Эбберс М. Введение в современные мейнфреймы: основы z/OS

Подождите немного. Документ загружается.

 Общиесведенияоz/OS 73

Общие сведения о z/OS

Цель Какновыйчленотделаинформационныхтехнологийкомпании,

использующегомэйнфрейм,вамнужнознатьосновныефункциональные

характеристикиоперационнойсистемымэйнфреймаВэтойкнигеизучаетсяz/OS–

широкоиспользуемаяоперационнаясистемадлямэйнфреймов,котораяизвестна

своейспособностьюодновременнообслуживатьтысячипользователейи

обрабатыватьоченьбольшуюнагрузкубезопасным,надежныминаиболее

подходящимспособом

Послезавершенияработынадэтойглавойвысможете:

• назватьнесколькоопределяющиххарактеристикоперационнойсистемыz/OS;

• привестипримерыотличийz/OSотоднопользовательскойоперационной

системы;

• перечислитьосновныетипыпамяти,используемойвz/OS;

• описатьпонятиевиртуальнойпамятииееиспользованиевz/OS;

• описатьсвязьмеждустраницами,фреймамиислотами;

• назватьнесколькопрограммныхпродуктов,используемыхвz/OSдля

обеспеченияполнофункциональнойсистемы;

• перечислитьнесколькосходствиразличиймеждуоперационнымисистемами

z/OSиUNIX

74 Глава3

31 Что такое операционная система?

Попросту говоря, операционная система представляет собой набор программ, уп-

равляющих внутренней работой компьютерной системы. Операционные системы

предназначены для обеспечения наилучшего использования различных ресурсов

компьютера и достижения наибольшей эффективности обработки максимального

объема работы. Хотя операционная система не может увеличить скорость компьюте-

ра, она может максимизировать его использование, в результате чего компьютер мо-

жет сделать больше работы за определенный период времени и возникает ощущение,

как будто он работает быстрее.

Архитектура компьютера состоит из функций, которые обеспечивает компью-

терная система. Понятие архитектуры не равнозначно понятию физического уст-

ройства, и фактически машины различного устройства могут относиться к одной

компьютерной архитектуре. В некотором смысле под архитектурой понимается то,

как компьютер представляется пользователю, например системному программисту.

Например, к архитектуре относится набор машинных инструкций, которые компью-

тер может распознавать и выполнять. В среде мэйнфреймов программное и аппарат-

ное обеспечение системы составляет очень прогрессивную компьютерную архитек-

туру, являющую собой результат десятилетий технологических инноваций.

32 Что такое z/OS?

В этой книге изучается z/OS

– широко используемая операционная система для

мэйнфреймов.

z/OS предназначена для обеспечения стабильной, безопасной и постоянно до-

ступной среды для приложений, выполняемых на мэйнфрейме.

В настоящее время операционная система z/OS являет собой результат десятиле-

тий технологических инноваций. Она прошла путь от операционной системы, спо-

собной одновременно обрабатывать только одну программу, до операционной сис-

темы, которая может параллельно обрабатывать тысячи программ и интерактивных

пользователей. Чтобы понять, как и почему z/OS работает свойственным ей образом,

важно иметь представление о некоторых основных понятиях z/OS и среды, в кото-

рой она работает. Эта глава описывает некоторые понятия, которые вам необходимо

знать для понимания операционной системы z/OS.

В большинстве ранних операционных систем запросы на обработку вводились

в систему поочередно. Операционная система обрабатывала каждый запрос или

за-

дание как единое целое и не запускала следующее задание до тех пор, пока не завер-

шится обработка текущего. Такая схема хорошо работала, когда задание могло не-

прерывно выполняться от начала до конца. Но часто заданию нужно было ожидать

завершения ввода или вывода информации при работе с такими устройствами, как

привод для магнитных лент или принтер. Ввод и вывод занимает много времени

в сравнении со скоростью процессора. Когда задание ожидало завершения операций

ввода-вывода, процессор бездействовал.

z/OS разработана таким образом, чтобы использовать архитектуру IBM zSeries или z/Architecture, кото-

рая появилась в 2000 году.

 Общиесведенияоz/OS 75

Нахождение способа продолжить работу процессора в то время, пока задание на-

ходилось в режиме ожидания, позволило бы увеличить общий объем нагрузки, кото-

рую процессор мог обработать без использования дополнительного оборудования;

z/OS выполняет работу путем ее разделения на фрагменты и передачи фрагментов

задания различным компонентам системы и подсистемам, работающим независимо.

В любой момент времени тот или иной компонент принимает управление процессо-

ром, выполняет свою часть работы и передает управление пользовательской про-

грамме или другому компоненту.

321 Аппаратные ресурсы, используемые в z/OS

Операционная система z/OS выполняется процессором и во время выполнения на-

ходится в памяти процессора; z/OS часто называется системным программным

обеспечением.

Оборудование мэйнфрейма состоит из процессоров и множества периферийных

устройств, таких, как дисковые приводы (называемые устройствами хранения с пря-

мым доступом – direct access storage devices, DASD), приводами для магнитных лент

и различными типами пользовательских консолей (рис. 3.1). Приводы для магнитных

лент и DASD используются для системных функций и пользовательскими програм-

мами, выполняемыми в z/OS.

Консоль управления

аппаратными средствами

(управляет оборудованием

мэйнфрейма)

консоль оператора

(управляет z/OS)

Мэйнфрейм-компьютер

(CPU, процессор, память)

z /O S

дисковое хранилище

(DASD-тома)

DASD-

контроллер

привод для

магнитных

лент

картриджи

с магнитной

лентой

Рис 31 Аппаратныересурсы,используемыевz/OS

При выполнении нового заказа на систему z/OS IBM поставляет код системы кли-

енту через Интернет или (в зависимости от желания клиента) на картриджах с маг-

нитной лентой. В организации клиента системный программист z/OS получает заказ

76 Глава3

и копирует новую систему на DASD-тома. После того как система настроена и готова

к работе, для запуска и эксплуатации системы z/OS необходимы системные консоли.

Операционная система z/OS предназначена для обеспечения полного использо-

вания самого современного оборудования IBM и множества сложных периферийных

устройств. На рис. 3.1 приведено упрощенное представление концепции мэйнфрей-

ма, используемой нами в этой книге:

• Программное обеспечение – операционная система z/OS состоит из загрузоч-

ных модулей или исполняемого кода. В процессе установки системный про-

граммист копирует эти загрузочные модули в загрузочные библиотеки, распо-

ложенные на DASD-томах.

• Аппаратное обеспечение – оборудование системы включает все устройства,

контроллеры и процессоры, составляющие среду мэйнфрейма.

• Периферийные устройства – включают приводы для магнитных лент, DASD и кон-

соли. Существует множество других типов устройств, некоторые из которых обсуж-

дались в главе 2, «Аппаратные системы мэйнфрейма и высокая доступность».

• Память процессора (processor storage) – часто называется основной, реальной

(real) или центральной (central) памятью; в ней происходит выполнение опе-

рационной системы z/OS. Кроме того, все пользовательские программы ис-

пользуют память процессора совместно с операционной системой.

Являясь «общим представлением» типичной аппаратной конфигурации мэйнф-

рейма, рис. 3.1 далек от полноты. Не показаны, например, аппаратные устройства

управления, соединяющие мэйнфрейм с другими приводами для магнитных лентах,

DASD и консолями.

Дополнительные сведения. Стандартным справочником, описывающим ос-

новные средства z/Architecture, является публикация z/Architecture Principles of Opera-

tion. Эту и другие публикации IBM можно найти на веб-сайте z/OS Internet Library

http://www.ibm.com/servers/eserver/zseries/zos/bkserv/

322 Мультипрограммирование и мультипроцессирование

Ранние операционные системы использовались для управления однопользовательски-

ми компьютерными системами. В те времена операционная система считывала одно

задание, находила данные и устройства, требуемые заданию, продолжала выполнение

задания до завершения, после чего считывала другое задание. В отличие от ранних сис-

тем компьютерные системы, управляемые операционной системой z/OS, поддержива-

ют мультипрограммирование, т. е. одновременное выполнение множества программ.

При мультипрограммировании, когда задание не

может использовать процессор, система может

приостановить или прервать задание, освобождая

процессор для обработки другого задания.

Для того чтобы сделать мультипрограммирование возможным, z/OS собирает и со-

храняет всю необходимую информацию о прерываемой программе, прежде чем перейти

к выполнению другой программы. Когда прерванная программа опять готова к выполне-

нию, она может возобновить выполнение с того места, в котором она была остановлена.

Мультипрограммирование–

одновременноевыполнение

множествапрограмм

 Общиесведенияоz/OS 77

Мультипрограммирование позволяет z/OS одновременно выполнять тысячи программ

для пользователей, работающих над различными проектами в разных точках мира.

z/OS может также осуществлять мультипроцес-

сирование, под которым понимается одновремен-

ная работа двух и больше процессоров, совместно

использующих различные аппаратные ресурсы, в

частности память и внешние дисковые устройства.

Технологии мультипрограммирования и мульти-

процессирования делают z/OS идеальной операци-

онной системой для обработки задач, требующих множества операций ввода-вывода.

К типичным задачам для мэйнфреймов относятся приложения длительного выполне

ния, записывающие изменения в миллионы записей базы данных, и оперативные при-

ложения, обрабатывающие тысячи интерактивных пользователей одновременно. Срав-

ним это с операционной системой, используемой в однопользовательской компьютер-

ной системе. Такая операционная система может выполнять программы только от лица

одного пользователя. При использовании персонального компьютера, например, все

ресурсы компьютера часто находятся в распоряжении одного пользователя.

Когда множество пользователей выполняет много разных программ, помимо

большого количества сложного оборудования, z/OS требуется большой объем памяти

для обеспечения надлежащей системной производительности. Большие компании

используют сложные бизнес-приложения, осуществляющие доступ к большим базам

данных, и отраслевые программные продукты промежуточного уровня. Такие прило-

жения требуют, чтобы операционная система осуществляла защиту конфиденциаль-

ности пользовательских данных, а также поддерживала совместное использование

баз данных и программных служб.

Таким образом, мультипрограммирование, мультипроцессирование и потреб-

ность в большом количестве памяти означают, что z/OS должна обеспечивать нечто

большее, чем просто выполнение простых однопользовательских приложений.

В следующих разделах в общих чертах рассматриваются атрибуты, позволяющие

z/OS управлять сложными компьютерными конфигурациями. Последующие разделы

книги описывают эти возможности более подробно.

323 Модули и макросы

z/OS состоит из программных инструкций, управляющих работой компьютерной

системы. Эти инструкции обеспечивают эффективное использование оборудования

компьютера и возможность выполнения приложений; z/OS включает наборы инс-

трукций, которые, например, принимают задания, преобразуют задания в распозна-

ваемую компьютером форму, следят за заданиями, выделяют ресурсы для заданий,

выполняют задания, осуществляют мониторинг заданий и осуществляют вывод вы-

ходных данных. Набор связанных инструкций называется подпрограммой (routine)

или модулем (module). Набор связанных модулей, обеспечивающих работу опреде-

ленной функции системы, называется системным компонентом (system component).

Компонент управления рабочей нагрузкой (WLM) в z/OS, например, управляет сис-

темными ресурсами, тогда как менеджер завершения и восстановления (recovery ter-

mination manager, RTM) отвечает за восстановление системы.

Мультипроцессирование–

одновременнаяработадвух

ибольшепроцессоров,

совместноиспользующих

различныеаппаратные

ресурсы

78 Глава3

Последовательности инструкций, выполняющие часто используемые системные

функции, могут вызываться посредством выполняемых макроинструкций или мак-

росов (macros). В z/OS существуют макросы для таких функций, как открытие и за-

крытие файлов данных, загрузка и удаление программ и отправка сообщений опера-

тору компьютера.

324 Управляющие блоки

В процессе выполнения программами работы системы z/OS они регистрируют вы-

полняемые операции в областях хранения, называемых управляющими блоками

(control blocks). В общем, существует четыре типа управляющих блоков z/OS:

• управляющие блоки системы;

• управляющие блоки ресурсов;

• управляющие блоки заданий;

• управляющие блоки задач.

Каждый управляющий блок системы соответствует одной системе z/OS и содер-

жит информацию по этой системе, в частности информацию о количестве использу-

емых процессоров. Каждый управляющий блок ресурсов соответствует одному ре-

сурсу, например процессору или устройству хранения. Каждый управляющий блок

заданий соответствует одному заданию, выполняемому в системе. Каждый управляю-

щий блок задач соответствует одной единице работы.

Управляющие блоки служат средством связи

в z/OS. Такая связь возможна потому, что структура

управляющего блока известна программам, кото-

рые его используют, вследствие чего эти програм-

мы могут найти нужную информацию о единице работы или ресурсе. Управляющие

блоки, представляющие много модулей одного типа, можно объединять в очереди,

в которых каждый управляющий блок указывает на следующий в цепи. Операционная

система может осуществлять в очереди поиск информации об определенной едини-

це работы или ресурсе, например:

• адресе управляющего блока или требуемой подпрограмме;

• действительных данных, в частности значении, числовой величине, параметре

или имени;

• флагах состояния (обычно выражающихся отдельными битами в байте, где

каждый бит имеет определенное значение).

z/OS использует огромное количество управляющих блоков, многие из которых

имеют узкоспециализированное назначение. В этой главе рассматриваются три на-

иболее используемых управляющих блока:

• блок управления задачей (task control block, TCB), представляющий единицу

работы или задачу;

• блок запроса обслуживания (service request block, SRB), представляющий за-

прос на системное обслуживание;

• блок управления адресным пространством (address space control block, ASCB),

представляющий адресное пространство.

Управляющийблок–

структураданных,служащая

средствомсвязивz/OS

 Общиесведенияоz/OS 79

325 Физическая память, используемая в z/OS

С абстрактной точки зрения мэйнфреймы и все остальные компьютеры имеют два

типа физической памяти

• Физическая память, расположенная непосредственно в процессоре мэйнф-

рейма. Она называется процессорной памятью (processor storage), реальной

памятью (real storage) или основной памятью (central storage); ее можно счи-

тать памятью мэйнфрейма.

• Физическая память, внешняя по отношению к мэйнфрейму; включает храни-

лища на устройствах с прямым доступом, таких, как дисковые приводы и при-

воды для магнитных лент. Такую память часто называют страничной памятью

(paging storage) или вспомогательной памятью (auxiliary storage).

Основное различие между двумя типами памяти связано со способом доступа,

в частности:

• К основной памяти процессор осуществля-

ет синхронный доступ. Другими словами,

процессор должен ждать, пока данные будут

извлечены из основной памяти

• К вспомогательной памяти осуществляется

асинхронный доступ. Для доступа к вспомо-

гательной памяти процессор использует за-

просы ввода-вывода, выполнение которых

происходит между другими рабочими за-

просами в системе. Во время запроса ввода-

вывода процессор свободен для выполне-

ния другой работы.

Как и в случае с памятью персонального компьютера, основная память мэйнфрей-

ма является сильно связанной с самим процессором, тогда как вспомогательная па-

мять мэйнфрейма размещается на (относительно) более медленных внешних диско-

вых приводах или приводах для магнитных лент. Так как основная память имеет более

тесную интеграцию с процессором, процессору требуется гораздо меньше времени

для доступа к данным в основной памяти, чем к вспомогательной памяти. Однако

вспомогательная память является менее дорогостоящей, чем основная память. Боль-

шинство инсталляций z/OS используют большие объемы обоих типов памяти.

33 Обзор средств z/OS

Благодаря широкому набору системных средств и уникальных атрибутов z/OS хорошо

подходит для обработки больших, сложных задач, в частности требующих множества

операций ввода-вывода, доступа к большим объемам данных или полной безопасности.

Многие компьютеры также используют быструю память, локальную с точки зрения процессора, называе-

мую кешем процессора. Кеш невидим для программиста, приложений и даже для операционной системы.

Некоторые процессоры используют технологии предварительной выборки (prefetching) или «конвейе-

ризации» («pipelining») инструкций или данных для повышения производительности. Эти технологии

невидимы для приложения и даже для операционной системы, однако хороший компилятор может

организовать производимый им код таким образом, чтобы использовать эти технологии.

Основнаяпамять–

физическаяпамять

впроцессоре

Вспомогательнаяпамять

–

физическаяпамять,внешняя

поотношениюкмейнфрейму;

включаетхранилищана

устройствахспрямым

доступом,такихкакдисковые

приводыиприводыдля

магнитныхлент

80 Глава3

К типичным задачам для мэйнфреймов относятся приложения длительного выполне-

ния, записывающие изменения в миллионы записей базы данных, и оперативные при-

ложения, обрабатывающие тысячи интерактивных пользователей одновременно.

На рис. 3.2 представлен «снимок» операционной среды z/OS.

Адресные

пространства

Физическая

память

Страничный

обмен

Связь

с оператором

Надежность,

доступность

и удобство

обслуживания

Целостность

данных

REAL

AUX

REAL

AUX

Рис 32 Операционнаясредаz/OS

Эти средства подробно описываются в последующих разделах книги, а здесь рас-

сматриваются вкратце.

• Адресное пространство описывает диапазон адресов виртуальной памяти, до-

ступный для оперативного пользователя или выполняющейся программы.

• Доступны два типа физической памяти: основная память и вспомогательная

память (AUX). Основная память также часто называется реальной памятью

или реальным хранилищем.

• z/OS перемещает программы и данные между основной и вспомогательной

памятью посредством процессов страничного обмена (paging) и свопинга

(swapping).

• z/OS передает работу для выполнения (не показано на рисунке). Другими сло-

вами, выбираются программы для запуска, исходя из приоритета и возмож-

ности выполнения, после чего происходит загрузка программы и данных

в основную память. Все программные инструкции и данные во время выполне

ния должны находиться в основной памяти.

• Широкий набор средств осуществляет управление файлами, хранящимися на

устройствах хранения с прямым доступом (DASD) или картриджах с магнит-

ной лентой.

• Операторы используют консоли для запуска и остановки z/OS, ввода команд

и управления операционной системой.

Кроме того, z/OS имеет много других операционных характеристик, таких, как

безопасность, возможность восстановления, целостность данных и управление рабо-

чей нагрузкой.

 Общиесведенияоz/OS 81

34 Виртуальная память и другие понятия мэйнфреймов

z/OS использует оба типа физической памяти (основную и вспомогательную) для

реализации еще одного типа памяти – виртуальной памяти (virtual storage).

В z/OS каждый пользователь имеет доступ скорее к виртуальной памяти, чем

к физической памяти. Такое использование виртуальной памяти является важным

условием для обеспечения уникальной возможности z/OS одновременно взаимо-

действовать с большим числом пользователей, обрабатывая большие объемы ра-

бочей нагрузки.

341 Что такое виртуальная память?

При использовании виртуальной памяти каждая выполняемая программа может

предполагать, что у нее есть доступ ко всей памяти, определенной схемой адресации

архитектуры. Единственным ограничением является количество разрядов в адресе

памяти. Такая возможность использования большого числа мест хранения является

важной, так как программа может быть длинной и сложной, и код программы и нуж-

ные ей данные должны располагаться в основной памяти, чтобы процессор мог осу-

ществлять к ним доступ.

z/OS поддерживает 64-разрядные адреса, что позволяет программе адресовать до

18 446 744 073 709 600 000 байт (16 экзабайт) памяти. В действительности основная

память мэйнфрейма может иметь гораздо меньший объем. Настолько меньше зависит

от модели компьютера и конфигурации системы.

Для того чтобы каждый пользователь мог работать так, как будто такой объем па-

мяти действительно существует в компьютерной системе, z/OS хранит в основной

памяти только активные фрагменты каждой программы. Остальной код и данные

хранятся в файлах, называемых страничными наборами данных (page data sets), во

вспомогательной памяти, которая обычно представляет собой некоторое количество

высокоскоростных устройств хранения с прямым доступом (DASD).

Таким образом, виртуальная память является сочетанием основной и вспомога-

тельной памяти. Операционная система z/OS использует набор таблиц и индексов

для отображения участков вспомогательной памяти в участки основной памяти.

Она использует специальные параметры (битовые параметры) для отслеживания

идентификационных данных и полномочий каждого пользователя или программы.

z/OS использует множество компонентов менеджера памяти для управления вир-

туальной памятью. В этой главе кратко рассматриваются основные аспекты этого

процесса.

Более подробно этот процесс описывается в разделе 3.4.4, «Обзор виртуальной

памяти».

Термины Специалистыпоработесмэйнфреймамииспользуюттермины«центральная

память»,«реальнаяпамять»,«реальноехранилище»и«основнаяпамять»каквзаимоза-

меняемыеПодобнымобразомонииспользуюттермины«виртуальнаяпамять»и«виртуальное

хранилище»каксинонимы