книги из ГПНТБ / Королев, Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение учебное пособие
.pdfзования ЭВМ, оптимум стоимости, затрачиваемой на ре шение всего суммарного круга задач.
Действительно, если очень крупные дорогие машины использовать для решения большого числа очень мелких задач, то эффект их использования будет настолько ни зок, что это будет просто невыгодно.
Если малые машины пытаться использовать для реше ния таких крупных задач, как, например, современные трехмерные задачи гидродинамики, то либо эти машины вообще не справятся с такими задачами, либо они их будут решать столь медленно, что результаты будут обесценены.
В настоящее время пока еще не вызывает сомнения, что необходимы машины, разные по производительности, по возможностям и, разумеется, по цене. А раз это так, то естественно выпускать несколько типов машин, не пересекающихся по своим функциональным возможно стям и обеспечивающих решение любой задачи в при емлемые сроки и за приемлемую цену.
Фирма IBM как раз задалась целью создать такое семейство машин, получившее название IBM SYSTEM 360 *). Это семейство состоит из двух десятков типов (мо делей) машин.
Программная преемственность — главный принцип семейства 360 — означает, что программы, написанные в расчете на менее производительный тип машины се мейства, без переделок должны выполняться на более производительных машинах семейства. Это — преем ственность (программная совместимость) моделей машин снизу вверх. Программы, написанные для высокопро изводительных типов машин семейства, должны без изменений считаться на машинах более«низких»типов при условии адекватных ресурсов по объему памяти, ком плекту внешних устройств и независимости их от време ни выполнения. Это — преемственность сверху вниз.
Независимость от времени выполнения — весьма су щественное ограничение на преемственность. Например, работа в системе разделения времени — это в конечном
*) Индекс «360» подвергался многочисленным толкованиям и расшифровкам. Говорилось о том, что это символизирует полный круг (360°) применений. Однако скорее всего это означает: третье по коление, 60-е годы.
110
итоге выполнение программ, результат работы которых зависит от времени их исполнения. Одним из критериев эффективности при этой работе является время, затрачи ваемое пользователем в ожидании ответа при диалоге с машиной. Если пользователь ждет ответа в пределах не скольких секунд, то это удовлетворительный результат работы. Если в ожидании ответа проходят десятки минут, то система диалога с машиной теряет всякий смысл. Это означает, что на низших моделях не имеет смысла рабо тать в режиме разделения времени, и совместимость системы команд в данном случае никак помочь не может.
Следующая база, на которой объединяются машины системы IBM-360,— общая схема сопряжения с внешни ми каналами связи и внешними устройствами — вклю чает в себя не только стандартизацию электрических методов подключения, но и общность входного-выходного алфавита, общность команд управления и организации работы каналов. Положительное значение принципа стандартного сопряжения не вызывает сомнений. Одна ко много споров вызывает вопрос о том, как технически должны быть организованы каналы связи. Несомненно при этом одно, что выбранная система должна быть стан дартной.
Единая конструктивная и технологическая база, на основе которой должны быть построены все модели се мейства, означает проведенную как можно дальше стандартизацию системы логических элементов, функцио нальных модулей, конструктивных размеров плат, бло ков, стоек, числа разъемов в блоках и т. д.
Разумеется, что высокопроизводительные модели дол жны строиться на более высокочастотных элементах, но при этом логические функции набора элементов могут оставаться неизменными и такими же, как и для низко частотных элементов. Это экономит время на разработку функциональных схем, позволяет стандартизировать тех ническую документацию и ускорять тем самым разработ ку новых моделей. На самом деле трудно стандартизи ровать технологические приемы монтажа. Высокая ча стота предъявляет свои особые требования к технологии производства, например требование экономии длины связей, которых не надо придерживаться при изготовле нии низкочастотных приборов и плат.
Ill
Единое математическое обеспечение для машин раз-, иого типа предполагает прежде всего унификацию средств программирования. Это означает, что все модели семей ства должны воспринимать программы, написанные на некоторых фиксированных для данного семейства языках.
Для Системы 360 в качестве таких языков выбраны ФОРТРАН-IV, КОБОЛ, PL-1, язык Ассемблер или автокод машин СистемыЗбОи ряд других. Эти языки вклю чаются в состав стандартного математического обеспе чения, и любая модель семейства должна быть снабжена соответствующим транслятором.
Далее, это означает, что операционные системы долж ны предоставить пользователю аналогичные возможности по работе на машине вне зависимости от ее типа. Язык обращения к операционной системе должен быть одина ков для всех типов машин. Одно из важных требований к операционной системе сводится к тому, что она должна настраиваться на заданный комплект машины. Это требо вание отвечает принципу построения всей системы, поз воляющему комплектовать отдельные машины различ ным набором запоминающих устройств (оперативных и внешних), устройств ввода-вывода. Наконец, единое мате матическое обеспечение включает в себя понятие стан дартного способа организации массивов данных и про грамм (организации файлов), единообразного способа обращения к библиотеке этих массивов, способа образо вания их, исключения их и защиты от случайного вмеша тельства.
Далее мы рассмотрим возможности операционной си стемы, разработанной с учетом вышеперечисленных тре бований, известной под названием OS-360 и DOS-360, и нам станет более ясно, что собой представляет это общее математическое обеспечение.
Принцип объединения во всех моделях разноречивых требований со стороны различных по характеру задач (научных, коммерческих, задач управления) означает, что внутренний язык машины и набор операций должны удовлетворять всем этим разноречивым требованиям, структура машины должна быть одинаково хороша при использовании ее для решения как одних, так и других задач.
В Системе 360 этот принцип реализован широким на бором команд, включающих около 144 наименований,
112
обеспечивающих выполнение действий с плавающей запятой, с десятичными числами переменной разрядности, с целыми десятичными цифрами и наборами символов.
§ 1. Архитектура ШМ-360
Для всех моделей этого семейства принята единая крупноблочная структура (рис. 8). Основная память, центральный процессор (или центральный вычислитель), мультиплексный канал, селекторные каналы — основ ные модули машины. В мультиплексном канале имеется
Устройства
ВВсоа-ВыВоВа
Устройства
управления
Рис. 8.
несколько подканалов, каждый из которых может быть связан с несколькими внешними устройствами (обычно с устройствами ввода-вывода). Каждый селекторный ка нал имеет один подканал, который может быть связан также с несколькими внешними устройствами (обычно с устройствами внешней памяти, дисками, магнитными лентами).
Селекторный и мультиплексный каналы связаны с основной памятью и через устройство сопряжения с блоками управления внешними устройствами.
Такой блок-схемой может быть представлена любая модель Системы 360.
ИЗ
Для разных моделей мощности каналов различны (про пускная способность различна), и, следовательно, к каждому каналу возможно подключение различного числа различных по составу устройств.
К марту 1970 г. фирмой IBM были выпущены и уста-, новлены следующие модели Системы 360.
Модель 20: быстродействие — около 5 тыс. операций/сек, объем памяти — 4—16 тыс. байтов. Этих моделей
было выпущено около 8000. |
25 тыс. опе- |
||
Модель |
25: быстродействие — порядка |
||
раций/сек, |
память — 16—48К байтов. Это — модель, |
||
сравнительно |
недавно выпущенная. |
15 тыс. опе- |
|
Модель |
30: |
быстродействие — порядка |
|
раций/сек, объем памяти — 16—32К байта. Их установ лено более 8000.
Модели 40, 44: быстродействие — около 100 тыс. операций/mc, объем памяти — до 32—256К байтов. Их установлено около 2000.
Модель 50: быстродействие — около 200 тыс. операций/сек. Их было установлено около 600 (по данным на
1970 г.).
Модель 65 приблизительно того же быстродействия, что и модель 50, но с возможностью расширения памяти до 1 млн. байтов. Этих моделей установлено более 200 (по данным на 1970 г.).
Модель 67 специально разработана для режима раз деления времени, быстродействие ее составляет около 300 тыс. операций/шс. По своей структуре эта модель отличается большим количеством внешних каналов, которые могут быть подключены к центральному процес сору, расширенным составом оборудования сопряжения с телеграфно-телефонными линиями. Иным способом орга низована в этой машине память. Виртуальная память разбита на сегменты по 2048 байтов каждый. Сегменты делятся на активные и пассивные. Активные сегменты — это те, которые в данный момент находятся в физической оперативной памяти и имеют свое отражение в оператив ной таблице соответствий. Продолжение этой таблицы соответствий находится в оперативной памяти, и, если производится обращение к сегменту, которого нет в опе ративной таблице соответствий, происходит прерывание, данные о сегменте передаются в активную таблицу со ответствий, а «старые» данные изымаются из этой таб
114
лицы. При прерывании может возникнуть ситуация, ука зывающая на отсутствие требуемого сегмента в физиче ской оперативной памяти. В этом случае супервизор организует подкачку информации с внешних запоминаю щих устройств (с дисков). Модель 67 стоит особняком, и для нее разработана своя операционная система для организации работ в режиме разделения времени. Эта модель в какой-то степени нарушает принцип програм мной совместимости, да и архитектура 67-й модели за метно отличается от архитектуры остальных машин 360-й серии. К марту 1970 г. было установлено 13 машин этого типа.
Модель 75, с быстродействием более 500 тыс. операций/сек, с объемом памяти от 256 до 1024К байт.ов, снаб женная внешней памятью на магнитных барабанах до 4 млн. знаков, на дисках до 207 млн. знаков, является очень крупной машиной. Этих машин было установлено 17, в основном в США.
Модели 90, 91, 92 принадлежали в свое время к клас су супермашин. Их быстродействие колеблется в преде лах от 2 до 5 млн. операций/mc. Эти модели совершенно отличаются по своей внутренней структуре от остальных моделей и построены, естественно, на иной технологиче ской основе. В этих машинах применен принцип «водо провода», принцип параллельного выполнения одновре менно нескольких команд на разных уровнях, и прин цип буферизации передач информации между различными устройствами машины и памятью. Машины имеют не сколько функционально разделенных блоков обработки информации или раздельных, арифметических устройств для выполнения операций сложения, умножения, деления.
Несколько слов следует сказать о супермашине моде ли 85 с быстродействием около 1—2 млн. операций/'тс. Эта модель связана с понятием памяти типа cache — но вовведением в структуру машин серии 360, которое утвердилось в моделях 195, 144 и новой серии IBM-370. Идея обменной памяти такого типа очень проста и со стоит в аппаратной реализации механизма подкачки массивов данных и массивов команд в сверхбыструю не адресуемую оперативную память достаточно большого объема. Если к данным и командам обращение происхо дит последовательно, то предварительная подкачка
116
позволяет значительно ускорить среднее время обращения за числами и командами. Если, как это часто бывает, команды выбираются в цикле, то цикл целиком «оседает» в быстрой памяти, что также приводит к сокращению времени, затрачиваемому на выборку команд. На маши нах со структурой памяти типа «обменной» (cache) ста новится очевидным несоответствие структуры команд с адресуемыми общими регистрами структуре с неадресуе мой быстрой памятью.
В 1971 г. заказчикам стали поступать ЭВМ нового семейства фирмы — IBM-370 и начался процесс замены машин серии 360. Первые модели этого семейства сохра няют программную преемственность с машинами 360, однако в систему команд их введены новые привилеги рованные команды, связанные с рядом изменений, вве денных в новую серию. Изменения в моделях Системы 370 коснулись способа подключения дисков, предоставле ния более широких возможностей по диагностике систе мы, что потребовало введения дополнительных команд. К 1973 г. фирмой были выпущены модели IBM-370/125, IBM-370/135, IBM-370/155, IBM-370/165, IBM-370/195, IBM-370/158, IBM-370/168. Эти модели по стоимости де шевле, чем соответствующие модели семейства 360 и более производительны. Самая крупная из них — это IBM-370/195, которая обладает производительностью около 15 млн. операций/дас. Техническим новшеством в серии 370 является применение оперативного запоми нающего устройства на интегральных схемах, а не на ферритовых сердечниках, как в абсолютном большинстве современных машин. По своей структурной организации в семействе 370 выделяются две машины: 158 и 168. В них введена память, которая отсутствовала 'в маши нах серии 360, исключая 67 модель. Виртуальная па мять этих машин имеет листовую структуру .с весьма интересно реализованными схемами отображения вир туальных (математических) листов на физические. Быст рый поиск по таблицам соответствия организован с ши роким использованием Н-кодирования (свертки кода адреса листа для получения номера входа в таблицу со ответствий). Введение листовой структуры — знамена тельный факт. Опыт эксплуатации Системы 360 пока зал, что эти машины очень трудно использовать в системах коллективного пользования, в системах с раз
ив
делением времени. При работе в таких режимах требует ся глубокий динамизм распределения ресурсов памяти между быстро сменяющими друг друга задачами. Базиро вание по физическим адресам, принятое в семействе 360, не обеспечивает такого динамизма. В моделях 158 и 168 фирма постаралась избавиться еще от одного очень существенного недостатка структуры семейства 360, который состоит в том, что из машин семейства 360 практически невозможно создавать многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общее поле оперативной памяти или на общее поле внешних запоми нающих устройств и каналов связи. В машинах 158 и 168 предусмотрена возможность организовать из них многопроцессорные комплексы.
Типовой многопроцессорный комплекс состоит из трех центральных процессоров. Два из них работают на общую оперативную память, а третья машина соединена с системой как внешний абонент и имеет свою собствен ную память. Это потребовало изменения принципиальной схемы связи центральных процессоров с оперативной памятью и принципиального изменения системных при вилегированных команд, создания совершенно новой операционной системы, способной управлять работой машины в многопроцессорном варианте и осуществлять режим разделения времени. ОС и ДОС операционные системы, созданные для семейства 360, естественно, ока зались неприспособленными к выполнению этих функций. В настоящее время (1973 г.) разработана первая версия новой операционной системы. Надо отметить, что в се мейство 370 в большей степени, чем в семействе 360, представлены различные принципы внутренней струк турной организации моделей. Например, модель 125 представляет собой как бы четыре функционально авто номных процессора, работающих на общую память: арифметический процессор, процессор управления па мятью, процессор связи с внешними запоминающими устройствами (дисками), процессор связи с периферий ными каналами. Самая мощная модель 195 носит черты специализации для решения очень больших вычислитель ных задач, и для нее создана своя специализированная операционная система. Модели 158 и 168 имеют отличный от других аппарат управления виртуальной памятью. Это говорит о том, что период поиска оптимальной и
117
универсальной структуры и архитектуры ЭВМ далеко еще не закончен и вряд ли в обозримом будущем завер
шится.
В 1975—1976 гг. фирма IBM, если доверять сообще ниям зарубежных газет, намеревается выпустить в свет новое семейство, в котором будут ликвидированы все недостатки семейств 360 и 370. Кодовое название этого семейства FS. Сведений об особенностях этого семейства
пока еще нет.
Отдавая дань времени, IBM, как и многие другие фир мы, в настоящее время занялась производством и выпу ском серии минимашин, которые названы SYSTEM-3. Фирма предполагает выпустить таких машин около 25 ты сяч. Эти машины могут служить терминалами в больших системах и также могут использоваться самостоятельно. Система команд этих машин не имеет ничего общего с системой команд 360. Это любопытный и знаменательный факт.
§ 2, Представление данных и система команд IBM-360
Для всех типов машин Системы 360 существует еди ный формат данных, выработано единое представление величин и единые правила расположения данных в па
мяти.
Основные единицы информации таковы.
1. Байт, состоящий из восьми двоичных разрядов. В байте может храниться код алфавитно-цифрового сим вола, две двоично кодированные десятичные цифры, две шестнадцатеричные цифры и, разумеется, любой набор восьми двоичных знаков.
2.Полуслово, состоящее из двух байтов. В Системе 360 предусмотрены арифметические действия с полусло вами, это в основном операции целочисленной арифме тики и арифметики с фиксированной запятой.
3.Слово, состоящее из четырех байтов (32 двоичных разряда). В словах могут быть представлены целые числа, числа с фиксированной запятой, числа с плавающей запятой, величины, представляющие собой адреса. Над словами предусмотрены соответствующие арифметиче ские и логические операции.
4.Двойное слово, состоящее из 64 разрядов, которые служат для представления главным образом чисел с пла
не
вающей запятой повышенной точности. Соответственно в системе команд предусмотрен полный набор арифме тических операций с удвоенной точностью. Правда, не во всех моделях эти операции выполняются аппаратно. В младших моделях они выполняются по подпро граммам.
5. Десятичное число, которое представляется после довательностью байтов переменной длины от 1 до 16. Арифметические действия сложения, вычитания, умно жения и деления, предусмотренные для десятичных чисел, предполагают, что цифры числа плотно упако ваны (в каждом байте по два знака). Десятичные числа могут представляться в памяти машины и в так назы ваемом неупакованном виде, когда каждая цифра зани мает целый байт, его четыре правых разряда. Именно в таком неупакованном виде числа приходят с внешних устройств. В системе команд предусмотрены специальные операции «упаковки» и «распаковки» десятичных чисел. Операция «упаковки» приводит числа, принятые с внеш них устройств, к виду, предусмотренному для обработки операциями десятичной арифметики. Операция «распа ковки» готовит десятичные числа для выдачи из машины на печать, перфорацию или во внешние каналы.
6. Буквенно-цифровые данные, или строки символов, могут быть произвольной длины от 1 до 256 байтов. С этого рода информацией производятся действия срав нения, трансляции, редактирования, пересылки, не обходимые в основном для представления символьной информации в виде, пригодном для выдачи результатов в удобообозримой форме, для преобразования принятой информации к виду, удобному для обработки на цент ральном процессоре. Операции со строками символов, очевидно, крайне удобны для решения логических задач, для реализации трансляторов, для решения информа ционно-поисковых задач.
7. Байт, слово и двойное слово могут содержать лю бую логическую информацию. В системе команд 360 пре-
,Дусмотрены различные логические операции над этими логическими переменными фиксированной длины. Сдви ги, проверки разрядов, операции поразрядной дизъ юнкции и конъюнкции и др. являются необходимым средством решения многочисленных неарифметических задач.
119