基于大型主機的計算機組成原理實驗教學改革

高 珍，黃 杰，馮巾松，張冬冬，尹學鋒

（1.同濟大學 軟件學院，上海 201804；2.同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

在計算機學科中，計算機組成原理一直作為核心基礎課程而備受重視，但是課程對硬件知識的高要求使它被公認為枯燥難學的課程，為了加深學生對理論知識的理解，需要輔助實踐環節增強學生掌握課程內容。國內外大學紛紛開展計算機組成原理的課程設計，比如美國斯坦福大學要求學生獨立使用VHDL 語言實現CPU 或VGA顯示控制模塊等，并最終在FPGA 中完成軟硬件調試。

同濟大學采用“口袋”式實驗平臺Xilinx Nexys4 DDR 開發板，學生人手一塊，要求每位學生獨立完成基本邏輯部件、運算部件、指令系統、中央處理器、三級存儲結構及綜合應用實驗，但是，目前國內外的實驗多數還是以驗證性的插箱實驗為主，學生只能從抽象層面理解各部分知識點，知其然而不知其所以然，且當前的實驗設計與改革探索多數集中在中央處理器CPU上[1]，因硬件支撐困難等原因，鮮有存儲管理與輸入輸出通道管理的完整實驗，使實驗教學內容不完整，學生無法從系統層面對計算機的組成原理有深入的理解和掌握。

1 大型主機作為實驗平臺的必要性及可行性分析

1964年IBM公司推出了System/360 計算機，盡管在過去幾十年中計算機的發展速度令人吃驚，但System/360 包含的基本技術概念仍是通用計算機行業骨干的組成部分，System/360 的誕生標志著現代計算時代的來臨，計算機組成原理與計算機系統結構的很多基礎性知識依然是從System/360 而來。

至今，大型主機在全球依然發揮著重要作用，在銀行、金融、醫療、保險、公用事業、政府機關和大量的其他公有及私有企業中，主機繼續構成現代商務的基礎，也因其極高的可用性、可靠性及可維護性，大型主機廣泛應用在我國銀行業。

為了建立大型主機的生態系統，2005 年IBM 公司向國內高校捐贈5 臺IBM z900 主機，與國內高校攜手共建主機課程，同濟大學作為華東地區唯一一所高校加入IBM 大型主機系統教育合作計劃，同濟大學“主機系統教育中心”面向軟件工程學科開設大型主機系列課程，至今已經有14 屆學生選修[2]；2014 年IBM 與同濟大學等6 所高等院校再次合作建設6 個“新一代主機中心”，對大型主機進行了更新換代；2019 年同濟大學首次在IBM 公司的支持下采用開源技術建設了大型主機虛擬仿真實驗平臺，主機教學不再受制于高昂的硬件采購及維護費用，基于虛擬主機平臺進行計算機課程的日常教學成為可能。

2 虛實結合的實驗架構

在計算機組成原理傳統的教學方法[3-4]中，授課教師以理論講述為主，實驗以驗證性的插箱實驗為主，學生只能從抽象層面理解各部分知識點，知其然而不知其所以然，更無法從系統層面對計算機的組成原理有深入的理解和掌握[5-6]。為了打破這種局面，可以設計從芯片到大型主機的虛實聯動計算機組成原理系統實驗，本著“能實不虛”的原則，實的部分要求學生基于FPGA開發板自底向上從CPU 部件做起，直至實現自己的單周期/多周期、非流水線/流水線CPU，并完成三級存儲結構、設計基于IO 接口的計算機綜合應用實驗，理論和實踐有效結合以提高學生對于CPU 原理的理解，提升學生的動手能力和實踐能力。虛的部分對于計算機的存儲系統和輸入輸出系統的組織和管理等不能做實的實驗內容，基于IBM 大型機的虛擬仿真平臺設計存儲管理及I/O 通道管理虛擬實驗，涉及的內容見圖1，以加深學生對理論知識的消化和理解，從而使學生從芯片到大型主機對計算機組成原理有更全面深入的掌握。

3 實驗設計

3.1 大型主機虛擬仿真實驗平臺

圖1 實驗教改范圍

大型主機有兩類虛擬機，一類是IBM 公司提供的zPDT 平臺，一類是開源Hercules 平臺，考慮到實驗平臺的可擴展性，采用Hercules 構建仿真平臺，在虛擬機上部署IBM 公司為高校人才培養提供的主機操作系統ADCD（Application Developers Controlled Distributions）版本，基于主機虛擬機，采用Spring Cloud 的微服務技術，調用主機z/OS MF （Management Facility）提供的RESTful API 編程接口，開發建設大型主機虛擬仿真實驗平臺，對外提供網絡服務。

3.2 存儲管理實驗設計

計算機使用兩種類型的物理存儲，包括中央存儲器（又稱內存）和輔存實現虛擬存儲。虛擬存儲的使用是現代操作系統的一大特征，使計算機在處理大量工作負載的同時并發地和大量用戶交互。以大型主機為例，z/OS 操作系統支持64位地址，這允許一個程序尋址高達16EX 的存儲空間。在實際中，主機一般會裝配比這個小得多的中央存儲器。為了使每個用戶執行時感覺計算機系統中好像真有這大的存儲空間，z/OS 只把每個程序的活動部分存放于中央存儲器中，而把其余的代碼和數據保存在輔助存儲器的頁數據集（Page Data Sets）文件中，PDS 文件就位于硬盤輔存上。

對虛擬存儲的訪問使用虛擬地址，以主機為例，地址空間（Address Space，即操作系統分配給用戶或獨立運行程序的虛擬地址范圍）被劃分成4KB 大小的虛擬存儲單元，稱為“頁”；地址空間被劃分成1MB 大小的單元，稱為“段”。一個段是連續的跨越兆字節的虛擬地址塊，它從1MB 的邊界處開始。譬如，一個2GB 的地址空間由2 048 個段組成。地址空間被劃分成2～8GB大小的單元，稱為“區域”。一個區域由跨越2～8GB 的連續虛擬地址塊組成，它從2GB 的邊界開始，一個2TB 的地址空間由2 048 個區域組成。因此，64 位的虛擬地址被劃分為4 個主要區域，0～32 位為區域索引（RX），33～43 位為段索引（SX），44～51 位為頁索引（PX），52～63 位為字節索引（BX），結構見圖2。

圖2 虛擬地址劃分

操作系統可以使用查表確定一個頁是在實存還是在輔存中，并確定其在存儲器中的位置。在查找程序的一個頁時，系統得到該頁的虛擬地址，根據需要將該頁調入中央存儲器或者調出輔存中。在輔存和實存之間的頁面移動稱為頁面調度。頁面調度是理解虛擬存儲的關鍵。

大型主機依賴實存管理器、輔存管理器以及虛存管理器對存儲系統有效監管。實存管理器主要負責頁面調度活動；輔存管理器主要用于跟蹤輔存的使用情況；虛存管理器響應獲得或釋放虛存的請求。頁面在內存、虛存和輔存中對應的名字分別為頁框、頁面和頁槽。

為了讓學生更深入地了解虛擬存儲的運作機制，可以設計虛擬存儲管理實驗，見表1。學生需要：①監控內存使用率，通過查看UIC（Unreferenced Interval Count）等指數判斷內存大小是否夠用；②配置輔存大小并監控，如果長期維持在30%以上，則需要增加輔存空間。眼見為實，通過這些實驗練習，虛存調度不再是書本上的抽象算法，學生對虛存的運作機制有了更直觀的認識和更深入的理解。不僅如此，學生更掌握了如何查看監控、分析原因、通過修改輔存配置等方法切實提升虛存的使用性能。

表1 存儲管理實驗設計

3.3 I/O 通道管理實驗設計

對于輸入輸出設備，控制其正常工作需要依賴通道子系統（Channel SubSystem,CSS）。通道子系統一般只在大型計算機系統中才有，在大型計算機系統中，外圍設備的臺數一般比較多，設備的種類、工作方式和工作速度的差別也比較大。為了把對外圍設備的管理工作從CPU 中分離出來，從IBM 360 系列機開始，普遍采用通道處理機技術。通道技術能夠使CPU 擺脫繁重的輸入輸出負擔和共享I/O 接口，通道處理機能夠負擔外圍設備的大部分I/O 工作，通道處理機雖然不是一臺具有完整指令系統的處理機，但是可以把它看作一臺能夠執行有限I/O 指令，并能被多臺外圍設備共享的小型專用處理機。在一臺大型計算機系統中可以有多個通道，一個通道可以連接多個設備控制器，而一個設備控制器又可以管理一臺或多臺外圍設備，這樣就形成了一個非常典型的I/O 系統多級層次結構。以大型主機為例，I/O 系統包括6 層。

（1）邏輯分區（Logical Partition，LPAR），是一種虛擬機，在每個邏輯分區上都可以運行一個單獨的操作系統。通過LPAR 技術可以將一臺主機劃分為多個邏輯上獨立的機器，每一個LPAR 所占的內存是相互獨立的，但是CPU、通道等是共享的。

（2）通道子系統（Channel Subsystem，CSS），主要由兩部分構成：SAP 和Channel。SAP（System Assist Processor） 稱為系統輔助處理器，與中央處理器CP（Central Processor）唯一的不同之處在于兩者擁有不同的指令集，這主要取決于兩者的職責不同。SAP 的主要功能是為即將執行的I/O 操作尋找可用的通道（Channel）和控制單元（Control Unit）。

（3）通道（Channel），負責I/O 操作，即在內存和外設之間進行數據傳輸。

（4）交換機（Switch），是一種將通道和控制單元連接起來的中間設備，包含多個端口，這些端口在物理上是兩兩相連的，可以實現一個通道與多個設備連接，從而增加了通路，提高了并發性和可用性。

（5）控制單元（Control Unit，CU），是通道與I/O 設備之間的接口，它接收通道命令，控制I/O 設備工作。

（6）I/O 設備（Device），也稱輸入輸出設備，包括打印機、打孔機、磁帶、磁盤、控制臺等。

I/O 系統多級層次結構示意圖見圖3。

圖3 大型主機I/O 系統多級層次結構

為了讓學生深入了解通道控制及輸入輸出系統，基于大型主機的HCD 設計一組硬件管理的實驗如下。HCD（Hardware Configuration Definition）是主機操作系統z/OS 的一個重要組件，它提供ISPF 交互界面定義硬件資源，包括服務器、邏輯通道子系統、邏輯分區、通道、交換機、控制單元、設備等。實驗目的為掌握I/O系統中各層級軟硬件的定義、配置和控制。具體的實驗設計見表2。

HCD 可以按照任何順序配置定義硬件，但如果隨意定義硬件配置，很可能導致邏輯混亂，影響硬件配置定義的工作。因此，要有一個邏輯上的順序作為參考，推薦的硬件配置邏輯關系見圖4。

通過I/O 通道管理實驗，學生學習到I/O 系統中各層級軟硬件的定義、配置和控制方法，加深理解了I/O 通道的運行機制，并且掌握了大型主機I/O 設備配置管理的實際技能。

4 結語

計算機組成原理是計算機專業及軟件工程專業本科生的重要必修專業基礎課程。它涵蓋計算機的基本邏輯部件、運算部件、指令系統、中央處理器、存儲系統、輸入輸出系統的基本原理。同濟大學計算機與信息技術國家實驗教學示范中心整合了教育部IBM 精品課程大型主機系統管理與計算機組成原理傳統教學，在2019 年建設完成的大型主機虛擬仿真實驗平臺上，為計算機組成原理課程開發了存儲管理實驗與I/O 通道管理實驗，對原有CPU 綜合實驗進行了有效補充，使學生能夠全面掌握并深入理解計算機的運算部件、指令系統、中央處理器、存儲系統、輸入輸出系統的基本原理。經統計，計算機組成原理實踐環節的年級平均成績比改革之前提升了30%，取得了理想的教學效果。

表2 I/O 通道管理實驗設計

圖4 硬件配置管理邏輯關系