Британдық ICL 2900 сериялы жүйелері

Кіріспе

Ұлыбританияның орталық компьютерлік жүйелері

ICL 2900 сериясы – британдық өндіруші International Computers Limited компаниясының 1974 жылғы 9 қазанда жариялаған орталық компьютерлік жүйелерінің қатары. Компания 1968 жылы құрылғаннан кейін бірден "New Range" деген атпен әзірлеу жұмыстарын бастады. Бұл серия компанияның бұрынғы машиналарымен де, бәсекелес машиналарымен де үйлесімді болу үшін жасалмаған; оның орнына, ол әртүрлі көздерден алынған ең жақсы идеяларды біріктіретін жаңа, синтетикалық нұсқа ретінде жобаланды. 2900 сериясы 1980-ші жылдардың ортасында 39 сериясымен алмастырылды, бірақ 39 сериясы 2900 сериясының архитектурасын іске асырған жаңа машиналар жиынтығы болды, ал "Триметра" таңбасымен шығарылған ICL машиналары да осы архитектураны қолданды.

Шығу тегі

ICL 1968 жылы International Computers and Tabulators (ICT) компаниясының English Electric Leo Marconi және Elliott Automation компанияларымен бірігуі нәтижесінде құрылғанда, компания болашақ өнімдер қатары үшін бірнеше мүмкіндікті қарастырды. Оларға ICT-нің 1900 сериясын немесе English Electric System 4 жүйесін жаңарту, сондай-ақ Дж.К. Илиффтың Basic Language Machine негізіндегі әзірлеме кірді. Соңында таңдалған нұсқа – «Синтетикалық нұсқа» деп аталды: жаңа дизайн бастапқыда толығымен жаңадан жобаланды. Аты айтқандай, бұл жобаға ICL-дің бұрынғы машиналарының ішінде көптеген көздер әсер етті. Burroughs мейнфреймдерінің дизайны үлкен әсер еткенімен, ICL жоғары деңгейдегі бір тілге дизайнды оңтайландыру идеясын қабылдамады. Multics жүйесі қорғау саласындағы сияқты басқа да идеяларды ұсынды. Дегенмен, ең маңызды сыртқы ықпал, әлдебір Манчестер университетінде жасалған MU5 машинасы болды.

Виртуалды машина

2900 сериялы архитектура бағдарламаға қолжетімді ресурстар жиынтығы ретінде виртуалды машина тұжырымдамасын пайдаланады. 2900 сериялы архитектурадағы виртуалды машина тұжырымдамасы басқа орталарда қолданылатын терминнен өзгеше. Әрбір бағдарлама өз виртуалды машинасының ішінде іске қосылатындықтан, бұл тұжырым басқа операциялық жүйелердегі процестерге ұқсас, бірақ 2900 сериялы процесі көбірек жіпке (thread) жақын. Виртуалды машинадағы ең негізгі ресурс – виртуалды жад (memory). Басқа ресурстарға шеткі құрылғылар, файлдар және желілік қосылымдар кіреді. Виртуалды машинада код қорғаудың он алты деңгейінде жұмыс істей алады, бұл деңгейлерге кіру деңгейлері (access levels) немесе ACR деңгейлері (Access Control Register – кіруді бақылау тізілімі) дейді. Операциялық жүйе кодынң ең жоғары құқықты деңгейлері (ядро) пайдаланушы бағдарламасымен бірдей виртуалды машинада жұмыс істейді, сондай-ақ файлдық сақтауға қол жеткізу және желілік байланысты жүзеге асыратын кіші жүйелер сияқты аралық деңгейлер де осылай жұмыс істейді. Жүйелік шақырулар қорғау деңгейін өзгертуді қамтиды, бірақ басқа виртуалды машинадағы кодты шақыру үшін артық шығынға түспейді. Әрбір код модулі белгілі бір кіру деңгейінде орындалады, төменгі деңгейдегі (жоғары құқықты) код ұсынатын функцияларды шақыра алады, бірақ сол деңгейдегі жадқа немесе басқа ресурстарға тікелей қол жеткізе алмайды. Осылайша, архитектура жүйелік қауіпсіздікті қамтамасыз ететін енгізілген капсулация механизмін ұсынады. Жад сегменттері виртуалды машиналар арасында ортақ пайдаланылуы мүмкін. Ортақ жадтың екі түрі бар: операциялық жүйе пайдаланатын (барлық виртуалды машиналарда болатын) жалпы сегменттер және қолданба деңгейіндегі ортақ деректер үшін пайдаланылатын жаһандық сегменттер. Соңғы механизм екі виртуалды машинаның байланысу қажеттілігі болған жағдайда ғана қолданылады. Мысалы, жаһандық жад сегменттері дерекқорындағы құлыптау кестелері үшін қолданылады. Мұндай сегменттерге қол жеткізуді синхрондау үшін аппараттық семафорлар қол жетімді. Бір қызықты жайт – екі виртуалды машина жаһандық сегментті ортақ пайдаланғанда, бірдей жад орны үшін әртүрлі виртуалды мекенжайларды қолданады, сондықтан виртуалды мекенжайларды бір виртуалды машинадан екіншісіне қауіпсіз түрде беруге болмайды. ICL 2900 сериялы және ICL 39 сериялы машиналарда орталық процессор (CPU) үшін "Order Code Processor" (OCP) термині қолданылады.

The 2900 Series architecture uses the concept of a virtual machine as the set of resources available to a program. The concept of a virtual machine in the 2900 Series architecture differs from the term as used in other environments. Because each program runs in its own virtual machine, the concept may be likened to a process in other operating systems, while the 2900 Series process is more like a thread. The most obvious resource in a virtual machine is the virtual store (memory). Other resources include peripherals, files, and network connections. In a virtual machine, code can run in any of sixteen layers of protection, called access levels (or ACR levels, after the Access Control Register which controls the mechanism). The most privileged levels of operating system code (the kernel) operate in the same virtual machine as the user application, as do intermediate levels such as the subsystems that implement filestore access and networking. System calls thus involve a change of protection level, but not an expensive call to invoke code in a different virtual machine. Every code module executes at a particular access level, and can invoke the functions offered by lower level (more privileged) code, but does not have direct access to memory or other resources at that level. The architecture thus offers a built in encapsulation mechanism to ensure system integrity. Segments of memory can be shared between virtual machines. There are two kinds of shared memory: public segments used by the operating system (which are present in all virtual machines), and global segments used for application level shared data: this latter mechanism is used only when there is an application requirement for two virtual machines to communicate. For example, global memory segments are used for database lock tables. Hardware semaphore instructions are available to synchronise access to such segments. A minor curiosity is that two virtual machines sharing a global segment use different virtual addresses for the same memory locations, which means that virtual addresses cannot safely be passed from one VM to another. The term used in the ICL 2900 Series and ICL Series 39 machines for central processing unit (CPU) is "Order Code Processor" (OCP).

Адрестік механизмдер

2900 архитектурасы аппараттық негіздегі шақыру стегін қолдайды, жоғары деңгейдегі тіл бағдарламаларын, әсіресе рекурсивті функцияларды шақыруға мүмкіндік беретін тиімді құрал ұсынады. Бұл сол кездегі болашаққа бағытталған шешім болды, себебі бастапқыда басым бағдарламалау тілдері COBOL және FORTRAN болады деп күтілді. Архитектура стекті пайдалана отырып процедураларды шақыру механизмдерін және стек жоғарғы жағына және ағымдағы стек фреймінің негізіне жүгіну үшін арнайы тіркелімдерді ұсынады. Жинақталмаған деректер әдетте дескриптор арқылы қарастырылады. Бұл 64 биттік құрылым, ішінде 32 биттік виртуалды мекенжай және 32 биттік басқару ақпараты бар. Басқару ақпараты адрестелетін аймақтың код немесе деректер екенін анықтайды; деректер болған жағдайда адрестелетін элементтердің көлемі (1, 8, 32, 64 немесе 128 бит); аппараттық массив шегін тексеру қажеттігін көрсететін белгі; және басқа да түрлі жетілдірулер. 32 биттік виртуалды мекенжай 14 биттік сегмент нөмірінен және сегмент ішіндегі 18 биттік ығыстырудан тұрады. Кодты орындау 2900 архитектурасының тікелей бөлігі емес. Осы факт басқа машиналарды олардың нұсқаулар жиынтығын микрокодтау арқылы эмуляциялау үшін пайдаланылды. Дегенмен, іс жүзінде 2900 сериясының барлық машиналары PLI (Primitive Level Interface) деп аталатын ортақ кодты орындау немесе нұсқаулар жиынтығын іске асырады. Бұл негізінен жоғары деңгейдегі тілдердің компиляторлары үшін мақсат ретінде жасалған. 2980 және 2988 сияқты ең қуатты машиналар барлық нұсқауларды аппараттық құралдарда орындады, ал қалғандары микрокодталған бағдарламалық жасақтаманы қолданды. Әрқайсысы белгілі бір мақсатқа арналған бірнеше тіркелімдер бар. Аккумуляторлық тіркелім (ACC) жалпы мақсатта қолдануға арналған және көлемі 32, 64 немесе 128 бит болуы мүмкін. B тіркелімі массивтерге индекстеу үшін қолданылады; LNB (Local Name Base) тіркелімі ағымдағы стек фреймінің негізіне, ал SF (Stack Front) тіркелімі стек жоғарғы жағына бағыттайды; DR тіркелімі үймеге адрестеу үшін дескрипторларды сақтауға қолданылады, және т.б. Сонымен қатар, стекке сырттағы деректерге екі 32 биттік сілтеме бар; XNB (eXtra Name Base) және LTB (Linkage Table Base). PLI нұсқауларымен танылатын дерек форматтарына 32 биттік белгісіз бүтін сандар; 32 биттік және 64 биттік екілік толықтырғыш бүтін сандар; 32 биттік, 64 биттік және 128 биттік қалқымалы нүктелер; және 32 биттік, 64 биттік және 128 биттік жинақталған ондық сандар жатады. C және UNIX конвенциясына қайшы, логикалық мән true нөл ретінде, ал false минус бір ретінде көрсетіледі. Сөздер 8 биттік таңбалар массиві ретінде сақталады, олар әдетте EBCDIC кодировкасында жазылады (бірақ ICL-дің EBCDIC-і IBM нұсқасынан шағын айырмашылықтарға ие). EBCDIC орнына ISO (негізінен ASCII) пайдалануға болады, артықшылықты тіркелімде басқару битін орнату арқылы; басқа нәрселермен қатар, бұл кейбір ондық түрлендіру нұсқауларына әсер етеді. PLI нұсқауларының кейбіреулері, әсіресе процедураларды шақыруға арналғандары, өте қуатты (әсіресе жүйелік шақырулар), сондықтан 2900 сериясындағы нұсқаулар орындалу жылдамдығы бәсекелестердің аппараттық құралдарымен тікелей салыстырылмайды. ICL маркетингтік материалдарында "IBM эквивалентті MIPS" тұжырымы қолданылды, яғни қолданбалық өлшемдерде бірдей өнімділікке қол жеткізген IBM мейнфреймінің MIPS рейтингі. 2900 архитектурасының тиімділігі, әсіресе жүйелік шақырулардың шығындарын болдырмауы, салыстырмалы түрде баяу аппараттық өнімділікті өтеді.

The 2900 architecture supports a hardware based call stack, providing an efficient vehicle for executing high level language programs, especially those allowing recursive function calls. This was a forward looking decision at the time, because it was expected that the dominant programming languages would initially be COBOL and FORTRAN. The architecture provides built in mechanisms for making procedure calls using the stack, and special purpose registers for addressing the top of the stack and the base of the current stack frame. Off stack data is typically addressed via a descriptor. This is a 64 bit structure containing a 32 bit virtual address and 32 bits of control information. The control information identifies whether the area being addressed is code or data; in the case of data, the size of the items addressed (1, 8, 32, 64, or 128 bits); a flag to indicate whether hardware array bound checking is required; and various other refinements. The 32 bit virtual address comprises a 14 bit segment number and an 18 bit displacement within the segment. The order code is not strictly part of the 2900 architecture. This fact has been exploited to emulate other machines by microcoding their instruction sets. However, in practice, all machines in the 2900 series implement a common order code or instruction set, known as the PLI (Primitive Level Interface). This is designed primarily as a target for high level language compilers. The most powerful machines, such as the 2980 and 2988, implemented all instructions in hardware, whereas the others used microcoded firmware. There are several registers, each designed for a special purpose. An accumulator register (ACC) is available for general purpose use, and may be 32, 64, or 128 bits in size. The B register is used for indexing into arrays; the LNB (Local Name Base) register points to the base of the current stack frame, with the SF (Stack Front) register pointing to the movable 'top' of the stack; the DR register is used for holding descriptors for addressing into the heap, and so on. There are also two 32 bit pointers to off stack data; XNB (eXtra Name Base) and LTB (Linkage Table Base). Data formats recognized by the PLI instructions include 32 bit unsigned integers; 32 bit and 64 bit twos complement integers; 32 bit, 64 bit and 128 bit floating point; and 32 bit, 64 bit, and 128 bit packed decimal. Contrary to C and UNIX convention, the boolean value true is represented as zero and false is represented as minus one. Strings are stored as arrays of 8 bit characters, conventionally encoded in EBCDIC (although ICL's EBCDIC has minor variations from IBM's version). It is possible to use ISO (essentially ASCII) instead of EBCDIC by setting a control bit in a privileged register; among other things, this affects certain decimal conversion instructions. Because some of the PLI instructions, notably those for procedure calling, are very powerful (especially system calls), instruction rates on the 2900 Series are not always directly comparable with those on competitors' hardware. ICL marketing literature tended to use the concept of "IBM equivalent MIPS", being the MIPS rating of an IBM mainframe that achieved the same throughput in application benchmarks. The efficiencies achieved by the 2900 architecture, notably the avoidance of system call overheads, compensated for relatively slow raw hardware performance.

P (паралель) сериясы

2900 сериясында алғаш жарияланған машиналар 2980 және 2970 болды. 2980 бір немесе екі тапсырыс кодты процессорларды (OCP) қолдады, олардың әрқайсысы секундына 3 миллион нұсқау орындай алатын, ал нақты жады 8 мегабайтқа дейін конфигурацияланатын, 500 наносекундтық қолжетімділік уақыты бар. 2980 бастапқыда ICL-дің New Range негізгі компьютерлерінің ең қуаттысы болды. OCP-ден басқа, ол бірнеше жадты басқару контроллерінен (SMAC) және бір немесе бірнеше жадты қолжеткізу контроллерінен (SAC), жалпы перифериялық контроллерден (GPC), бір немесе бірнеше дискілік файл контроллерлерінен (DFC) және байланыс желісі контроллерінен (CLC) тұратын, сонымен қатар дискілік жетектер (әдеттегі конфигурацияда сегіз EDS 200 жетегі болар еді), магниттік ленталар, операциялық станция (OPER), желілік принтерлер және карта оқу құрылғылары болды. Ол ICL VME (VME/B, VME/K) немесе Эдинбург көп қолжеткізу жүйесін (EMAS) операциялық жүйесін іске қоса алатын. Типтік 2980 конфигурациясының құны шамамен 2 миллион фунт стерлинг (1977 жылғы 2,0 фунт стерлинг шамамен қазіргі жылдары миллионға жуық теңгеге баламалы) болатын. 2980-нен айырмашылығы, 2970 және одан кейінгі 2960 микрокодталған, сондықтан бұрынғы 1900 сериясы немесе System 4 сияқты нұсқаулар жиынтығын эмуляциялауға мүмкіндік берді. 2900 сериялы машина бірнеше функционалдық модульдерден құралған, олардың әрқайсысы жеке шкафқа орналастырылған. Перифериялық құрылғылар ICL-дің Primitive Interface (Socket/Plug және кабель жиынтығы) арқылы SMAC-тағы порт адаптеріне қосылды. Логикалық адрестеу қолданылды және жүйелік компоненттерді порттар, магистральдар және ағындар тұрғысынан анықтау үшін топтық схема пайдаланылды. Магистраль – бұл порт ішіндегі перифериялық контроллерге тағайындалған жалпы атау және аппараттық мекенжай. Магистраль – бірнеше ағын құрылғыларының контроллерінің жалпы атауы. Ағын – бұл жеке перифериялық құрылғыларға сілтеме жасалатын каналдың жалпы атауы. 2960 сериясының жүктелу процесі ерекше атауға лайық: OCP шағын OPER терминалы мен кассеталық жетегін қамтыды. Жүктелу кезінде OCP өзінің бастапқы бағдарламалық жүктемесін (IPL) тағайындалған IPL құрылғысынан орындайтын. IPL коды OCP-ге жүйенің аппараттық конфигурациясын анықтау үшін ағындар, магистральдар және порттар бойынша іздеу арқылы микрокод жиынтығы және/немесе іске қосылатын операциялық жүйе үшін әдепкі немесе қолмен таңдалған жүктеу құрылғысын табуға мүмкіндік берді. Бұл процесс GROPE немесе перифериялық жабдықтардың жалпы барлау деп аталды. Кассеталық жүктеу әдісі инженерлік қызметкерлерге диагностикалық бағдарламаны жүктеуге және орындауға мүмкіндік берді.

The first machines announced in the 2900 Series were the 2980 and 2970. The 2980 allowed one or two order code processors (OCPs), each operating at up to 3 million instructions per second, with real memory configurable up to 8 megabytes, with a 500 nanosecond access time. The 2980 was initially the most powerful of ICL's New Range mainframe computers. In addition to the OCPs, it consisted of a store multiple access controller (SMAC) and one or more store access controllers (SAC), a general peripheral controller (GPC), one or more disc file controllers (DFC) and a communications link controller (CLC), together with disc drives (a typical configuration would have eight EDS 200 drives), tape decks, an operating station (OPER), line printers, and card readers. It could run the ICL VME (VME/B, VME/K) or the Edinburgh Multiple Access System (EMAS) operating system. A typical 2980 configuration would cost about £2 million (equivalent to £2.0 in 1977 is equivalent to about <calculated amount> in recent years million in ). Unlike the 2980, the 2970 and the subsequent 2960 were microcoded, and thus allowed emulation of instruction sets such as that of the older 1900 Series or the System 4. A 2900 Series machine was constructed from a number of functional modules, each contained in a separate cabinet. Peripheral devices were connected using ICL's Primitive Interface (Socket/Plug and cable set) to a Port Adapter on the SMAC. Logical addressing was employed and used a group scheme to identify system components in terms of Ports, Trunks, and Streams. A Trunk was a generic name and a hardware address within a Port to which a peripheral controller would be assigned. A Trunk was a generic name for a controller for a number of Stream devices. A Stream was the generic name for the channel under which individual peripheral devices could be referenced. The boot process for the 2960 Series merits special mention: the OCP contained a mini OPER terminal and a cassette deck. At boot, the OCP would perform its Initial Program Load (IPL) from the nominated IPL device. The IPL code provided the means for the OCP to discover the system's hardware configuration by enquiring down the Stream(s), Trunk(s), and Port(s) to find the default or manually elected boot device for the microcode set and/or Operating System to be booted. This process was called a GROPE or General Reconnaissance Of Peripheral Equipment. The cassette load method also allowed engineering staff to load and execute diagnostic software.

S (сериялық) сериясы

Алғашқы машиналар кейіннен 2966 орта деңгейдегі конструкцияға негізделген машиналар отбасымен ауыстырылды, оларды жасауға шығын аз болды және параллель емес, тізбектік байланыстар қолданылды. 2966 үлгісінің өнімділігі 2988 және 2958 үлгілеріне дейін арттырылды, сондай-ақ екі процессорлы нұсқалармен толықтырылып, өнімділіктің барлық диапазонын қамтыды.