Текст книги "Основы AS/400"

Автор книги: Фрэнк Солтис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 41 страниц)

Одноуровневая память и производительность

Как уже отмечалось, основное достоинство одноуровневой памяти – в сокращении числа команд, требуемых для выполнения определенных функций ОС. Можно привести множество примеров функций, производительность которых повышается благодаря одноуровневому хранилищу. Значительно упрощается за счет ненужности перемещения файлов файловая система, эффективней работает база данных. Но одно преимущество сразу бросается в глаза – это резкий рост производительности AS/ 400 при работе в интерактивном режиме, непосредственно зависящей от времени на переключение процессов. Рассмотрим пример, иллюстрирующий, как переключение процессов влияет на общую производительность AS/400.

В обычной ОС, использующей адресацию относительно сегмента, при переключении процессов требуется изменение содержимого сегментных регистров. Если этого не сделать, то меньшие эффективные адреса в новой программе будут ошибочно транслироваться в виртуальные, принадлежащие программе предыдущего процесса. Проблема возникает потому, что каждый процесс в системах такого типа имеет собственную эффективную память, которая начинается с адреса 0. Данный тип адресации используется большинством современных версий Unix, а также AIX IBM.

Роль сегментных регистров в системах такого типа – в отображении эффективных адресов в виртуальную память большего размера. Для этого содержимое сегментных регистров должно сохранятся где-то в памяти при всяком переключении с данного процесса на другой, и снова восстанавливаться, когда первый процесс опять начинает выполняться. Использование в процессорах PowerPC таблицы сегментов вместо сегментных регистров делает ненужным сохранение содержимого регистров в памяти – там уже и так находится таблица сегментов. Однако при переключении процессов необходимо очистить регистры SLB от информации предыдущего процесса.

При трансляции эффективных адресов в виртуальные с использованием таблицы сегментов, регистры SLB обновляются по одному. Использование таблицы в памяти до заполнения всех регистров SLB может привести к увеличению числа тактов процессора на каждое обращение к памяти. В результате, производительность процесса снизится, пока не будет загружено некоторое число регистров. Если, например, процесс, на который происходит переключение – последовательное чтение из базы данных, потребуется протранслировать, по крайней мере, четыре адреса (по одному для программы, индекса, курсора и пространства данных) лишь для того, чтобы начать работу. Более того, так как каждый из таких объектов имеет несколько сегментов (со своими виртуальными адресами), вероятно, потребуется протранслировать с помощью таблицы в памяти от 8 до 12 адресов, прежде чем регистры SLB можно будет эффективно использовать.

Как мы уже говорили, одноуровневая память AS/400 не использует ни таблицу сегментов, ни регистры SLB. Эффективный адрес соответствует виртуальному, и никакого преобразования не требуется, так как вся виртуальная память адресуется программой напрямую. Следовательно, при переключении процессов не происходит спада производительности, связанного с таблицей сегментов.

И это еще не все!

Возьмем трансляцию виртуального адреса в реальный с помощью таблицы страниц. В обычной системе каждый пользовательский процесс может иметь свою собственную виртуальную память с уникальной таблицей страниц. Пример – Microsoft Windows NT. В этой ОС компонент управления памятью предоставляет каждому процессу большое отдельное виртуальное адресное пространство. Это означает, что при переключении процессов нужно не только изменить таблицу страниц, чтобы обеспечить корректное отображение адресного пространства нового процесса, но также и очистить все регистры TLB. После переключения процессов адреса транслируются из виртуальных в реальные с помощью новой таблицы страниц, и содержимое регистров TLB обновляется по одному. Подобно перезагрузке регистров SLB, перезагрузка регистров TLB после переключения процессов снижает производительность.

В AS/400 только одна виртуальная память, поэтому имеется только одна таблица страниц, которую используют все. Следовательно, при переключении процессов не нужна очистка TLB, и размер TLB больше, чем у других систем. Регистры TLB содержат использованные последними записи таблицы страниц. С течением времени самые старые записи заменяются новыми. При большем числе регистров выше вероятность того, что виртуальный адрес, транслированный в отдаленном прошлом, все еще будет в TLB. TLB большего размера означает, что при повторном переключении на ранее выполнявшийся процесс, некоторые или все его адреса уже доступны, что невозможно, если регистры TLB очищать при всяком переключении процессов. И здесь единая виртуальная память AS/400 позволяет сохранить значительный объем процессорного времени.

Наконец, современные процессоры не выбирают информацию из памяти и не записывают ее туда непосредственно. Кэш-память содержит порции основной памяти и имеет собственный справочник. В зависимости от архитектуры кэш-памяти на данном компьютере и от того, есть ли разряды виртуального адреса в справочнике кэша, при переключении процесса может потребоваться очистка кэша. А при использовании одноуровневой памяти это не нужно.

Операционные системы, предназначенные для работы с обычной виртуальной памятью, чаще всего пытаются избежать большого числа переключений процессов из-за неизбежных накладных расходов. Но если это не удается, для эффективной работы таким системам нужен высокопроизводительный процессор.

По сравнению с другими системами, переключение процессов на AS/400 выполняется очень быстро, так как требует лишь нескольких действий. Спад производительности при старте нового процесса в AS/400 также не столь резкий. В результате, части как OS/400, так и SLIC, спроектированы для выполнения большого числа переключений процессов. Несколько лет назад сотрудники подразделения IBM Research обнаружили в ходе исследований, что в типичной пользовательской среде AS/400 переключение процессов происходит примерно через каждые 1200 команд. В это даже трудно поверить, ведь некоторым системам нужно выполнить 1000 или более команд только для самого переключения процессов. Но не AS/400!

Благодаря способности быстро переключаться между процессами, производительность AS/400 в интерактивном режиме очень высока. Еще System/38 и первые AS/ 400 были оптимизированы для интерактивных приложений обработки транзакций. К AS/400 могут быть подключены любые терминалы. Одна такая большая система легко может поддерживать несколько тысяч параллельных пользователей, далеко превосходя в этом своих конкурентов, таких как Unix или Windows NT. Работая с приложениями, требующими частых переключений процессов, AS/400 способна превзойти по производительности системы с более быстрыми процессорами, так как выполняет меньше команд.

Теперь рассмотрим среду, не требующую частых переключений процессов, например, среду пакетной обработки, где один процесс исполняется в течение долгого времени. Здесь скорость переключения процессов не играет существенной роли. Ранние системы AS/400 не очень хорошо работали в пакетном режиме – сказывалась недостаточная производительность процессора[ 64 ]64
  Я хочу предупредить возражения моих друзей – специалистов в области производительности – и, прежде всего, Рича Тернера (Rich Turner). Действительно, производительность пакетной обработки зависит не только от скорости процессора. Важную роль играют и размер памяти, и возможности дисковой подсистемы.


[Закрыть].

Дело в том, что в ранних версиях рочестерских систем никогда не использовались высокопроизводительные процессоры. Доходило даже до того, что при описании характеристик различных моделей AS/400, не указывались скорости процессоров в MIPS (миллион команд в секунду) или МГц.

Подобно тому, как MIPS указывает, сколько команд процессор может выполнить в секунду, МГц задает число тактов за секунду. Если два разных процессора должны для выполнения одной и той же задачи выполнить одинаковое количество команд, и по всем остальным параметрам наблюдается такое же равенство, то значения MIPS или МГц могут дать некоторое представление о производительности процессоров. Но если для выполнения одной и той же работы процессорам нужно разное число команд, то ни MIPS, ни МГц не имеют никакого значения.

В Рочестере всегда настаивали на оценке объема работ, который может выполнить AS/400, в таких показателях, как число транзакций в секунду. Лаборатория IBM в Ро-честере – лидер в создании промышленных тестов для обработки транзакций. Здесь в тесном контакте с Transaction Processing Performance Council измеряются показатели TPC для вычислительных систем. Эти показатели также призваны отражать стоимость каждой транзакции, рассчитанную на основании цен на аппаратуру и ПО для данной конфигурации. Все это дает пользователю возможность сравнивать разные вычислительные системы как по цене, так и по производительности. Так вот, в соответствии с этими тестами, AS/400 – один из лидеров как по показателю цена/производительность, так и по чистой производительности. Да и что здесь удивительного – ведь она создавалась именно для решения задач такого типа.

Интерактивная обработка подразумевает присоединение к AS/400 терминалов, таких как 5250. Такие функции, как обновление полей на экране требуют много переключений процессов, особенно в случае подключения сотен или тысяч терминалов. При переходе в начале 90-х годов к клиент/серверным вычислениям, большая часть экранной обработки стала выполняться на ПК (клиент). Тем самым число переключений процессов на AS/400 (сервер) сократилось. Но многие характеристики клиент/серверных вычислений по-прежнему напоминают интерактивную обработку. Когда сотни или тысячи пользователей одновременно нажимают клавиши на клавиатуре или щелкают мышью, обращаясь к базе данных и ожидая затем ответа, быстрое переключение процессов AS/400 просто необходимо. AS/400 гармонично сочетает одновременную поддержку многочисленных пользователей (процессов) с требованиями клиент/серверной среды к пересылке данных.

Но есть серверные приложения, специально предназначенные для интенсивных вычислений. Пример – приложения для поддержки принятия решений, где для генерации отчета требуется анализ больших объемов данных. Пользователи могут создавать сложные запросы, спрашивать «что если», выполнять поиск взаимосвязей в данных и т. д. Для такого приложения необходим тип обработки, больше похожий на пакетную, чем на интерактивную среду.

Для таких серверных приложений AS/400 были нужны мощные процессоры. И вот, несколько лет назад мы впервые представили специальные модели AS/400, предназначенные именно для высокопроизводительных серверов. В этих моделях мощные процессоры и большая память. Результаты различных клиент/серверных тестов показывают, что модели Advanced Server весьма конкурентоспособны, как по цене, так и по производительности. Не удивительно, что многие заказчики признали их лучшими и для обычных пакетных приложений.

Переключение процессов интенсивно используется как в интерактивных, так и в клиент/серверных приложениях. Быстрое переключение процессов всегда лучше медленного. Путем сокращения числа необходимых команд одноуровневая память повышает производительность не только переключения процессов, но и ряда других функций. Вернемся, например, к уже обсуждавшейся операции с файлами. Обычный сервер многократно выполняет операции открытия-закрытия файлов, что ведет к повышенной дисковой активности и снижает общую производительность системы. AS/400 обрабатывает такие файлы «на месте», устраняя излишние накладные расходы. Производительность процессора важна, но следует помнить, что каждая команда, которую не нужно выполнять, эквивалентна наличию для этой команды процессора с бесконечной скоростью. RISC-процессоры быстры, но не настолько.

Указатели и теги

После роста производительности, самое большое достоинство одноуровневой памяти – всеобъемлющая возможность совместного доступа. Впрочем, это и самый большой ее недостаток. Если каждый пользователь системы имеет доступ к большому единому адресному пространству, требуются гарантии от несанкционированного доступа к тем объектам или информации, на которые у этих пользователей нет прав. В главе 5 мы говорили, что такая защита осуществляется в AS/400 указателями. Давайте теперь рассмотрим указатели и их функции более подробно.

Итак, доступ к объекту MI обеспечивается путем разрешения указателя. Указатели имеют длину 16 байт (128 бит). Разрешенный системный указатель содержит возможность прямой адресации системного объекта, то есть в нем находится 64-разрядный виртуальный адрес. Указатели других типов (пространства, данных, команд и процедур) также содержат виртуальные адреса.

Указатели находятся в ассоциированном пространстве системного объекта. В этом же пространстве содержатся данные, к которым имеет доступ и которые может изменить программа MI. Доступ и модификация данных в ассоциированном пространстве законны; изменение указателя – нет. Если бы программа MI могла изменять содержимое указателя, то была бы нарушена защита. Адрес в указателе мог бы быть изменен так, чтобы указывать на еще какой-нибудь объект или структуру, доступ к которой запрещен. Конечно, все это касается пользовательских программ, в которых команды MI заданы непосредственно; и не имеет отношение к программам на ЯВУ, таких как RPG или Cobol.

Когда разрабатывалась структура указателя, способами защиты были избраны устранение ассемблера MI, перевод некоторых команд в разряд привилегированных и удаление из указателей полномочий. Как говорилось в главе 7, все эти усиления уровней защиты привносились в AS/400 с течением времени. Но даже такая степень защищенности не дает стопроцентной уверенности в том, что содержимое указателя не подвергнется несанкционированным изменениям.

В главе 5 отмечалось, что ассоциированное пространство, содержащее указатели, занимает отдельный сегмент системного объекта. Первоначально в System/38 мы хотели использовать два сегмента: один – для данных, а второй —для указателей. Но такой подход снижал производительность системы. При использовании объекта было необходимо считывать с диска страницы, как сегмента данных, так и сегмента указателей, что повышало накладные расходы. Кроме того, два сегмента требовали некоторого увеличения размеров памяти. Единственным плюсом ассоциированного сегмента указателей была надежда, что он может защитить указатели от модификации пользователями. Но оказалось, что это не так.

Скоро выяснилось, что мы не можем защитить ассоциированный сегмент указателей от изменений. При той степени защиты, которая планировались для System/38 (уровень 30), пользователь, имевший право доступа к объекту, мог работать с его содержимым с помощью ассемблера MI. Помещение указателей в отдельную часть объекта не предоставляло дополнительной защиты. Пришлось искать другое решение.

Аппаратная защита указателей

Мы понимали, что необходима некоторая форма аппаратной защиты памяти для указателей. Многие из больших систем того времени, такие как System/370, использовали для защиты памяти специальные аппаратные разряды, разрешавшие или запрещавшие пользователю доступ к некоторому блоку байтов памяти. Биты защиты обычно помещались в отдельном аппаратном массиве памяти, где пользователь не мог до них добраться. При каждом обращении к памяти этот массив проверялся, чтобы определить, имеет ли пользователь право на доступ к данному блоку памяти. Обычно такая защита устанавливалась на физический блок памяти размером в одну страницу.

Первоначально использовать в аппаратуре System/38 такой тип защиты памяти не планировалось: никто не думал, что он понадобится, ведь защита проектируемой системы выполнялась на уровне объектов. Однако, когда стало понятно, что некая форма аппаратной защиты все же нужна, мы рассмотрели возможность защиты блока размером в одну страницу. Но, во-первых, это было дорого, а, кроме того, такой подход не вполне соответствовал планам разработчиков. В идеале, нам виделась защита для каждых 16 байтов памяти, так как указатель занимает именно столько. Но чтобы сделать систему производительной, хотелось иметь возможность размещать указатели где угодно, но тогда отдельный аппаратный массив разрядов защиты для каждых 16 байтов памяти становился неприемлем по стоимости. Наконец, нашлось решение: использовать для защиты памяти дополнительные разряды, предназначенные для кода коррекции ошибок ECC (error correcting code).

Иногда, в памяти компьютера возникают ошибки из-за перепадов напряжения в электросети или по другим причинам. Для защиты от ошибок в большинстве памятей используются коды обнаружения ошибок и коды исправления ошибок. Действуют они так: к каждому слову памяти добавляются дополнительные разряды. Слово памяти содержит столько разрядов, сколько может быть считано за одну операцию. При считывании данных из памяти эти дополнительные разряды проверяются, чтобы определить, не произошла ли ошибка.

Простейшая форма обнаружения ошибок – добавление к слову памяти одного разряда четности. Его значение выбирается так, чтобы число разрядов 1 в слове памяти, включая разряд четности, всегда было четным. Если в памяти происходит ошибка, вызывающая изменение значения любого из битов с 1 на 0 или наоборот, то она будет обнаружена, когда при следующем считывании слова окажется, что число разрядов 1 нечетно. Четность позволяет определить одиночную ошибку, но не говорит, в каком разряде она произошла. С помощью такого механизма, обычно применяемого на ПК, можно определить нечетное число ошибок в слове памяти. Но если число ошибок четное, он не поможет.

Большинство компьютеров, используемых для коммерческих задач, в частности AS/400, как для обнаружения, так и для исправления ошибок применяют дополнительные разряды кодов коррекции. Эти дополнительные разряды могут определять все однократные и многократные ошибки, и даже указать, в каком именно разряде они произошли. Таким образом, аппаратура может исправить ошибку и продолжить работу. Значение коррекции ошибок очевидно для каждого, кому приходилось видеть на экране ПК сообщение «memory parity error». С таким сломанным ПК ничего нельзя сделать до тех пор, пока неисправный модуль памяти не заменен. По этой причине многие старшие модели современных ПК используют памяти ECC.

Оригинальная аппаратура System/38 имела 32-разрядное (4-байтовое) слово памяти. ECC требовал дополнительных 7 разрядов, то есть для каждого слова памяти было нужно 39 разрядов. Технология тогда позволяла увеличивать размер слова только приращениями по 8 разрядов, то есть, фактически, слово памяти имело размер 40 разрядов. Для каждого 4-байтового слова памяти предусматривался дополнительный разряд, который и должен был осуществлять функции защиты памяти. Мы назвали его разрядом тега.

Указатель занимает 16 байтов памяти. Мы решили всегда помещать указатели на 16-байтовые границы (все четыре младшие разряда адреса памяти равны 0). Такую конфигурацию обычно обозначают термином четверное слово (quadword), или, иначе говоря, 16-байтовое поле, выровненное на 16-байтовую границу. Есть и двойные слова, а кроме того, слова, выровненные на 8-ми и 4-байтовые границы. Обычно, под термином слово понимается 4 байта.

Указатель в оригинальной System/38 занимал четыре последовательных 4-байтовых слова памяти, каждое со своим разрядом тега. Мы решили, что для каждого слова памяти этот разряд будет равен 1, если слово содержит любую из четырех частей указателя; и 0 – если не содержит. Для самого указателя нужен только один разряд, так что если все четыре разряда в четырех последовательных словах памяти установлены в 1, то значение логического тега указателя равно 1. Если любой из четырех разрядов был равен 0, то и логический тег указателя равнялся 0.

Последующие версии AS/400 имеют 64-разрядное (8-байтовое) слово памяти. Такое слово требует 8 разрядов ЕСС; так что с учетом разряда тега, слова памяти AS/ 400 упакованы по 73 разряда. Мы по-прежнему размещаем указатели на 16-байтовых границах, и у каждого указателя есть один логический разряд тега. Если в AS/400 с 64-разрядным словом, два разряда тега в двух последовательных словах, содержащих указатель, оба равны 1, то и логический тег указателя равен 1. Если же любой из разрядов равен нулю, то и указатель имеет логический тег 0. Чтобы оставаться в рамках принятой терминологии, мы называем 64-разрядное слово памяти двойным словом.

Всякий раз, когда в AS/400 происходит запись в память, аппаратура управления памятью строит ЕСС и сохраняет его вместе со словом памяти. В процессе операции записи эта аппаратура также отключает разряд тега в слове памяти (устанавливает его в 0). Так что в результате выполнения любой стандартной команды записи в память, разряды тега записанных слов всегда будут сброшены в 0.