1972 — IBM VM/370 上市：虛擬機走進市場#

案件摘要#

1972 年，IBM 正式發表 VM/370——把 Cambridge 的 CP-67 研究系統商品化，在 System/370 大型主機上提供「每個使用者一台完整虛擬機器」的服務。虛擬化從實驗室懸案正式結案為產品，大型主機時代的「雲端雛形」於焉成形。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

CP-40（7094）→ CP-67（System/360 Model 67）已證明 hypervisor 可行，但 S/360 的指令集不完美（敏感指令不陷入），需要 Model 67 的特殊硬體。
IBM 曾一度放棄 CP-67 路線、主推 OS/VS1 與 DOS/VS，但客戶（尤其大學與大企業）強烈要求保留 VM 能力。
S/370 加入位址轉換硬體（DAT）與 V=R（Virtual=Real）模式，補齊了虛擬化硬體需求。
商業動機：一機可同時跑「生產系統 + 測試系統 + 開發系統」，不必為了測試買第二台百萬美元主機。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

1. 架構：Control Program（CP）+ CMS#

VM/370 = CP + CMS + ( Optionally other guest OS )：

CP：hypervisor，負責把實體機器虛擬化成多台 VM（虛擬 CPU、虛擬記憶體、虛擬 IO 設備）。
CMS（Conversational Monitor System）：單使用者互動式作業系統，通常每台 VM 跑一份。
VM/370 也允許 VM 內再跑完整的 MVS/OS/VS——「VM 內跑 VM」。

User A: [CMS]   User B: [CMS]   User C: [MVS]
         \           |            /
          CP: VM/370 (hypervisor)
                 |
         IBM System/370 (DAT, V=R)

2. 虛擬機 = 完整機器的抽象#

CP 提供的三種虛擬化（全虛擬化 full virtualization）：

資源	虛擬化機制
CPU	虛擬處理器，透過 trap-and-emulate 執行特權指令
記憶體	虛擬位址空間，兩層位址轉換
IO	虛擬設備（DASD、終端機、讀卡機模擬）

兩層位址轉換的數學式（guest VA \(\to\) guest PA \(\to\) host PA）：

\[ PA_{host} = T_{host}(T_{guest}(VA)) = T_{host}(f_{guest}(p_g) + d) \]

CP 使用 shadow page table（影子頁表）合併兩層轉換，使硬體只需一次查表：

\[ T_{shadow}(VA) = T_{host}(T_{guest}(VA)) \]

3. 虛擬機快照與遷移#

因為 VM 的完整狀態（暫存器、記憶體、設備狀態）都存在 CP 管理的資料結構中，狀態可被存檔（checkpoint/checkpoint-restore）、還原、甚至搬到另一台實體機器：

\[ \text{VM state } S = \langle \text{PC}, \text{regs}, \text{mem}, \text{dev} \rangle \Rightarrow \text{save}(S),\ \text{restore}(S'),\ \text{migrate}(S \to \text{host}_2) \]

這正是今日「VM 快照」「live migration」的概念原型——遷移的數學本質是狀態轉移函數：

\[ S' = \phi(S), \quad \phi: \text{host}_1 \to \text{host}_2 \]

4. Python 模擬：VM 快照與還原#

import copy

class VirtualMachine:
    def __init__(self, name):
        self.name, self.pc, self.regs = name, 0, {"R0": 0, "R1": 0}
        self.mem = [0] * 16

    def step(self):
        self.regs["R0"] += 1          # 模擬執行
        self.pc += 1

    def snapshot(self):
        return copy.deepcopy({"pc": self.pc, "regs": self.regs, "mem": self.mem})

    def restore(self, snap):
        self.pc, self.regs["R0"] = snap["pc"], snap["regs"]["R0"]
        self.mem = copy.deepcopy(snap["mem"])

vm = VirtualMachine("GUEST1")
for _ in range(5): vm.step()
snap = vm.snapshot()              # 快照: R0=5
for _ in range(10): vm.step()     # R0 變 15
print(vm.regs["R0"])              # 15
vm.restore(snap)                  # 回到過去
print(vm.regs["R0"])              # 5  <-- 快照還原成功

結案 -- 後果與影響#

VM/370 成為 IBM 主機長青產品線，演化為 VM/ESA、z/VM，至今仍運行於 z15/z16 大型主機。
「一台實體機跑多台 VM + 快照 + 遷移」的模型，就是 1998 年 VMware、2006 年 EC2 的藍圖——雲端的收費單位（instance）正是 VM/370 的「virtual machine」。
證明虛擬機不僅是研究玩具，而是有巨大經濟價值的工程產品。
VM 內可跑任何 OS 的特性，也催生了「系統測試、分時租用、災難復原」等現代運維實務。

關鍵人物與文獻#

Robert Creasy、Richard Parmelee、Richard Seawright：CP-67/VM/370 設計者。
Parmelee et al., Virtual Storage and Virtual Machine Concepts, IBM Systems Journal 11(2), 1972.
IBM, VM/370: CP/CMS System Programmer's Guide, 1972.
Creasy, The Origin of the VM/370 Time-Sharing System, IBM J. R&D 25(5), 1981.
Seawright & MacKinnon, VM/370 — A Study of Multiplicity and Utility, IBM Systems Journal, 1979.