Жоғары өнімділік кіріс-шығыс архитектурасы

Кіріспе

Жоғары өнімділіктегі кіріс/шығыс архитектурасы

Есептеу техникасында арналық I/O – бұл жоғары өнімділіктегі кіріс/шығыс (I/O) архитектурасы, ол түрлі формаларда көптеген компьютерлік архитектураларда, әсіресе мейнфреймдерде қолданылады. Бұрын арналар көбінесе арна, I/O процессоры, I/O контроллері, I/O синхронизаторы немесе DMA контроллері деп аталатын арнайы құрылғылармен іске асырылатын.

Шолу

Көптеген I/O тапсырмалары күрделі болуы мүмкін және форматтарды және басқа да ұқсас міндеттерді түрлендіру үшін деректерге логиканы қолдануды қажет етеді. Мұндай жағдайларда ең қарапайым шешім – логиканы өңдеуді CPU-дан сұрау, бірақ I/O құрылғылары салыстырмалы түрде баяу болғандықтан, CPU құрылғыдан деректерді күтуге уақыт жоғалта алады. Бұл жағдай "I/O-ға тәуелді" деп аталады. Каналдық архитектура бұл мәселені CPU-дың көмегінсіз I/O тапсырмасының бір бөлігін немесе барлығын өңдеу арқылы, жұмысты арнайы логикаға жүктеу арқылы болдырмайды. Каналдар логикалық тұрғыдан өздігінен толыққан, I/O тапсырмаларын орындау үшін жеткілікті логикалық және жұмыс жадымен жабдықталған. Кейбіреулері өздігінен компьютер ретінде қолдануға жеткілікті қуатты немесе икемді, сондықтан оларды копроцессордың бір түрі деп қарастыруға болады, мысалы, IBM 7090 немесе IBM 7094-тегі 7909 деректер каналы; алайда, көпшілігі олай емес. Кейбір жүйелерде каналдар жұмыс жады ретінде орталық процессордың адрестейтін жадын немесе регистрлерін пайдаланады, ал басқа жүйелерде ол канал аппараттық құралдарында орналасқан. Әдетте, каналдар мен сыртқы перифериялық құрылғылар арасында стандартты интерфейстер болады және бірнеше каналдар бір мезгілде жұмыс істей алады. CPU әдетте сақтау блогын бөліп береді немесе I/O тапсырмаларын орындау үшін каналға салыстырмалы түрде кішкентай каналдық бағдарлама жібереді, оны канал мен контроллер көп жағдайда CPU-дың қосымша араласуынсыз орындай алады (ескерту: бағдарламаны жүктеуді жеңілдету үшін "бағдарламамен басқарылатын үзілістерді" (PCI), талап бойынша беттік жадты алмастыру және басқа да маңызды жүйелік тапсырмаларды пайдаланатын каналдық бағдарламалар). I/O беру аяқталғанда немесе қате анықталғанда, контроллер әдетте CPU-мен үзіліс арқылы канал арқылы байланысады. Канал әдетте негізгі жадқа тікелей кіре алады, сондықтан оны көбінесе тікелей жадқа кіру (DMA) контроллері деп атайды. Ең соңғы нұсқаларда каналдық бағдарлама басталады және каналдық процессор барлық қажетті өңдеуді аяқтау шартына немесе бағдарламамен басқарылатын үзіліске (PCI) дейін жүргізеді. Бұл CPU-мен каналдың өзара әрекеттесуінің көп бөлігін жояды және жүйенің жалпы өнімділігін едәуір жақсартады. Канал бірнеше түрлі аяқтау шарттарын хабарлай алады, олар нақты түрде қалыпты болуы мүмкін, нақты түрде қателік көрсетуі мүмкін немесе олардың мағынасы контекстке және кейінгі сезім операциясының нәтижелеріне байланысты болуы мүмкін. Кейбір жүйелерде I/O контроллері CPU араласуынсыз кейбір операцияларды автоматты түрде қайталауға рұқсат етеді. Алдыңғы нұсқаларда кез келген қате, қаншалықты кішкентай болса да, CPU араласуын қажет етті, ал оверхед осылайша әлдеқайда жоғары болды. Бағдарламамен басқарылатын үзіліс (PCI) әлі де кейбір ескі операцияларда қолданылады, бірақ мұндай PCI-ден аулақ болуға бағытталған үрдіс бар, егер бұл болмай қалса.

Many I/O tasks can be complex and require logic to be applied to the data to convert formats and other similar duties. In these situations, the simplest solution is to ask the CPU to handle the logic, but because I/O devices are relatively slow, a CPU could waste time waiting for the data from the device. This situation is called 'I/O bound'. Channel architecture avoids this problem by processing some or all of the I/O task without the aid of the CPU by offloading the work to dedicated logic. Channels are logically self contained, with sufficient logic and working storage to handle I/O tasks. Some are powerful or flexible enough to be used as a computer on their own and can be construed as a form of coprocessor, for example, the 7909 Data Channel on an IBM 7090 or IBM 7094; however, most are not. On some systems the channels use memory or registers addressable by the central processor as their working storage, while on other systems it is present in the channel hardware. Typically, there are standard interfaces between channels and external peripheral devices, and multiple channels can operate concurrently. A CPU typically designates a block of storage as, or sends, a relatively small channel program to the channel in order to handle I/O tasks, which the channel and controller can, in many cases, complete without further intervention from the CPU (exception: those channel programs which utilize 'program controlled interrupts', PCIs, to facilitate program loading, demand paging and other essential system tasks). When I/O transfer is complete or an error is detected, the controller typically communicates with the CPU through the channel using an interrupt. Since the channel normally has direct access to the main memory, it is also often referred to as a direct memory access (DMA) controller. In the most recent implementations, the channel program is initiated and the channel processor performs all required processing until either an ending condition or a program controlled interrupt (PCI). This eliminates much of the CPU—Channel interaction and greatly improves overall system performance. The channel may report several different types of ending conditions, which may be unambiguously normal, may unambiguously indicate an error or whose meaning may depend on the context and the results of a subsequent sense operation. In some systems an I/O controller can request an automatic retry of some operations without CPU intervention. In earlier implementations, any error, no matter how small, required CPU intervention, and the overhead was, consequently, much higher. A program controlled interruption (PCI) is still used by certain legacy operations, but the trend is to move away from such PCIs, except where unavoidable.

Тарих

Каналды I/O-ны алғаш рет IBM 709 вакуумдық есептегіш машинасымен қолданған, оның 766 Model Data Synchronizer бірінші арна контроллері болды, 1957 жылы. Оның транзисторлық мұрагері IBM 7090-да 2-ден 8-ге дейін 6 биттік арналар (7607) және сегізге дейін арналарды басқаратын арналық мультиплексор (7606) болды. 7090 және 7094 сегіз 8 биттік арнаға дейін 7909-мен бірге ие болуы мүмкін. IBM кейбір компьютерлерінде деректер арнасы командаларын пайдаланса және, мысалы, 7090-да команда тізбегін қолдануға рұқсат берсе, көптеген басқа өндірушілер бір жазбамен жұмыс істейтін арналарды қолданды. Дегенмен, кейбір жүйелерде, мысалы, GE 600 сериясында, I/O архитектурасы күрделірек болды. Кейін IBM System/360 және System/370 компьютерлер отбасы барлық модельдерде арна I/O ұсынды. System/360 Model 50 және одан төмен, сондай-ақ System/370 Model 158 және одан төмен модельдер үшін арналар CPU микрокодында іске асырылды, ал CPU өзі екі режимнің бірінде жұмыс істеді: «CPU режимі» немесе «Арна режимі», арна режимі CPU режимінен циклдарды «ұрлап» алды. Үлкен IBM System/360 және System/370 компьютерлері үшін арналар әлі де ірі және қымбат бөлек компоненттер болып табылды, мысалы, IBM 2860 Selector арнасы (бір қорапта бірден үш селектор арнасы), IBM 2870 Byte multiplexor арнасы (бір мультиплексор арнасы және, мүмкіндігінше, бір селектор субканалы бір қорапта) және IBM 2880 Block multiplexor арнасы (бір немесе екі блок мультиплексор арнасы бір қорапта). 303x процессор кешендерінде арналар CPU-мен бір шкафтағы тәуелсіз арна директорларында іске асырылды, әр арна директоры арналар тобын басқарды. Біраз уақыттан кейін арналар CPU-мен бірге орналасқан, әдетте «арна процессор» деп аталатын, көбінесе RISC процессорлары болатын, бірақ IBM CMOS мейнфреймдеріндегідей арнайы микрокоды бар System/390 микропроцессорлары да болуы мүмкін, борттағы процессор ретінде іске асырылды. Amdahl Corporation-ның System/370 үйлесімді арналарын аппараттық іске асыруы мүлдем басқаша болды. «C Unit» деп аталатын бір ішкі блок барлық қолдау көрсетілетін арналар үшін бірдей аппаратты пайдалана отырып, он алты арнаға дейін қолдау көрсетті. Екі ішкі «C Unit» мүмкін болды, барлығы 32 арнаны қолдайды. Әрбір «C Unit» тәуелсіз түрде «арна күй процессор» (барел процессордың түрі) деп аталатын процесті орындады, ол арнайы шекті күй машинасының (FSM) жұмысын іске асырды. Әрбір CPU циклында, 470V/6 және /5 үшін әр 32 наносекунд сайын, ал 470V/7 және /8 үшін әр 26 наносекунд сайын «C Unit» келесі арнаның толық жағдайын басымдық ретімен және оның I/O арнасын тегтерде оқыды. Бұл арнаның соңғы жағдайымен және оның тегтерімен анықталған қажетті әрекеттер орындалды: деректер негізгі жадтан оқылды немесе жазылды, егер арна бағдарламасының Бағдарламаны басқару үзілісі жалаушасымен көрсетілген болса, операциялық жүйе бағдарламасы үзілді, содан кейін «C Unit» сол арнаның келесі жағдайын сақтап, оның I/O арнасының тегтерін орнатты және келесі төменгі басымдыққа ие арнаға көшті. Кейбір жағдайларда алдын алу мүмкін болды. Осы FSM эмуляциялаған барлық арналар үшін «C Unit» ішінде жеткілікті FIFO буферлік жады қамтамасыз етілді. Арнаны клиенттің таңдаған селекторына, байт мультиплексорына немесе блок мультиплексорына оңай қайта конфигурациялауға болады, бұл үшін техникалық қызмет көрсету консолінің командаларын пайдалану қажет. «Екі байттық интерфейс», сондай-ақ «Деректерді енгізу/Деректерді шығару» және басқа да жоғары өнімді IBM арна опциялары қолдау тапты. Amdahl терминологиясында CCAs деп аталатын, бірақ IBM терминологиясында CTCs немесе CTCAs деп аталатын арнадан арнаға адаптерлер де ұсынылды. Бұл нағыз ойынды өзгертетін жаңалық болды және IBM-ді өзінің негізгі жүйелерін қайта құруға мәжбүр етті, олар осыған ұқсас арна мүмкіндіктерін және икемділігін қамтамасыз етеді. IBM-нің бастапқы жауабы Model 303x арналық бірліктері ретінде тек «Арна режимінде» жұмыс істейтін 158 модельдерін қосу болды. Amdahl-дың «C Unit»-інде кез келген арна кез келген типті болуы мүмкін: селектор, байт мультиплексоры немесе блок мультиплексоры, кейбір IBM модельдеріндегідей байт мультиплексорлары үшін 0 және 4 арналарын резервтемей. IBM арнасы жоқ алғашқы коммерциялық жүйелердің кейбіреулері UNIVAC 490, CDC 1604, Burroughs B5000, UNIVAC 1107 және GE 635 болды. Содан бері арна контроллерлері көптеген мейнфреймдердің стандартты бөлігіне айналды және мейнфреймдердің кіші, жылдам, дербес компьютерлер мен желілік есептеулерге қарағанда басты артықшылығы болып табылады. 1965 жылғы CDC 6600 суперкомпьютерінде осы рөлді атқару үшін 10 логикалық тәуелсіз компьютерлер, перифериялық процессорлар (PP) және 12 қарапайым I/O арналары пайдаланылды. PP-лер CDC-дің алғашқы жеке компьютерлерінің 12 биттік CDC 160 және 160A-ның өңделген нұсқасы болды. Операциялық жүйе бастапқыда PP0-да орналасты және орындалды. Арналар тікелей жадқа қол жеткізе алмады және үзілістерді тудыра алмады; PP-дегі бағдарлама арна мен A тіркегіші немесе PP жады арасында деректерді беру үшін синхронды нұсқауларды пайдаланды. 1981 жылы енгізілген SCSI, IBM Block Multiplexer Channel-ына төмен құндылықтағы балама болып табылады және қазірде Fibre Channel және Serial Attached SCSI түрінде кеңінен қолданылады. Қазіргі заманғы компьютерлерде арналар PCI тікелей жадқа қол жеткізу (DMA) құрылғылары сияқты басқарылатын перифериялық құрылғылар түрінде болуы мүмкін. Мұндай құрылғылардың мақсаты – түпнұсқа арна контроллерлеріне ұқсас: негізгі CPU-дан деректерді беруді, үзілістерді және контексттік ауысуды босату. Арна контроллерлері NeXT компьютерлерінде пайдаланғандай, бірнеше арналары бар бір чиптік дизайн ретінде жасалды.

The first use of channel I/O was with the IBM 709 vacuum tube mainframe, whose Model 766 Data Synchronizer was the first channel controller, in 1957. Its transistorized successor, the IBM 7090, had two to eight 6 bit channels (the 7607) and a channel multiplexor (the 7606) which could control up to eight channels. The 7090 and 7094 could also have up to eight 8 bit channels with the 7909. While IBM used data channel commands on some of its computers, and allowed command chaining on, e. g., the 7090, most other vendors used channels that dealt with single records. However, some systems, e. g., GE 600 series, had more sophisticated I/O architectures. Later, the IBM System/360 and System/370 families of computer offered channel I/O on all models. For the lower end System/360 Models 50 and below and System/370 Model 158 and below, channels were implemented in the CPU's microcode, and the CPU itself operated in one of two modes, either "CPU Mode" or "Channel Mode", with the channel mode 'stealing' cycles from the CPU mode. For larger IBM System/360 and System/370 computers the channels were still bulky and expensive separate components, such as the IBM 2860 Selector channel (one to three selector channels in a single box), the IBM 2870 Byte multiplexor channel (one multiplexer channel, and, optionally, one selector subchannel in a single box), and the IBM 2880 Block multiplexor channel (one or two block multiplexor channels in a single box). On the 303x processor complexes, the channels were implemented in independent channel directors in the same cabinet as the CPU, with each channel director implementing a group of channels. Much later, the channels were implemented as an on board processor residing in the same box as the CPU, generally referred to as a "channel processor", and which was usually a RISC processor, but which could be a System/390 microprocessor with special microcode as in IBM's CMOS mainframes. Amdahl Corporation's hardware implementation of System/370 compatible channels was quite different. A single internal unit, called the "C Unit", supported up to sixteen channels using the very same hardware for all supported channels. Two internal "C Units" were possible, supporting up to 32 total channels. Each "C Unit" independently performed a process generally called a "shifting channel state processor" (a type of barrel processor), which implemented a specialized finite state machine (FSM). Each CPU cycle, every 32 nanoseconds in the 470V/6 and /5 and every 26 nanoseconds in the 470V/7 and /8, the "C unit" read the complete status of next channel in priority sequence and its I/O Channel in tags. The necessary actions defined by that channel's last state and its in tags were performed: data was read from or written to main storage, the operating system program was interrupted if such interruption was specified by the channel program's Program Control Interrupt flag, and the "C Unit" finally stored that channel's next state and set its I/O Channel out tags, and then went on to the next lower priority channel. Preemption was possible, in some instances. Sufficient FIFO storage was provided within the "C Unit" for all channels which were emulated by this FSM. Channels could be easily reconfigured to the customer's choice of selector, byte multiplexor) or block multiplexor channel, without any significant restrictions by using maintenance console commands. "Two byte interface" was also supported as was "Data In/Data Out" and other high performance IBM channel options. Built in channel to channel adapters were also offered, called CCAs in Amdahl speak, but called CTCs or CTCAs in IBM speak. A real game changer, and this forced IBM to redesign its mainframes to provide similar channel capability and flexibility. IBM's initial response was to include stripped down Model 158s, operating in "Channel Mode", only, as the Model 303x channel units. In the Amdahl "C unit" any channel could be any type, selector, byte multiplexor, or block multiplexor, without reserving channels 0 and 4 for the byte multiplexers, as on some IBM models. Some of the earliest commercial non IBM channel systems were on the UNIVAC 490, CDC 1604, Burroughs B5000, UNIVAC 1107 and GE 635. Since then, channel controllers have been a standard part of most mainframe designs and primary advantage mainframes have over smaller, faster, personal computers and network computing. The 1965 CDC 6600 supercomputer utilized 10 logically independent computers called peripheral processors (PPs) and 12 simple I/O channels for this role. PPs were a modified version of CDC's first personal computers, the 12 bit CDC 160 and 160A. The operating system initially resided and executed in PP0. The channels had no direct access to memory and could not cause interrupts; software on a PP used synchronous instructions to transfer data between the channel and either the A register or PP memory. SCSI introduced in 1981 as a low cost channel equivalent to the IBM Block Multiplexer Channel is now ubiquitous in the form of Fibre Channel and Serial Attached SCSI. Modern computers may have channels in the form of bus mastering peripheral devices, such as PCI direct memory access (DMA) devices. The rationale for these devices is the same as for the original channel controllers, namely off loading transfer, interrupts, and context switching from the main CPU. Channel controllers have been made as small as single chip designs with multiple channels on them, used in the NeXT computers for instance.

Сипаттама

I/O арнасының эталондық нұсқасы IBM System/360 және оның ізбасарлары болып табылады, бірақ ұқсас нұсқаулар IBM-нің басқа да жүйелерінде, мысалы, 1410 және 7010, 7030, сондай-ақ Control Data, Bull (General Electric/Honeywell) және Unisys сияқты басқа мейнфрейм өндірушілерінде де қолданылған. I/O арнасын пайдаланатын компьютер жүйелерінде жүйенің процессорларынан тәуелсіз, барлық кіріс/шығыс операцияларын толыққанды басқаратын арнайы аппараттық компоненттер болады. I/O арнасын пайдаланатын жүйенің процессоры кіріс және шығыс үшін әдетте тек бір машиналық командаға ие болады; бұл команда арна бағдарламалары түрінде мамандандырылған I/O аппараттық құрылғыларына кіріс/шығыс командаларын беру үшін қолданылады. Содан кейін I/O операциялық жүйеге хабарлауды қажет ететін оқиға туғанға дейін процессордың араласуынсыз жалғасады, осы кезде I/O аппараттық құрылғысы процессорға үзіліс сигналын жібереді. Арна – бұл басқарушы немесе құрылғылар жиынтығына барлық I/O операцияларын үйлестіретін тәуелсіз аппараттық компонент. Атауына қарамастан, ол тек байланыс құралы емес; ол I/O операцияларының тізімін алғаннан кейін (арна бағдарламасы) I/O-ның барлық егжей-тегжейін басқаратын бағдарламаланатын құрылғы. Әрбір арна бір немесе бірнеше басқарушыларды және/немесе құрылғыларды қолдауы мүмкін, бірақ әрбір арна бағдарламасы осы қосылған құрылғылардың біреуіне ғана бағытталуы мүмкін. Арна бағдарламасында арнаның өзіне және оны басқаратын басқарушы мен құрылғыға арналған командалар тізімі болады. Операциялық жүйе арна командаларының толық тізімін дайындағаннан кейін, ол арна бағдарламасын іске қосу үшін бір I/O машиналық команданы орындайды; арна одан кейін I/O операцияларын олар аяқталғанға дейін басқарады. Мұндай арна бағдарламаларының ішінде деректерді тексеру және шартты тармақтану сияқты өте күрделі арна бағдарламаларын жасауға болады. Бұл икемділік процессорды жеке I/O операцияларын іске қосу, бақылау және басқару жұмысынан босатады. Арналық аппараттық құралдар өз кезегінде I/O-ға арналған және оны процессордан тиімдірек (және процессормен толыққанды параллель) орындай алады. I/O арнасы микрокомпьютерлердің тікелей жадқа кіруіне (DMA) ұқсас, бірақ одан күрделі және жетілген. Ірі мейнфрейм компьютерлерінде процессорлар – параллель жұмыс істейтін бірнеше қуатты аппараттық компоненттердің бірі ғана. Арнайы кіріс/шығыс басқарушылары (олардың нақты атаулары өндірушіден өндірушіге өзгереді) тек I/O операцияларын орындайды және олар өз кезегінде кіріс пен шығысқа арналған аппараттық арналарға қосылады. Бірнеше процессор және бірнеше I/O процессорлары болуы мүмкін. Жалпы архитектура процессордың өнімділігін төмендетпей, кіріс/шығыс өнімділігін оңтайландырады. Мейнфрейм жүйелерінің көптеген нақты қолданыстары I/O операцияларына көп көмек қажет болатын бизнес-қолданбалар болғандықтан, бұл архитектура мейнфреймдерді басқа компьютерлерден ерекшелейтін өте жоғары өнімділікті қамтамасыз етуге көмектеседі. IBM ESA/390 терминологиясында арна – ағаш тәрізді немесе иерархиялық құрылымдасқан I/O жүйесінің ішіндегі параллель деректер байланысы. System/390 I/O қаптарында арналар қаптың ішінде орнатылған құрылғыларға (ESCON, FICON, Open Systems Adapter сияқты байланыс адаптерлері) тікелей қосылады немесе олар қаптың сыртынан, бас бармақтың қалыңдығындағы кабельдер ретінде, көтерілген еденнің астынан өтеді және таспалық кіші жүйелерге, тікелей қолжетімді сақтау құрылғыларына (DASD), терминал концентраторларына және басқа ESA/390 жүйелеріне қосылған үлкен құрылғылардағы арна интерфейстеріне тікелей қосылады.

The reference implementation of channel I/O is that of the IBM System/360 family of mainframes and its successors, but similar implementations have been adopted by IBM on other lines, e. g., 1410 and 7010, 7030, and by other mainframe vendors, such as Control Data, Bull (General Electric/Honeywell) and Unisys. Computer systems that use channel I/O have special hardware components that handle all input/output operations in their entirety independently of the systems' CPU(s). The CPU of a system that uses channel I/O typically has only one machine instruction in its repertoire for input and output; this instruction is used to pass input/output commands to the specialized I/O hardware in the form of channel programs. I/O thereafter proceeds without intervention from the CPU until an event requiring notification of the operating system occurs, at which point the I/O hardware signals an interrupt to the CPU. A channel is an independent hardware component that coordinates all I/O to a set of controllers or devices. It is not merely a medium of communication, despite the name; it is a programmable device that handles all details of I/O after being given a list of I/O operations to carry out (the channel program). Each channel may support one or more controllers and/or devices, but each channel program may only be directed at one of those connected devices. A channel program contains lists of commands to the channel itself and to the controller and device to which it is directed. Once the operating system has prepared a complete list of channel commands, it executes a single I/O machine instruction to initiate the channel program; the channel thereafter assumes control of the I/O operations until they are completed. It is possible to develop very complex channel programs, including testing of data and conditional branching within that channel program. This flexibility frees the CPU from the overhead of starting, monitoring, and managing individual I/O operations. The specialized channel hardware, in turn, is dedicated to I/O and can carry it out more efficiently than the CPU (and entirely in parallel with the CPU). Channel I/O is not unlike the Direct Memory Access (DMA) of microcomputers, only more complex and advanced. On large mainframe computer systems, CPUs are only one of several powerful hardware components that work in parallel. Special input/output controllers (the exact names of which vary from one manufacturer to another) handle I/O exclusively, and these, in turn, are connected to hardware channels that also are dedicated to input and output. There may be several CPUs and several I/O processors. The overall architecture optimizes input/output performance without degrading pure CPU performance. Since most real world applications of mainframe systems are heavily I/O intensive business applications, this architecture helps provide the very high levels of throughput that distinguish mainframes from other types of computers. In IBM ESA/390 terminology, a channel is a parallel data connection inside the tree like or hierarchically organized I/O subsystem. In System/390 I/O cages, channels either directly connect to devices which are installed inside the cage (communication adapter such as ESCON, FICON, Open Systems Adapter) or they run outside of the cage, below the raised floor as cables of the thickness of a thumb and directly connect to channel interfaces on bigger devices like tape subsystems, direct access storage devices (DASDs), terminal concentrators and other ESA/390 systems.

Каналдарының түрлері

Каналдар бір мезгілде жүзеге асырылатын I/O операцияларының саны мен түріне қарай өзгешеленеді. IBM терминологиясында мультиплексорлық канал бір мезгілде бір құрылғыдан бір байттан бірнеше араласып жүретін баяу жылдамдықты операцияларды қолдайды. Таңдаушы канал бір уақытта бір дерек блогын беруге қабілетті, жоғары жылдамдықты операцияны қолдайды. Блок мультиплексоры бірнеше логикалық түрде қатарлы арна бағдарламаларын қолдайды, бірақ бір мезгілде тек бір жоғары жылдамдықты деректерді беруді жүзеге асырады. Арналар шеткі құрылғыларды сақтау буферлерімен байланыстыру тәсілінде де өзгеше болуы мүмкін. UNIVAC терминологиясында канал ішкі индекспен белгіленген (ISI) немесе сыртқы индекспен белгіленген (ESI) болуы мүмкін, мұнда ISI жағдайында бір уақытта бір буфер және құрылғы белсенді болады, ал ESI жағдайында құрылғы қолданылатын буферді өзі таңдайды.

Канал бағдарламасы

Каналдық бағдарлама — IBM System/360 және одан кейінгі архитектуралардағы I/O каналының ішкі жүйесімен орындалатын арна командалық сөздерінің (CCW) тізбегі. Каналдық бағдарлама бір немесе бірнеше арна командалық сөздерден тұрады. Операциялық жүйе SSCH (кішкентай арнаны бастау) нұсқауларымен I/O каналының ішкі жүйесіне каналдық бағдарламаны орындауды бастау туралы сигнал береді. Одан кейін орталық процессор үзілгенге дейін I/O емес нұсқауларды орындауға болады. Каналдық операциялар аяқталған кезде, канал I/O үзілісі арқылы орталық процессорды тоқтатады. IBM мейнфреймдерінің бұрынғы модельдерінде әрбір канал үшін жеке арна бірлігі болған. Қазіргі заманғы мейнфреймдерде каналдар тәуелсіз RISC процессорларын, яғни канал процессорларын пайдалана отырып іске асырылады, ол барлық каналдар үшін біреу ғана. IBM System/370 Extended Architecture және оның ізбасарлары бұрынғы SIO (I/O бастау) және SIOF (I/O жылдам босатуды бастау) машиналық нұсқауларын (System/360 және System/370-дің алғашқы нұсқалары) SSCH (кішкентай арнаны бастау) нұсқауларымен (ESA/370 және оның ізбасарлары) алмастырды. Каналдық I/O кіріс/шығыс операцияларында айтарлықтай үнемдеуді қамтамасыз етеді. Мысалы, IBM Z-дегі IBM Linux жүйесінде DASD-нің толық жолағын пішімдеу үшін тек бір каналдық бағдарлама (және, демек, тек бір I/O нұсқаулығы) қажет, бірақ бірнеше арна командалық сөздер (әр блок үшін біреу). Бағдарлама арнайы I/O процессормен орындалады, ал қолданба процессор (CPU) басқа жұмыстар үшін бос болады.

Каналға арналған командалық сөздер

Канал командалық сөзі (CCW) – бұл, шын мәнінде, шекті күйдегі машина болып табылатын, арнайы I/O арна процессорына берілетін нұсқау. Ол арнаға қосылған құрылғыда "оқу", "жазу" немесе "сенсорлық түйсіну" сияқты I/O операциясын бастау үшін қолданылады. Канал I/O-ны қолдайтын жүйе архитектураларында, әдетте барлық құрылғылар арналар арқылы қосылады, сондықтан барлық I/O операциялары үшін CCW қолданылуы қажет. CCW операциялық жүйе арқылы арна бағдарламаларына ұйымдастырылады, сондай-ақ I/O кіші бағдарламасы, қосымша бағдарлама немесе жеке бағдарламалық құралдар (мысалы, тесттік және диагностикалық бағдарламалар) арқылы да құрастырылуы мүмкін. Мұндай арна бағдарламаларында "статус модификаторы" арна флагы мен "арна ішіндегі деректерді беру" CCW арқылы шектеулі "тәуелділік" мүмкіндігі, демек, динамикалық бағдарламалау мүмкіндігі қарастырылған.

Тізбектеу

IBM CCW арна бағдарламасын құру үшін тізбектей байланыстырылады. CCW-дегі биттер келесі жад орнында сол арна бағдарламасының бөлігі болатын CCW бар екенін көрсетеді. Арна бағдарламасы әдетте, ерекше жағдай туғанға дейін, арнадағы ауысу (TIC) CCW орындалғанға дейін немесе тізбектеу көрсетілмеген CCW орындалғанға дейін тізбек бойынша CCW-ларды орындайды. Команда тізбегі арнаға келесі CCW жаңа команданы қамтитынын хабарлайды. Дерек тізбегі келесі CCW-де сол команда үшін қосымша деректердің мекенжайы бар екенін көрсетеді, бұл мысалы, бір жазбаның бөліктерін жадтағы бірнеше дерек аймақтарына жазуға немесе оқуға мүмкіндік береді (жинақтау жазу және тарату оқу).

Өзін-өзі өзгертетін арна бағдарламалары

Каналдық бағдарламалар орындалу барысында оқыған деректерге сүйене отырып, өз жұмысын өзгерте алады. Мысалы, өзін-өзі модификациялау OS/360 ISAM жүйесінде кеңінен қолданылады.

Виртуалды сақтау жүйелеріндегі арна бағдарламалары

Көптеген жүйелерде арналар нақты (немесе физикалық) мекенжайларды пайдаланады, ал арна бағдарламалары виртуалды мекенжайларды пайдаланады. Операциялық жүйе осы арна бағдарламаларын орындау алдында аударуға жауапты, және осы мақсат үшін кіріс-шығыс бақылаушысы (IOS) операциялық жүйенің арнайы жылдам түзету функциясына ие, ол OS Supervisor-да салыстырмалы түрде қысқа уақытқа (яғни, «қабырғалық сағат уақытынан» әлдеқайда қысқа) «түзетулер» үшін арналған. I/O операциясы үшін қолданылатын деректерді қамтитын беттер нақты жадқа құлыпталады немесе беттер бекітіледі. Арна бағдарламасы көшіріледі және I/O операциясы басталар алдында барлық виртуалды мекенжайлар нақты мекенжайлармен алмастырылады. Операция аяқталғаннан кейін беттер бекітілуі тоқтатылады. Бетті бекіту және бекітілуін тоқтату процессорды көп шығынға түсіретін процесс болғандықтан, ұзақ мерзімді бетті бекіту кейде процессорлық шығындарды азайту үшін қолданылады. Бұл жағдайда виртуалды жад әр I/O операциясы үшін бекітіліп, босатылудың орнына, қосымшаның өмір сүру ұзақтығына бекітілген беттер болып табылады. Мысалы, Db2 бағдарламасы ұзақ мерзімді бетті бекітуді пайдалана алады. Ұзақ мерзімді бетті бекітуге балама ретінде, барлық дерек буферлерін қоса, қосымшаның өзін негізгі жадтың таңдалған аймағына жылжыту мүмкіндігі бар. Бұл MVS/370 және z/OS операциялық жүйелерінде арнайы SYSEVENT арқылы жүзеге асырылады, онда қосымша бірінші кезекте, ықтимал артықшылықты емес аймақтан, қайда болса да, ауыстырылып, сыртқы жадқа ауыстырылады және беттеледі, ал екінші кезекте артықшылықты аймаққа ауыстырылады (SYSEVENT TRANSWAP). Содан кейін қосымшаға тағы бір арнайы SYSEVENT (SYSEVENT DONTSWAP) арқылы ауыстырылмайды деп белгі қоюға болады. Мұндай қосымша қалыпты немесе қалыптан тыс аяқталған кезде, егер ол бұрын жасалмаса, операциялық жүйе қосымша атынан тағы бір арнайы SYSEVENT жібереді (SYSEVENT OKSWAP).

І/С арнасымен жүктеу

Тіпті жүйенің бастапқа дейін жеткізілуі немесе IBM терминологиясында бастапқы бағдарламалық жүктеме (IPL) арналар арқылы жүзеге асырылады, бірақ процесс CPU-мен ішінара симуляцияланады, яғни, имплицитті I/O бастау (SIO) нұсқауы, 0 мекенжайда орналасқан имплицитті арна адресі сөзі (CAW) және 0 мекенжайда орналасқан Read IPL опкоды бар имплицитті арна командасы сөзі (CCW) арқылы. Командалық тізбектеме қолданылады, сондықтан 0 мекенжайдағы CCW 8 және 16 мекенжайлардағы арна бағдарламасының жалғасына өтеді, және егер сол CCW-лердің бірі арнада орындалатын (TIC) операция болса, басқа мекенжайларға да өтуі мүмкін. Жүйені жүктеу үшін, Read IPL CCW таңдалған IPL құрылғысының бірінші блогын 0 мекенжайдағы 24 байттық дерек аймағына оқиды, арна екінші және үшінші екі сөзбен жалғасады, олар CCW болып табылады, және бұл арна бағдарламасы жүйелік жүктеу бағдарламасының бірінші бөлігін негізгі жадта басқа жерге жүктейді. Бірінші екі сөз PSW-ні қамтиды, ол IPL аяқталғанда алынғанда CPU-дың CCW арқылы оқылған IPL мәтінін (bootstrap жүктеушісін) орындауына себеп болады. Содан кейін IPL мәтіні операциялық жүйенің Ядросына орналасады, оны жүктейді және басқаруды тапсырады. Ядро қажетті инициализацияны орындайды немесе бастайды, содан кейін қалыпты ОЖ операцияларын бастайды. Бұл IPL тұжырымы құрылғыдан тәуелсіз. Ол карталар жинағынан, магниттік лентадан немесе тікелей қолжетімді сақтау құрылғысынан (DASD), мысалы, дискіден, барабаннан IPL-ді жүктеуге қабілетті. CPU-мен симуляцияланатын Read IPL (X'02') командасы, карта оқығышында Read EBCDIC Select Stacker 1 командасы және ленталық медиада Read командасы (қолжетімділік жағынан тікелей қолжетімділікпен сипатталатын), бірақ DASD-де арнайы Read IPL командасы болып табылады. DASD контроллерлері X'02' командасын қабылдайды, X'0000' цилиндрінің X'0000' басына, индекстік нүктеге (яғни, трек сипаттама жазбасынан (R0) өткеннен кейін) өтеді, содан кейін Read IPL командасын Read Data (X'06') командасы ретінде қарастырады. Осы арнайы DASD контроллерлік мінез-құлқы болмаса, құрылғыдан тәуелсіз IPL мүмкін емес. DASD-де IPL мәтіні X'0000' цилиндрінде, X'0000' трегінде және X'01' жазбасында (24 байт), сондай-ақ X'0000' цилиндрінде, X'0000' трегінде және X'02' жазбасында (өте үлкен, әрине, 3000 байттан астам) сақталады. Көлемдік белгі әрқашан X'0000' цилиндрінде, X'0000' трегінде және X'03' блогында (80 байт) орналасады. Көлемдік белгі әрқашан HHHH түріндегі VTOC-қа сілтеме береді (яғни, VTOC алғашқы 65 536 тректің ішінде орналасуы керек). VTOC-тің 4-форматты DSCB VTOC-тің көлемін (өлшемін) анықтайды, сондықтан көлемдік белгіге VTOC-тің көлеміндегі бірінші трекке сілтеме жасау жеткілікті, ал VTOC-ті сипаттайтын 4-форматты DSCB әрқашан VTOC-тің ең бірінші DSCB-і болғандықтан, HHHH сондай-ақ 4-форматты DSCB-ге сілтеме жасайды. Егер IPL Text-пен инициализацияланбаған құрылғыдан IPL-ді жүргізуге тырысылса, жүйе күту күйіне енеді. DASD (тікелей қолжетімді сақтау құрылғысы) инициализациялау бағдарламасы, IBCDASDI немесе DASD инициализациялау қолданбасы, ICKDSF, егер құрылғы тек деректерге арналған болса, IPL үшін емес, 24 байтқа күту күйіндегі PSW және жалған CCW тізбегін орналастырады, содан кейін бұл бағдарламалар VTOC форматын жасайды және басқа да дискіні инициализациялау функцияларын орындайды.

Even bootstrapping of the system, or Initial Program Load (IPL) in IBM nomenclature, is carried out by channels, although the process is partially simulated by the CPU through an implied Start I/O (SIO) instruction, an implied Channel Address Word (CAW) at location 0 and an implied channel command word (CCW) with an opcode of Read IPL, also at location 0. Command chaining is assumed, so the implied CCW at location 0 falls through to the continuation of the channel program at locations 8 and 16, and possibly elsewhere should one of those CCWs be a transfer in channel (TIC). To load a system, the implied Read IPL CCW reads the first block of the selected IPL device into the 24 byte data area at location 0, the channel continues with the second and third double words, which are CCWs, and this channel program loads the first portion of the system loading software elsewhere in main storage. The first double word contains a PSW which, when fetched at the conclusion of the IPL, causes the CPU to execute the IPL Text (bootstrap loader) read in by the CCW at location 8. The IPL Text then locates, loads and transfers control to the operating system's Nucleus. The Nucleus performs or initiates any necessary initialization and then commences normal OS operations. This IPL concept is device independent. It is capable of IPL ing from a card deck, from a magnetic tape, or from a direct access storage device, (DASD), e. g., disk, drum. The Read IPL (X'02') command, which is simulated by the CPU, is a Read EBCDIC Select Stacker 1 read command on the card reader and a Read command on tape media (which are inherently sequential access in nature), but a special Read IPL command on DASD. DASD controllers accept the X'02' command, seek to cylinder X'0000' head X'0000', skip to the index point (i. e., just past the track descriptor record (R0)) and then treat the Read IPL command as if it were a Read Data (X'06') command. Without this special DASD controller behavior, device independent IPL would not be possible. On a DASD, the IPL Text is contained on cylinder X'0000', track X'0000', and record X'01' (24 bytes), and cylinder X'0000', track X'0000', and record X'02' (fairly large, certainly somewhat more than 3,000 bytes). The volume label is always contained on cylinder X'0000', track X'0000', and block X'03' (80 bytes). The volume label always points to the VTOC, with a pointer of the form HHHH (that is, the VTOC must reside within the first 65,536 tracks). The VTOC's Format 4 DSCB defines the extent (size) of the VTOC, so the volume label only needs a pointer to the first track in the VTOC's extent, and as the Format 4 DSCB, which describes the VTOC, is always the very first DSCB in the VTOC, HHHH also points to the Format 4 DSCB. If an attempt is made to IPL from a device that was not initialized with IPL Text, the system simply enters a wait state. The DASD (direct access storage device) initialization program, IBCDASDI, or the DASD initialization application, ICKDSF, places a wait state PSW and a dummy CCW string in the 24 bytes, should the device be designated for data only, not for IPL, after which these programs format the VTOC and perform other hard drive initialization functions.