Основы AS/400 - Фрэнк Солтис

Указатели нельзя подделать. Теги гарантируют, что указатель создан ОС (SLIC), и что он не изменялся чем-либо, кроме SLIC. Недобросовестный пользователь, попытавшись создать, скопировать или изменить указатель, не сможет включить разряды тега и получит в результате бесполезные 16 байт. Именно поэтому AS/400 всегда работает в режиме активных тегов, несмотря на то, что процессоры PowerPC, используемые в ней, могут действовать и в режиме неактивных тегов.

Указатели и теги на диске

Разработчики System/38 столкнулись с и другой проблемой. Допустим, потребуется переместить страницу из памяти на диск. В памяти есть дополнительные разряды для ЕСС и тегов, а на диске нет. Там используется другая форма кода коррекции ошибок, называемая циклическим избыточным контролем CRC (cyclic redundancy check), который не добавляет дополнительных разрядов к каждому слову памяти. Значит, нужен способ сохранения разрядов тега вместе с указателями при перемещении страницы, содержащей указатели, на диск. Короче говоря, нужно найти дополнительное место на диске.

Магнитный диск представляет собой набор плоскостей, имеющих по две поверхности для записи. Поверхность каждого диска разделена на концентрические окружности, называемые дорожками. В свою очередь, дорожки разделены на сектора, которые и содержат информацию. Размер сектора для System/38 и AS/400 равен 520 байтам. Каждый сектор содержит 8-байтовый заголовок сектора и область данных в 512 байт. Размер сектора был выбран так, чтобы 512-байтовая страница System/38 умещалась в него.

В System/38 было определено несколько специальных команд IMPI для работы с тегами. Одна из таких команд— «Извлечь теги» — использовалась для сбора тегов со страницы памяти. При записи страницы на диск, теги также записывались на диск. Другая команда IMPI — « Вставить теги»— применялась для помещения тегов обратно в память после считывания страницы с диска.

Многие ISV и пользователи, знавшие о разрядах тега System/38, считали, что они хранятся на диске в 8-байтовых заголовках секторов. Но это не так. Информация на самой странице сохранялась в 512-байтной области данных сектора. Заголовок сектора содержал информацию о странице, но наиболее важной его задачей было хранение виртуального адреса страницы. Этот адрес нужен был для восстановления. Даже в случае потери таблицы в памяти, связывавшей виртуальные адреса с местами на диске, она могла быть восстановлена: достаточно считать заголовки каждого сектора и определить, с каким виртуальным адресом этот сектор связан. Так что большая часть пространства в заголовке сектора была занята виртуальным адресом страницы, места для тегов не оставалось.

Это подтверждает простой расчет. Одна страница может содержать 32 указателя (16 байтов Г32 = 512), что означает 32 бита тегов на страницу. Виртуальный адрес в System/38 занимал 48 разрядов, но для идентификации страницы использовались не все из них. Младшие 9 разрядов виртуального адреса задавали байт на 512-байтной странице (29 = 512). Следовательно, для уникальной идентификации страницы нужно хранить только 39 старших разрядов виртуального адреса (48 — 9 =39). Однако даже без разрядов состояния потребовался бы минимум 71 разряд для хранения виртуального адреса страницы и всех битов тега (39 +32 =71), в заголовке же сектора было только 64 разряда. Хранить биты тега в заголовках секторов оказалось невозможно.

Разработчики System/38, проявив недюжинную смекалку, нашли для тегов место внутри страницы. Дело в том, что некоторое пространство в указателе не используется. Если на странице есть хотя бы один указатель, то есть и некоторое неиспользуемое пространство, в котором можно хранить биты тега. Если указателей на странице нет, то все биты тега для нее равны 0, поэтому и хранить их незачем. Заголовок сектора в System/38 содержал информацию о том, есть ли на странице теги, и если есть, то где именно.

До появления RISC-процессоров мы продолжали использовать на AS/400 и размер страницы, равный 512 байтам, и только что описанный метод хранения битов тега. Но уже несколько лет нас мучило желание увеличить размер страницы.

Размер страницы в 512 байт был выбран для System/38 по причине ограниченности размеров основной памяти[ 65 ]. Но для увеличенной памяти AS/400 512-байтовая страница была слишком мала, страниц получалось слишком много, и таблицы страниц достигали гигантских размеров. Кроме того, уже многие годы мы «упаковывали» маленькие страницы в «логические» страницы большего размера для сокращения объема дисковых операций. Для новых процессоров было решено увеличить размер страницы до 4 КБ (4 096 байтов).

В новых моделях был сохранен размер сектора на диске в 520 байт. Четырехкило-байтовая страница теперь хранится в восьми последовательных секторах. При наличии восьми 8-байтовых заголовков на каждой странице в 4 КБ больше чем достаточно места для хранения 256 теговых битов.

Для извлечения тегов из памяти к архитектуре процессора PowerPC был добавлен специальный регистр тегов. Когда процессор выполняет специальную теговую команду, «Множественная загрузка двойных слов» («lmd»), в 16 регистров может быть считано из памяти до 16 двойных слов (восемь четверных слов). При выполнении команды в регистре тега сохраняется восемь теговых регистров четверных слов памяти. Обратите внимание, что в регистре тега сохраняются 8 логических битов тега, а не 16 физических, как в памяти. Вспомним, что четверное слово это два 64-разрядных (8-байтовых) слова памяти; следовательно, в четверном слове два физических бита тега, так что в восьми четверных словах — 16 физических битов тега. С помощью команды «lmd» биты тегов страницы могут быть собраны для последующей записи на диске вместе с данными. Эта команда также доступна только в режиме активных тегов.

Внутри указателя

Указатель используется в AS/400 для доступа к объектам. В этом разделе мы сосредоточимся исключительно на формате разрешенного указателя. У разрешенного указателя две функции: он описывает объект и полномочия пользователя на этот объект; а также задает адрес объекта в одноуровневом хранилище. Иначе говоря, 16-байтовый указатель разделен на две 8-байтовые части: первая —описание объекта, а вторая — виртуальные адрес.

В первой части разрешенного указателя находятся биты состояния, которые, кроме всего прочего, задают, что это за указатель: системный, пространственный, данных, команд или процедуры. В этой же части содержится информация об объекте и данных, доступных через этот указатель. Например, системный указатель задает для объекта тип системного объекта MI и подтип, определенный OS/400; а указатель данных описывает тип данных. Прочая информация первой части указателя касается полномочий пользователей на операции с объектом. Как отмечалось ранее, поле полномочий используется, только если указателем оперирует сама ОС в системном состоянии. В указателях, созданных пользовательскими программами в пользовательском режиме, поле полномочий не заполнено.

Информация первой части указателя не занимает все 8, а лишь 4 байта. Это означает, что 4 байта указателя не используются. Они зарезервированы для будущих расширений адреса. Дополнительные 32 разряда вместе с 64 адресными разрядами указателя дают возможность расширить адрес AS/400 до 96 разрядов (12 байтов) без изменений каких-либо программ поверх MI. Если потребуется еще большее пространство, то можно будет удалить из указателя информацию типа и полномочий, и увеличить длину адреса сверх 96 разрядов.

Вторая часть разрешенного указателя содержит 64-разрядный адрес. Так было всегда, и многие годы это вызывало путаницу: каков все же размер виртуального адреса System/38 и AS/400, 48- или 64-разрядный? С появлением новых RISC-моделей AS/400 путаница прекратилась: теперь адрес 64-разрядный. А в System/38 и ранних моделях AS/400 он был и таким, и таким. В MI адрес всегда был 64-разрядным, а аппаратура работала с 48-разрядным адресом. Как они уживались вместе — тема следующего раздела.

Сказка о двух размерах адреса

Появление новых RISC-моделей с полностью 64-разрядными аппаратными адресами устранило большинство проблем, связанных со смешением 64- и 48-разрядной адресации в предыдущих моделях. Чтобы понять, почему 64-разрядный аппаратный адрес так важен, рассмотрим первоначальную 48-разрядную реализацию.

48-разрядный адрес появился в результате компромисса. Проектировщики ОС System/38 планировали адрес размером в 64 бита. После того, как размер указателя был определен в 16 байтов, для 64-разрядного адреса появилось достаточно места. Проблемы возникли на аппаратном уровне. Чем больше разрядов в адресе, тем больше размер регистров процессора. Больший размер регистров требовал большего числа цепей и повышал стоимость аппаратных средств.

Техническим менеджером System/38 был Рей Клотц, не видевший надобности в таком большом адресе. Его многократно пытались уговорить, но Рей так и не поддался на уверения, что 64-разрядного адреса хватит навечно. В середине 70-х годов подразделение IBM по мэйнфреймам собиралось объявить о новом большом адресе для System/370, получившем название расширенной адресации (XA). С применением ХА адрес System/370 должен был вырасти с 24 до 31 разряда. Рей обвинял нас в желании непременно превзойти System/370 и утешал тем, что 32 разряда все равно больше чем 31. «Вы побьете их и одним разрядом, а больше и не надо», — как бы говорил он. Мы, в свою очередь, утверждали, что 32-разрядный адрес не будет работать с одноуровневой памятью System/38, и что нужны 64 разряда. Когда стало очевидным, что спор зашел в тупик, мы поступили так, как будто торговались о цене подержанной машины: поделили пополам разницу между 32 и 64. Таким образом, получился 48-разрядный адрес.