Полнофункциональные другие ОС мейнфреймов (VSE, z/OS и ее предшественники, Linux for zSeries), выполняющиеся "не зная" о существовании гипервизора.

Те же ОС, но адаптированные для выполнения в среде ВМ, адаптация состоит в том, что исключается дублирование функций в гипервизоре и супервизоре.

Гостевой ОС может быть другая (вторичная) CP, которая распределяет выделенное ей подмножество ресурсов между своими ВМ и своими гостевыми ОС, среди которых в свою очередь могут быть CP и т.д.

Рисунок 12.7 CP и виртуальные машины

Определение ВМ является квазипостоянным: оно создается один раз, а затем используется многократно. Определение ВМ сохраняется в каталоге CP, основным содержанием элемента каталога CP является описание ресурсов, выделяемых ВМ. При запуске ВМ на выполнение CP на основе элемента каталога строит Блок Определения Виртуальной Машины - VMDBLK (Virtual Machine Definition BLocK), в котором содержится описание ресурсов ВМ (либо непосредственно в VMDBLK, либо как ссылки на другие управляющие блоки) и их текущего состояния. Если для ВМ создается несколько виртуальных процессоров, то для каждого процессора создается свой VMDBLK, но только один из VMDBLK каждой ВМ является базовым - тот, который содержит описание памяти ВМ. Свой VMDBLK имеет также и CP. Все VMDBLK связаны в кольцевой список.

Управление памятью

Возможно, главным ресурсом, которым управляет CP, является реальная память, и с этой точки зрения CP может создавать ВМ трех типов:

Тип V=V - ВМ, которой выделяется только виртуальная память, требуемый размер памяти дя ВМ обеспечивается за счет динамической трансляции адресов и страничного свопинга.

Тип V=F - ВМ, которой выделяется непрерывная область реальной памяти. Эта область исключается из страничного обмена, но динамическая трансляция адресов для ВМ V=F применяется, так как виртуальное адресное пространство ВМ начинается с адреса 0, а в реальной памяти область, выделяемая для ВМ V=F, начинается не с 0. ВМ типа V=F обладают преимуществом в производительности перед ВМ V=V.

Тип V=R - ВМ, которой выделяется непрерывная область реальной памяти, начиная с адреса 0. Эта память исключается из страничного обмена и для нее не применяется динамическая трансляция адресов. Кроме того, ВМ V=R может выполнять некоторые привилегированные операции на реальном оборудовании. Очевидно, что производительность ВМ этого типа наивысшая.

ВМ двух последних типов называются привилегированными. В настоящее время CP допускает одновременное функционирование не более шести привилегированных ВМ, из которых только одна может быть типа V=R, тогда как число одновременно работающих ВМ типа V=V может исчисляться десятками тысяч. Работа привилегированных ВМ резко отрицательно сказывается на производительности всех других VM, поэтому эти типы ВМ создаются только при наличии действительной необходимости в них (например, для задач реального времени).

Если под управлением CP работают только ВМ типа V=V, то ядро CP занимает нижнюю часть реальной памяти (начиная с адреса 0). Вся реальная память выше ядра отводится под динамическую страничную область, которая подвергается страничному обмену. Если же под управлением CP работают наряду с ВМ типа V=V и привилегированные ВМ, то нижняя часть реальной памяти отводится под область V=R. Часть этой области, начиная с адреса 0, занимает единственная ВМ типа V=R, остальная часть области распределяется между ВМ типа V=F. Выше области V=R размещается ядро CP, а еще выше - динамическая страничная область.

Динамическая страничная область содержит:

управляющие блоки СP;

нерезидентные модули CP;

блоки управления памятью CP;

буферы для спулинга и файловой системы;

префиксные страниц для реальных процессоров;

свободные страничные кадры;

страницы ВМ типа V=V.

В архитектуре z/VM различаются три уровня памяти:

память первого уровня - реальная память;

для каждой ВМ CP строит виртуальное адресное пространство - память второго уровня;

с точки зрения гостевой ОС память второго уровня является реальной памятью, и гостевая ОС строит для своих процессов виртуальные адресные пространства - память третьего уровня.

Виртуальная память ВМ состоит из сегментов. Для каждой ВМ строится своя таблица сегментов. При размере виртуальной памяти ВМ до 32 Мбайт таблица сегментов находится непосредственно в VDMBLK, при большем размере - для нее выделяются дополнительные страницы (по 1 странице на каждые 1024 Мбайт виртуальной памяти). С каждой таблицей сегментов связана собственная таблица страниц.

Страницы, размещаемые в динамической страничной области, подвергаются вытеснению и подкачке. CP ведет общий список свободных страничных кадров и списки используемых страничных кадров для каждой ВМ.

Список свободных страничных кадров пополняется при необходимости и обрабатывается по дисциплине LIFO.

Списки используемых страничных кадров ВМ обрабатываются по дисциплине рабочего набора. Этот сисок периодически переупорядочивается по частоте использования. После каждого такого переупорядочивания в списке устанавливается промежуточный указатель - на начало той части списка, в которой располагаются дескрипторы кадров, к которым не было обращения со времени последнего переупорядочивания. Первая часть списка составляет рабочий набор ВМ, вторая - страницы-кандидаты на перенос в список свободных страничных кадров.

Если размер списка свободных страничных кадров достигает установленной нижней границы, происходит пополнение списка. Список пополняется до тех пор, пока его размер не достигнет верхней установленной границы. Это может потребовать неоднократного просмотра списков страничных кадров ВМ, каждый следующий просмотр предъявляет более жесткие требования к состоянию страницы и ВМ, которой страничный кадр принадлежит.

При выделении для ВМ виртуальной памяти предусмотрены два механизма: выделение блока памяти произвольного размера и выделение блока из подпула. Выделение блока произвольного размера происходит традиционными методами. Выделение из подпула выполняется быстрее произвольного и применяется для выделения памяти (как правило, неявного) для управляющих блоков, создаваемых для ВМ. В этом случае выделяется один из заранее заготовленных блоков стандартного размера.

Диспетчеризация ВМ

При работе на двух- и более процессорной конфигурации реальной системы для ВМ типа V=R по умолчанию выделяется отдельный процессор. Для ВМ типа V=F отдельный процессор может быть выделен, но по умолчанию это не делается.

CP может моделировать многопроцессорную конфигурацию для ВМ, но при создании ВМ с большим числом процессоров, чем имеется в реальной системе, производительность такой ВМ падает, поэтому такой прием применяется только при отладке гостевых ОС и другого программного обеспечения, рассчитанного на многопроцессорную конфигурацию.

Единицей диспетчеризации с точки зрения распределения процессорного обслуживания является ВМ. Основной целью обслуживания является справедливое распределение процессорного времени между ВМ. СP поддерживает три очереди ВМ на процессорное обслуживание:

диспетчерскую очередь, d-список (dispatch list), ВМ состоящие в диспетчерской очереди, получают процессор в режиме разделения времени, мы называли такие процессы готовыми;

очередь готовых ВМ, e-список (eligible list), которые исключены из диспетчеризации из-за нехватки ресурса памяти;

список "спящих" ВМ (dormant list).

Готовыми здесь называются те ВМ, которые требуют выполнения какой-либо процессорной транзакции. "Спящие" ВМ процессорного обслуживания не требуют.

Все ВМ распределяются по четырем классам обслуживания:

критические - те, для которых гарантируется отсутствие ожидания в e-списке (класс 0);

очень интерактивные - выполняющие короткие транзакции (класс 1);

интерактивные - выполняющие транзакции средней длительности (класс 2);

неинтерактивные - выполняющие длинные транзакции (класс 3).

Класс с меньшим номером имеет более высокий приоритет в e-списке. В d-списке приоритеты перевычисляются динамически через каждый квант времени. При перевычислении кванта принимается во внимание:

внешний приоритет ВМ;

время ожидания в d-списке;

интерактивная добавка для класса 1;

страничная добавка - единоразовая добавка к приоритету, назначаемая для ВМ класса 2 или 3 при задержке из-за страничного отказа.

Очередная ВМ из d-списка получает квант процессорного времени, который назначается таким образом, чтобы его время было примерно равно времени выполнения 100000 машинных команд. Если ВМ переходит в состояние ожидания до исчерпания кванта, то она еще остается в d-списке на время, называемое "интервалом проверки ожидания" (300 мсек). Если ВМ выйдет из ожидания до истечения этого интервала, она остается в d-списке и получает возможность использовать недоиспользованный квант. Если время ожидания превосходит интервал проверки, ВМ переводится в список спящих. ВМ за время пребывания в d-списке разрешается трижды воспользоваться интервалом проверки ожидания.

Кроме того, CP также вычисляет для каждой ВМ квант готовности - общее реальное время пребывания ВМ в d-списке. Для ВМ класса 1 этот квант вычисляется системой таким образом, чтобы за время кванта готовности успели завершить свои транзакции 85% ВМ класса 1. Для классов 0 и 2 этот квант в 6 раз больше, чем для класса 1, для класса 3 - в 48 раз больше, чем для класса 1. Если ВМ исчерпала квант готовности, но не завершила транзакцию, она переводится в следующий класс.

Использование рабочего набора не влияет на приоритет ВМ в e-списке, но влияет на перемещение ВМ между d- и e-списками. Если ВМ, находящейся в d-списке, не хватает памяти для размещения своего рабочего набора, в d-списке блокируются все ВМ того же и большего класса. Если ВМ, находящаяся в d-списке, превысила лимит роста своего рабочего набора (кроме ВМ класса 0), она переводится в e-список. Если в e-списке имеется ВМ класса 1, которая запаздывает с переходом в d-список, CP пытается вытеснить из d-списка последние переведенные в него ВМ классов 2 или 3.

В результате такой политики распределения процессорного обслуживания преимущество получают интерактивные ВМ, выполняющие короткие процессорные транзакции.

Виртуальные устройства

ВМ владеет также виртуальными каналами и устройствами. Назначение ВМ виртуального внешнего устройства может быть как постоянным (записанным в соответствующем данной ВМ элементе каталога CP), так и временным. С точки зрения ВМ виртуальное устройство ничем не отличается от реального, оно имеет в ВМ свой физический адрес и ВМ управляет им как реальным устройством.

Некоторые внешние устройства (например, накопители на магнитных лентах) закрепляются за ВМ. Закрепление означает, что устройство используется ВМ в монопольном режиме, и управляющие воздействия, формируемые ВМ для устройства, почти не преобразуются CP. Однако, и в случае закрепления устройство для ВМ является виртуальным. Его адрес в ВМ не совпадает с реальным адресом устройства, CP преобразует адрес устройства в реальный, а также выполняет трансляцию адресов памяти в канальных программах, так как ВМ формирует канальную программу с адресами в своем АП. Как правило, устройства не закрепляются за ВМ постоянно, закрепление происходит при необходимости и отменяется при окончании работы с устройством.

z/VM также широко использует концепцию спулинга. Каждая ВМ имеет свой виртуальный принтер и виртуальные устройства ввода с перфокарт и вывода на перфокарты. Физически эти устройства моделируются очередями на внешней памяти. Если очередь принтера может быть выведена на реальное устройство, то данные из очередей перфокарточных устройств так и остаются на внешней памяти, так как реальные перфокарточные устройства просто уже не существуют. Но эти данные могут пересылаться из выходных очередей в выходные. Механизмы спулинга используются также для организации, так называемых, именованных сегментов памяти (named storage segment). В таких сегментах в области спулинга сохраняются многократно используемые коды и данные, например, образы гостевых ОС.

Каждое реальное дисковое устройство разделяется на несколько областей. Среди таких областей - область системных данных, вторичная память страничного обмена, область спулинга и области минидисков - постоянных и временных. Для обеспечения ВМ внешней памятью CP использует разделение дискового пространства. Каждая ВМ получает в свое распоряжение несколько минидисков. С точки зрения ВМ минидиск выглядит как реальное дисковое устройство с собственным физическим адресом. На самом же деле минидиск - это лишь часть дисковой памяти, выделенная для ВМ в области минидисков на реальном диковом накопителе. Описание минидисков, принадлежащих ВМ (адрес на реальном диске и размер), хранится в каталоге CP. Минидиски могут быть доступными только для чтения или для чтения/записи и использоваться в монопольном или совместном режиме. Обычно каждой ВМ назначается один или несколько минидисков для монопольного использования в режиме чтения/записи, а также разрешается доступ к нескольким минидискам, совместно используемым в режиме чтения (содержащим, например, системные утилиты, средства разработки и т.п.). Наряду с этим, ВМ может получать доступ к минидискам других ВМ - при соответствующей авторизации. Если минидиск разделяется двумя или более ВМ в режиме чтения/записи, то требуются специальные средства для предотвращения конфликтов и потери данных. Наряду с постоянно назначенными для ВМ минидисками, для ВМ могут создаваться и временные минидиски (создаваемые в области временных минидисков на реальном накопителе), и временные виртуальные минидиски (моделируемые буферами в памяти).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19