Текст книги "Основы AS/400"

Автор книги: Фрэнк Солтис

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 41 страниц)

Начинаем снизу

Ранее мы определили процесс как единицу работы в системе. То же самое можно сказать и о задаче. Но по сравнению с задачей, процесс в SLIC – понятие более высокого уровня, он построен над задачей. Имеется и третья, еще более значимая единица работы в OS/400, называемая заданием. Мы увидим далее, как связаны между собой эти три единицы работы в AS/400.

Термины «задача» и «процесс» появились в двух разных проектных группах System/38. Инженеры говорили о задачах, а программисты – о процессах. Многие полагали, что поскольку имена разные, то ими обозначают фундаментально разные понятия, но это не так.

В начале разработки System/38 мы пытались определить механизм, с помощью которого ОС смогла бы выполнять свою основную обязанность – распределять работы и ресурсы внутри системы. Мы хотели быть уверены, что все делаем правильно. Тогда, в начале 70-х, идея процесса как единицы работы в системе только-только начала использоваться. Но мы полагали, что она подойдет нашей ОС.

Развитие процессоров в течение 60-х годов шло довольно бурно. И все же в те дни процессоры ничего не «знали» о процессах, а «понимали» только прерывания. Прерывание – это изменение нормальной последовательности исполнения команд, вызванное либо ошибкой команды, либо чем-то за пределами исполняющейся программы, обычно вводом-выводом. Процессор запускал операцию ввода-вывода, которая затем выполнялась без его участия. Когда ввод-вывод завершался, нужно было как-то сообщить эту информацию процессору, и в качестве такого механизма использовались прерывания.

Прерывание останавливает исполняющуюся программу и передает управление обработчику прерываний, который предпринимает нужные действия. После этого управление возвращается прерванной программе. Обработчик прерываний обязан возобновить исполнение прерванной программы в точности с того же момента, на котором оно было прервано. Это означает возвращение всех внутренних регистров в состояние, предшествовавшее прерыванию. Некоторые процессоры имеют несколько наборов регистров, и при возникновении прерывания обработчик использует другой набор. Возвращение управления прерванной программе подразумевает переключение обратно на старый набор регистров.

Большинство схем обработки прерываний используют идею приоритета. Приоритет располагает прерывания в порядке их важности, от наиболее к наименее важным. При возникновении прерывания процессор переключается на другую программу только в том случае, если эта программа приоритетней той, что исполняется в данный момент. Большинство процессоров поддерживают ограниченное число приоритетов прерываний. Для поддержки процессов ПО ОС использует механизм прерываний и надстраивает над ним процессы.

В 70-х годах, работая над новым микропрограммируемым процессором для System/38, мы надеялись, что, построив структуру процессов непосредственно над аппаратурой и устранив некоторые накладные расходы прерываний, сможем достичь высокой эффективности системы. Такая структура процессов могла бы использоваться даже вводом-выводом без отдельного механизма прерываний. Это также сократило бы число схем процессора – цель, близкая и дорогая сердцу каждого разработчика. Фактически, нужно было создать структуру процессов системы и написать для ее поддержки микрокод.

Но попытки объяснить кому-либо из инженеров-аппаратчиков, что мы делаем, давали весьма интересные результаты.

Я очень хорошо помню одну такую дискуссию с техническим менеджером Реем Клотцем и его подчиненными. Я объяснял, что благодаря новой структуре мы не будем ограничены лишь несколькими уровнями прерываний. Мы сможем поддерживать сотни процессов, каждый из которых будет иметь свой уровень приоритета. При желании, даже каждое устройство ввода-вывода может иметь свой собственный приоритет, так как наша система будет поддерживать множественные процессы. Рэй прервал меня вопросом:

Вы хотите сказать, что разрабатываете мультипроцессор?

Нет, – ответил я, – мы строим систему для поддержки множественных процессов, а не множественных процессоров.

В чем же разница?

Процесс – это то же самое, что и задача, – сказал я, а затем повторил, – Мы строим систему для поддержки множественных задач, а не множественных аппаратных процессоров. После краткого молчания Рэй поинтересовался:

Но тогда, почему вы не называете их просто задачами? С этого дня мы так и стали их называть.

Диспетчеризация задач в AS/400

С каждой задачей AS/400 связан блок управления в памяти, который называется элементом диспетчеризации задач TDE (task dispatching element). TDE – это фундаментальная структура данных, лежащая в основе управления задачами. Структура TDE не видима над MI, так как расположена ниже него. Эта структура не системный объект, но важный компонент некоторых из них. Далее в этой главе мы рассмотрим процесс MI и увидим, каким образом TDE включена в этот системный объект. TDE содержит всю информацию, необходимую для управления выполнением задачи. Задача – это исполняющаяся программа, а TDE отвечает и за программу и за состояние ее выполнения.

Состояния задачи

состояние характеризует способность задачи выполняться процессором. Любая задача в системе может находиться в одном из четырех состояний. Обратите внимание, что каждое состояние может обозначаться несколькими терминами. В данном разделе мы используем имена состояний SLIC. Итак, четыре состояния задачи – это:

Подвешенность – задача находится в этом состоянии, когда начинается или завершается. Такая задача не может исполняться процессором.

Готовность – состояние задачи, которая готова к выполнению, но еще не выполняется. За пределами SLIC данное состояние также иногда называется «не избранным», то есть вместо данной задачи исполняется некоторая другая.

Рисунок 9.1. Состояния задачи

Исполнение – состояние задачи, называемое вне SLIC активным. В любой момент времени на одном процессоре может исполняться только одна задача.

Ожидание – задача чего-либо ожидает, обычно, завершения ввода-вывода, и при этом не может исполняться.

Четыре состояния задачи и возможные переходы между ними показаны на рисунке 9.1.

Всего возможно 12 переходов из одного состояния в другое, но в AS/400 разрешены только шесть, а именно:

Инициирование задачи (подвешенность – готовность): работа начата, и задача переводится в состояние готовности к исполнению.

Запуск задачи (готовность – исполнение): перевод задачи в исполняющееся (активное) состояние.

Подвешивание задачи (исполнение —подвешенность): по завершении работы задача переводится в подвешенное состояние.

Вытеснение задачи (исполнение – готовность): еще не завершенная задача переводится обратно в готовое состояние. Данный переход предполагает наличие в системе других задач, которые более важны (приоритетны).

Ожидание (исполнение – ожидание):некоторая операция, запущенная задачей, например, ввода-вывода, заставляет задачу ожидать своего завершения.

Сигнализация (ожидание – готовность): операция, окончания которой ждала задача, завершилась, и задача переходит в состояние готовности (не избранности).

Некоторые из этих переходов знакомы тем, кто работал с командой «WRKSYSSTS». Она показывает частоту выполнения следующих переходов: «исполнение – ожидание», «исполнение – готовность» и «ожидание – готовность». Данные значения используются при настройке уровня активности в пуле памяти. (На уровнях активности и пулах памяти мы подробно остановимся далее в этой главе).

Текущее состояние задачи определяется местом связанного с ней TDE. TDE перемещаются в системе, но не физически, а логически. Все TDE расположены в памяти AS/400. TDE содержит поля адресов, связывающие его с другими структурами данных. Когда говорят о перемещении TDE, имеют в виду, что адреса в структурах данных изменяются для логического перемещения TDE в другую структуру данных. Операции, выполняемые SLIC для связывания различных адресов памяти – вставка TDE в структуру данных и удаление его оттуда – называются постановкой в очередь и удалением из очереди. Эти операции связывания выполняются очень быстро по сравнению с физическим перемещением TDE.

Очередь диспетчеризации задач

TDE всех задач, которые могут выполняться на процессоре в любой данный момент времени, объединены в структуру данных, называемую очередью диспетчеризации задач TDQ (task dispatching queue). TDQ реализована как связный список в памяти, в котором TDE упорядочены по приоритетам, как показано на рисунке 9.2. Каждый TDE содержит поле приоритета, которое используется для упорядочения. TDE для приоритетной задачи открывает список.

Находящийся в SLIC диспетчер задач выбирает приоритетный (первый в списке) TDE и передает ему управление процессором. Таким образом, первый TDE связан с задачей, которая в данный момент исполняется процессором. Все остальные TDE в TDQ связаны с задачами в готовом состоянии. Текущая задача продолжает исполняться до тех пор, пока ей не придется отдать управление процессором.

Причин тому может быть несколько. Исполняющаяся задача может запустить операцию, которая заставит ее отдать управление, например ожидание завершения ввода-вывода. Отдать управление также приходится, когда задача полностью использует выделенное ей время процессора. Кроме того, может случиться, что исполняющаяся задача будет вытеснена другой, более важной (приоритетной).

Всякий раз, когда исполняющаяся задача отдает управление, оно передается задаче, следующей по важности в TDQ, которая и становится новой исполняющейся задачей. Таким образом, любой TDE в TDQ находится по определению либо в исполняющемся, либо в готовом состоянии.

Рисунок 9.2. Очередь диспетчеризации задач

Очереди и счетчики приема-передачи

В основе метода синхронизации выполнения задач, а также и для связи между задачами лежит семафор Дейкстры (Dijkstra). В 1968 году Дейкстра предложил примитив для синхронизации исполнения процессов в ОС с мультипрограммированием. Синхронизация – это способность задачи приостанавливаться и ждать до тех пор, пока другая задача не выполнит некоторую операцию. Семафор предоставляет задаче механизм ожидания.

Семафор имеет счетчик и список ожидания. Определены две операции (команды). Синхронизация задач осуществляется следующим образом. Оператор V увеличивает значение счетчика на 1. Оператор P проверяет значение счетчика; если оно больше 0, то уменьшает значение на 1 и дает возможность выполняться следующей команде в потоке. Если значение счетчика не больше 0, то оператор Р ждет пока значение увеличится и станет больше 0, прежде чем операция завершится и следующая команда сможет выполняться. То есть ситуация, когда при выполнении оператора Р счетчик не больше 0, означает ожидание. В этом случае, задача, выполнившая оператор Р, ждет до тех пор, пока какая-либо другая задача не увеличит счетчик с помощью оператора V.

Во многих случаях, при синхронизации желательно обменяться некоторой информацией или сообщением. Для поддержки синхронизации и передачи сообщений AS/ 400 определяет очередь приема-передачи SRQ (send/receive queue). SRQ – это структура данных в памяти, используемая как «почтовый ящик» для передачи сообщений от одной задачи к другой.

Когда исполняющаяся задача выполняет операцию «Отправить сообщение», в очередь SRQ, связанную с некоторой другой задачей, добавляется структура данных, называемая сообщением приема-передачи SRM (send/receive message). SRM содержит сообщение, которое исполняющаяся задача желает передать другой задаче. Когда исполняющаяся задача хочет получить сообщение из SRQ (из своего почтового ящика), она выполняет операцию «Принять сообщение». Если сообщения нет, то задача может подождать его поступления. Если она решает ждать, то TDE исполняющейся задачи извлекается из TDQ и помещается в список ожидания – часть каждой SRQ. Затем вызывается диспетчер задач, который выбирает готовую задачу наибольшей важности и делает ее исполняющейся.

Некоторое время спустя другая исполняющаяся задача выполняет для данной SRQ операцию «Отправить сообщение». Если TDE ждет сообщения, то он извлекается из SRQ и помещается в очередь TDQ в порядке важности (приоритетности). Если важность вновь добавленного в очередь TDE выше, чем у исполняющегося, то исполняющая задача вытесняется. Если в процессе ожидания находятся несколько SRQ, то разряд в заголовке SRQ указывает, следует ли при поступлении сообщения «разбудить» их все, или только первую.

Любая задача, чей TDE находится в очереди SRQ, по определению находится в состоянии ожидания. На рисунке 9.3 показаны перемещения TDE и то, каким образом положение TDE определяет состояние задачи.

Рисунок 9.3. Перемещения элемента диспетчеризации задач

На рисунке не показаны другие структуры данных, которые могут находиться в очередях TDE. Одна из таких структур – счетчик приема-передачи SRC (send/receive counter). SRC не занимается передачей сообщений, так что похож на обычный семафор. SLIC предоставляет операции «Отправить счетчик» и «Принять счетчик», которые позволяют синхронизировать задачи, если обмен сообщениями не нужен.

Некоторые читатели, знакомые с командами «SNDPGMMSG» (Send Program Message) и «RCVMSG» (Receive Message) в OS/400 могут спросить: имеют ли эти команды отношение к операциям, используемым структурой задач SLIC. Ответ: «Да, они состоят в очень тесном родстве». Формат SRM, SRQ и SRC спроектирован для управления задачами, но операции добавления и извлечения сообщений из очереди фундаментально одинаковы во всей системе. За реализацию всех этих функций отвечает SLIC.

Мультипроцессирование

В предшествующем разделе описывались ситуации, подразумевающие наличие только одного процессора, и, следовательно, только одной исполняющейся задачи. На многопроцессорной же системе потенциально может быть несколько исполняющихся задач. Многопроцессорные системы поддерживаются механизмом диспетчеризации задач, большая часть которого присутствовала еще в оригинальной System/38, хотя никогда не использовалась на этой системе. Лишь в 1990 году мультипроцессирова-ние было впервые использовано в AS/400. Оригинальная поддержка мультипроцес-сирования AS/400 до сих пор задействована не полностью, ее резервы предназначены для будущих расширений.

Симметричное мультипроцессирование

Ранее мы видели, что система симметричного мультипроцессирования (SMP) дает возможность ОС обрабатывать задачи на любом свободном процессоре или на всех процессорах сразу, при этом память остается общей для всех процессоров. Именно так устроена n-канальная (n-way) обработка на AS/400. Любой компонент ОС, включая диспетчер задач, может выполняться на любом или на всех процессорах системы.

Диспетчер задач в n-канальной системе автоматически обеспечивает баланс нагрузки между процессорами, не требуя изменения программ, написанных для однопроцессорной архитектуры. Так как память для всех процессоров общая, диспетчер задач, независимо от процессора, на котором он выполняется, имеет доступ ко всем очередям, включая TDQ. Однако, диспетчер задач не ограничен тем процессором, на котором он выполняется, – он может вызвать переключение задач и на другом процессоре.

В многопроцессорной системе одновременно исполняется несколько задач – по одной на процессор. Упрощенно, следует лишь направить на выполнение верхние n TDE из TDQ. Естественно, эти n задач имеют наивысшую приоритетность среди всех готовых задач. Однако такой простой метод часто только кажется наилучшим.

Предположим, что у нас есть две задачи, А и В, исполняющиеся на процессорах 1 и 2 в двухпроцессорной системе. Предположим далее, что задача С, приоритет которой выше чем у А, но ниже чем у В, выходит из состояния ожидания. Ее TDE будет добавлен в очередь TDQ непосредственно перед TDE задачи А. Диспетчер задач выполнит переключение задач на процессоре 1, чтобы начать исполнение задачи С. Теперь допустим, что задача В на процессоре 2 либо завершилась, либо перешла в состояние ожидания. Приоритет задачи А – наивысший среди готовых задач, и ее следует направить на процессор 2. Но этот выбор может быть не лучшим.

В зависимости от того, насколько давно задача А была вытеснена, мы можем захотеть, а можем и не захотеть начать ее выполнение на процессоре 2. Если задача вытеснена недавно, то в кэше процессора 1 по-прежнему находятся команды и данные задачи А. Направление задачи на процессор 2 означало бы, что кэш процессора 2 должен быть перезагружен в результате промахов, что снизит производительность, как данной задачи, так и системы. В данном случае, лучшим выходом было бы начать выполнение на процессоре 2 какой-либо следующей задачи и подождать, пока для задачи А освободится процессор 1.

Мы только что описали понятие сродства кэша (cache affinity). Говорят, что данная задача имеет сродство с некоторым процессором на основании содержимого его кэша. Диспетчеризация задач на многопроцессорной версии AS/400 использует комбинацию приоритета, сродства кэша и еще одной характеристики, под названием приемлемость (eligibility). Приемлемость используют, чтобы ограничить возможный набор процессоров для исполнения данной задачи. Приемлемость никогда не изменяется диспетчером задач. Если все процессоры, для которых приемлемо исполнение данной задачи, заняты задачами более высокого приоритета, то данная задача не направляется на выполнение.

Итак, задача отправляется на выполнение только в том случае, если доступен процессор, для которого она имеет сродство кэша. Исключение из этого правила делается тогда, когда его соблюдение может привести к простою процессора или если пропускается значительное число задач высокого приоритета в TDQ. Пороговое значение пропуска зависит от числа процессоров и устанавливается SLIC для конкретной системы. Если число пропущенных задач достигает порогового значения, то сродство игнорируется и задача направляет на любой процессор, для которого она приемлема. Если в процессе пропуска задач был достигнут конец TDQ, прежде чем каждому процессору назначена какая-либо задача, то порог пропуска динамически снижается до тех пор, пока не останется либо незанятых процессоров, либо пропущенных задач.

Для диспетчеризации задачи на мультипроцессорной системе используются три поля TDE, а именно:

Поле приемлемости, где содержится по одному биту на каждый процессор в системе. Если бит установлен, то задача приемлема для выполнения на соответствующем процессоре. Если установлены все биты, то задача приемлема для выполнения на всех процессорах.

Поле активности, включающее по одному биту на каждый процессор в системе и указывающее процессор, на котором данная задача в настоящий момент активна. Может быть установлен максимум один бит, если задача выполняется. В противном случае, все биты сброшены.

Поле сродства содержит по одному биту на каждый процессор в системе и указывает процессор, на котором данная задача исполнялась в последний раз.

Помимо только что описанной поддержки многопроцессорных систем, AS/400 может иметь множественные TDQ. Данный механизм был включен в оригинальную System/38, чтобы обеспечить диспетчеризацию нескольких очередей, но не использовался там для этой цели. Если число процессоров возрастет настолько, что одиночная TDQ станет тормозить работу системы, то диспетчеризацию можно будет осуществлять с помощью нескольких TDQ.

Современные n-канальные процессоры используют модель SMP с разделяемой памятью, в которой все процессоры работают с одной и той же памятью. В главе 12 мы рассмотрим другие модели SMP, которые найдут применение в будущих системах AS/ 400. Все они поддерживаются существующей структурой задач.

Асимметричное мультипроцессирование

Давайте, хотя бы кратко, затронем системы асимметричного мультипроцессирова-ния (ASMP). В системе ASMP части одной или даже разных ОС выполняются на выделенных процессорах. Структура задач AS/400 поддерживает и такую модель мультипроцессирования. Один из ранних проектов System/38 предусматривал несколько процессоров, каждый из которых выполнял часть ОС ниже MI. Идея состояла в том, чтобы выделить один процессор для СУБД, другой для управления памятью и т. д. В данном проекте ASMP использовалась та же структура задач для обмена сообщениями между процессорами и распределения работ. В точности такая модель мультипроцессирования никогда не использовалась в System/38. Однако в AS/400 была введена некая разновидность модели ASMP.

В главе 10 мы рассмотрим структуру ввода-вывода AS/400, которая существенно изменилась по сравнению с System/38. AS/400 использует множество процессоров для исполнения разных функций ввода-вывода. Большая система может иметь сотни таких процессоров. Мы увидим, что каждый из этих процессоров имеет собственную ОС. Хотя большинство из таких ОС разработаны специально для поддержки функций ввода-вывода, некоторые из них все же более универсальны. Такая архитектура позволяет другим ОС и написанным для них приложениям исполняться «под крышей» AS/400. Таким образом, к AS/400 возможно подключать множество таких машин-приложений в дополнение к основным процессорам.