是它利用S/370的擴(kuò)展實(shí)尋址的26位地址，可以將中央處理器擴(kuò)展到64位,提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 S/370本機(jī)方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的最大通道數(shù)增加到了32，這些通道可以是并行通道，但不能是ESCON通道或S/370多路

18、選擇通道。,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,ESA/390方式 這個(gè)方式的運(yùn)行是按企業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ESA）／390所確定的功能來進(jìn)行的，其指令集擴(kuò)展到了229條指令。它使用31位地址，因此虛擬地址空間擴(kuò)展到了2ＧＢ，但仍與24位的程序相兼容。在最大的S/390計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總共可以配置256個(gè)通道。它支持并行通道、ESCON通道或集成I/O適配器。在硬件中還有自動(dòng)處理“通道占線”條件，它可以十分有效地減少與I/O動(dòng)作有關(guān)的整個(gè)等待或延遲時(shí)間

19、。,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,ESA/390 LPAR方式所有的S/390系列計(jì)算機(jī)都能夠以此方式運(yùn)行。在此方式下，系統(tǒng)在物理上是在一個(gè)機(jī)柜中，但是在邏輯上它可以劃分為最多十個(gè)部分。這種邏輯上的劃分是由被稱為處理器資源／系統(tǒng)管理器（PR/SM）的微碼來完成的。,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,PR/SM可以讓系統(tǒng)操作員將一個(gè)系統(tǒng)邏輯地分成若干個(gè)系統(tǒng)(并不是虛機(jī)器)，每一個(gè)系統(tǒng)都有其自己的通道、自己的處理器、存儲(chǔ)器和中央處理器（或時(shí)間片）。

20、這樣劃分后，每一部分都是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。,,,,,,Central Processor,OS/390,Storage,Channel Subsystem,,,,,,,,,Uniprocessor,,,,,,,,,,,,,,,,,CP,CP,CP,CP,OS/390,Storage,Channel Subsystem,Non-Partitionable Multiprocessors,,,,,,,,,,

21、,,,,,,OS/390,Storage,CSS,,,OS/390,Storage,CSS,Central Processors,PR/SM,Logical Partitioning –LPAR Mode,S/390的系統(tǒng)運(yùn)行方式,物理劃分方式 除了邏輯上用PR/SM可以將S/390劃分為LPAR外，S/390的Ｎ重多處理器也可以作物理上的劃分。例如，一個(gè)4重處理器部件可以在物理上劃分為2個(gè)2重處理器部件（雖然其物理位置仍然是

22、在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)）。在物理上劃分成兩個(gè)系統(tǒng)后，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的處理器控制器，而且它們是獨(dú)立控制的。,物理劃分方式,,,CP,CP,CP,,,,,,,,,CP,,OS/390,CSS,,,Storage,OS/390,OS/390,Storage,CSS,大型服務(wù)器的特點(diǎn),正向兼容 所謂正向兼容即指原有S/370的軟件可以在S/390中運(yùn)行。這包括：匯編級(jí)用戶程序，高級(jí)語言開發(fā)的軟件產(chǎn)品，數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)，通信和聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、操作方

23、式等。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),向量處理  過去IBM的大中型機(jī)沒有專門的向量處理指令，但有健全的浮點(diǎn)和整數(shù)運(yùn)算，因此用軟件的辦法解決向量運(yùn)算。為了在大中型通用機(jī)系統(tǒng)上有效解決向量運(yùn)算，IBM采用了兩種方法：一是在通道上加接數(shù)組處理器(AP)，和CPU組成松散的協(xié)同關(guān)系，這種方法已使用近二十年，對(duì)處理FFT等問題十分方便。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),S/390系列有多種機(jī)型，其中多數(shù)機(jī)型均可配置向量運(yùn)算裝置。例如中檔機(jī)器320型(相當(dāng)

24、于4381)就可以在中央處理機(jī)增配向量運(yùn)算部件，在最高檔的900型則可同時(shí)配置六個(gè)向量運(yùn)算裝置，一個(gè)向量裝置的處理能力為23MFLOPS。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),新的通道體系結(jié)構(gòu)ESCON(Enterprise System Connection Architecture)  其實(shí)最早在大型機(jī)中使用光纖的并非IBM，日立公司在1987年前就開始用光纖連接大型機(jī)系統(tǒng)，只是沒有形成光纖通道為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)。 IBM在S/39

25、0中采用了ESCON，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用光纖技術(shù)，而是在通道結(jié)構(gòu)上做了較大的變革。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),這是一種新的輸入輸出結(jié)構(gòu)，它定義了一套規(guī)則，使存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、控制部件、通訊控制部件等I/O設(shè)備都通過這套規(guī)則與處理器相連接。ESCON使用光纜通訊，而不再使用電信號(hào)，使用光纖通信后，不僅大大提高了I/O設(shè)備和通道之間的信號(hào)傳輸速度，而且還可以把I/O設(shè)備放置在遠(yuǎn)離處理器幾十公里以外的地方。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),保密硬件措施  在

26、S/370系統(tǒng)中，加密和解密均由系統(tǒng)軟件解決，速度慢并增加系統(tǒng)開銷，在S/390中則提供了密碼特性件(Cryptographic feature) 。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),保護(hù)企業(yè)內(nèi)部信息資源，保證信息在傳送和存放中不受破壞或被外界盜用是十分重要的。在企業(yè)內(nèi)部由大型機(jī)，中小型機(jī)以及各基層部門使用的工作站等連成一個(gè)龐大的體系中，安全保護(hù)就更為重要。當(dāng)然，僅僅提高機(jī)器本身的可靠性還不夠，還需在S/390中采取抗干擾，抗病毒侵入的硬件安全裝

27、置。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),當(dāng)各個(gè)部件之間交換數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)于發(fā)送方，由其硬件密碼裝置將信息加密后再發(fā)送(在企業(yè)內(nèi)可通過光纖)，而對(duì)于接收方，則在接收后由主機(jī)的密碼裝置解密。這種密碼裝置效率非常高，每秒可處理1000筆資料，密碼裝置涉及到個(gè)別專用指令或固化操作邏輯和中斷等。系統(tǒng)軟件也有相應(yīng)模塊，例如RACF軟件產(chǎn)品，則可以進(jìn)行用戶認(rèn)證和資源授權(quán)檢查。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),31位地址編碼 在S/370的XA體系結(jié)構(gòu)中已使用31位編碼地址，S

28、/390則規(guī)定所有機(jī)型都是31位地址結(jié)構(gòu)，直接尋址范圍可達(dá)2GB字節(jié)，大大增加了用戶程序及數(shù)據(jù)的可用虛存空間。需要繼續(xù)增加地址位數(shù)？技術(shù)上？需求上？,大型服務(wù)器的特點(diǎn),S/390的應(yīng)用矛盾不在于單個(gè)的虛存空間有多大，一個(gè)31位的虛空間對(duì)于一個(gè)大的作業(yè)已足夠。主要矛盾在于需要解決多個(gè)虛存空間同時(shí)使用和工作，強(qiáng)調(diào)多個(gè)虛存空間的橫向關(guān)系。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),Cache緩沖技術(shù)的改進(jìn) 使用Cache的目的是為了緩解中央處理器指令執(zhí)行周期

29、和主存速度的匹配矛盾。 Cache技術(shù)首先在IBM360/85型計(jì)算機(jī)中使用，后來在巨型機(jī)中又使用了二級(jí)Cache技術(shù)。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),由于通道數(shù)目的增加，大大增加了訪問主存的頻率，特別是在多個(gè)CPU結(jié)構(gòu)中，各CPU同時(shí)訪問主存帶來的速度矛盾，多路競爭矛盾和信息副本的矛盾，使得過去那種以主存為中心輔之以單級(jí)Cache的存貯體系無法滿足大型機(jī)的性能要求。為此在S/390中高檔的機(jī)型都使用了兩級(jí)Cache技術(shù)。,大型服務(wù)器的特點(diǎn)

30、,每一個(gè)中央處理機(jī)使用一個(gè)256K字節(jié)的一級(jí)Cache，但是把數(shù)據(jù)和指令分開，二者并行工作。在多機(jī)結(jié)構(gòu)中，一級(jí)Cache的信息由二級(jí)Cache提供，二級(jí)Cache的容量高達(dá)4MB，二級(jí)Cache再和主存交往。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),例如：IBM曾發(fā)表一個(gè)有趣的數(shù)字說明Cache的重要性： 如果處理的數(shù)據(jù)在Cache中需1秒， 那么處理的數(shù)據(jù)在主存中需16秒， 那么處理的數(shù)據(jù)在擴(kuò)存中需2500秒， 那么處理的數(shù)據(jù)由通

31、道調(diào)度需70000秒。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),供電系統(tǒng)的改進(jìn) S/390系列各型號(hào)均采用50/60赫茲市電直接供電方式； 氣冷柜架式的多個(gè)機(jī)型使用了電池備份供電，一旦電源切斷，電池可以繼續(xù)工作5分鐘。其他機(jī)型則使用一種新的可靠性高的電源。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),提高存儲(chǔ)器檢測/糾正功能 在S/390中，不僅主存部分和高速緩存部分普遍使用海明碼，而且在擴(kuò)存部分使用了檢測三位錯(cuò)并糾正兩位錯(cuò)的裝置。 此外，還在機(jī)器信息存取裝置上，傳遞

32、通路上，信息轉(zhuǎn)換裝置甚至遠(yuǎn)算部件上安置了上千個(gè)自動(dòng)糾錯(cuò)裝置。這樣做的目的不僅可以克服偶然出現(xiàn)的隨機(jī)性錯(cuò)誤的干擾，從硬件角度看又起了冗余作用，不會(huì)因某個(gè)硬件器件的損壞而影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。,大型服務(wù)器的特點(diǎn),關(guān)鍵部件的備份工作 在S/390中，許多關(guān)鍵部件都實(shí)行雙部件冗余工作，其中一個(gè)部件出現(xiàn)故障，另一個(gè)立即自動(dòng)切換上去。 例如一個(gè)電源出現(xiàn)故障，系統(tǒng)立即切換到另一個(gè)電源部件增加輸出維持工作。其他的冗余設(shè)計(jì)方法在中央處理器內(nèi)部也有采用