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Arquiteturas Multiprocessadas

Eltevon Dias da Rocha

Jonathas Junio Rodrigues da SilvaMurilo Henrique da Silva Ribeiro

Dpto. de Ciencia da Computacao, Universidade Federal de Mato GrossoCampus Universitario do Araguaia, Barra do Garcas - MT

28 de junho de 2011

CComp (UFMT) Arquiteturas Multiprocessadas 28 de junho de 2011 1 / 50

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Visao Geral

1 IntroducaoSistemas com Multiplos Processadores

2 Multiprocessadores

Hardware de MultiprocessadorSistemas Operacionais para MultiprocessadoresSincronizacao de MultiprocessadoresEscalonamento de Multiprocessadores

3

MulticomputadoresHardware de MulticomputadorSoftware de Comunicacao de Baixo NıvelSoftware de Comunicacao no Nıvel do UsuarioMemoria Compartilhada Distribuıda (DSM)

Escalonamento em MulticomputadoresBalanceamento de Carga

4 Sistemas DistribuıdosHardware de RedeMiddleware


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Introducao Sistemas com Multiplos Processadores

Importancia

Desde seu inicio, a industria de computadores mantem uma busca intensapor maior poder de processamento.


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Introducao Sistemas com Multiplos Processadores

Tipos


M l i d

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Multiprocessadores

Multiprocessadores

As CPUs compartilham uma unica memoria

As CPUs podem ser conectadas atraves de barramento, chavecrossbar ou uma rede de comutacao multiestagio

E o modelo preferido dos progamadores


M lti d H d d M lti d

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Multiprocessadores Hardware de Multiprocessador

Hardware de Multiprocessador

Existem tres tipos de Multiprocessadores, distinguidos pela maneira comoa memoria compartilhada e implementada.


M lti ocessado es Ha d a e de M lti ocessado

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Multiprocessadores Simetricos

Nos multiprocessadores simetricos (SMP), cada CPU possui igual acessosobre toda memoria e todos os dispositivos de E/S.



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Maquinas com Acesso Uniforme a Memoria (UMA)

Cada CPU possui o mesmo tempo de acesso a memoria.

A memoria principal e implementada como um unico bloco, pois arede de interconexao suporta apenas uma transacao por vez



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Maquinas com Acesso Nao Uniforme a Memoria (NUMA)

Espaco de enderecamento unico visıvel a todas as CPUs.

Acesso a memoria remota via comandos LOAD e STORE.

Acesso a memoria remota mais lento que acesso a memoria local.



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Tipos de Maquinas NUMA

Acesso nao uniforme a memoria sem coerencia de cache(NC-NUMA):

Quando o tempo de acesso a memoria nao e oculto.A coerencia de memoria e garantida porque nao existe cache presente.

Essas maquinas utilizam software elaborado para mover paginas de umlado para o outro de modo a maximizar o desempenho.

Acesso nao uniforme a memoria com coerencia de cache(CC-NUMA):

Quando os caches coerentes estao presentes.

Uma abordagem para construir multiprocessadores CC-NUMA e omultiprocessador baseado em diretorio.


Multiprocessadores Sistemas Operacionais para Multiprocessadores

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p p p p

Sistemas Operacionais para Multiprocessadores

Existem tres modelos de implementacao:

Cada CPU tem seu proprio SO.Multiprocessadores ”Mestre-escravo”.

Multiprocessadores Simetricos.



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p p p p

Cada CPU tem seu proprio SO

Cada CPU tem seu proprio SO.

Compartilhamento da memoria entre as CPUs.

Apenas uma copia do codigo do sistema operacional e compartilhada.



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Cada CPU tem seu proprio SO

Chamadas de sistema sao tratadas pela CPU em questao.

Nao ha compartilhamento de processos.Nao ha compartilhamento de paginas

Cada CPU tem sua cache de blocos de disco, pode haver problemasde coerencia.



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Multiprocessadores ”Mestre-escravo”

Apenas uma CPU executa o codigo do SO, enquanto as demaisexecutam programas de usuario.

O sistema e simples e funcional para multiprocessadores pequenos,mas e ineficiente para grandes.



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Multiprocessadores Simetricos

Existe apenas uma copia do SO na memoria e qualquer CPU podeexecutar.

Condicoes de corrida no SO sao resolvidas com um mutex.

A maioria dos multiprocessadores modernos usam esta organizacao.


Multiprocessadores Sincronizacao de Multiprocessadores

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Sincronizacao de Multiprocessadores

Pela existencia de varias CPUs em um multiprocessador se ve necessaria asincronizacao frequente entre as CPUs. O principio fundamental nacomunicacao entre multiprocessadores e o compartilhamento de variaveis

globais. Mecanismos de sincronizacao garante a consistencia no acesso asvariaveis. Instrucao TSL (Test-and-Set) e utilizada para implementarregioes criticas. Instrucao que implementa mecanismos nao-bloqueantes eo Fetch-and-Add. Utilizado em redes combinantes, permite o acessoconcorrente de varios processadores a valores consistentes de variaveis

compartilhadas.


Multiprocessadores Sincronizacao de Multiprocessadores

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Falha de instrucao TSL

A instrucao TSL pode falhar se o barramento nao puder ser travado. Destaforma, as duas CPUs obtem acesso a regiao critica e a exclusao mutua naoesta garantida. Para que se possa prevenir esse problema, a instrucao TSLdeve primeiro impedir o acesso de outras CPUs ao barramento para depois

ler e gravar na memoria e finalmente liberar o barramento.CComp (UFMT) Arquiteturas Multiprocessadas 28 de junho de 2011 17 / 50

Multiprocessadores Escalonamento de Multiprocessadores

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Escalonamento de Multiprocessadores

Em multiprocessadores, o escalonamento e bidimensional. Ou seja, o

escalonador devera decidir quais os processos executarao, e em quais CPUsexecutarao. Varios algoritmos de escalonamento de multiprocessadores saopossıveis, a seguir falaremos sobre alguns.



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Tempo Compartilhado

Escalonamento de processos independentes.

Um processo ganha uma fatia de tempo do processador, segundo umaunica estrutura de dados para os processos prontos no sistema.

E o algoritmo mais simples.



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Compartilhamento no Espaco

Usado quando os processos estao relacionados uns aos outros dealgum modo.

Multiplos threads ou processos ao mesmo tempo sobre multiplas

CPUs.

A vantagem e a eliminacao da multiprogramacao, que poe fim asobrecarga causada pelo chaveamento de contexto.

A desvantagem e e o desperdıcio de tempo quando a CPU bloqueia

esperando E/S.



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Escalonamento em Bando

Grupos de threads relacionados sao escalados como uma unidade (um

bando).Todos os membros de um bando iniciam e finalizam juntos suas fatiasde tempo.

Todos os membros do bando executam simultaneamente emdiferentes CPUs com compartilhamento de tempo.

O segredo e escalonar as CPUs de maneira sıncrona.


Multicomputadores

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Multicomputadores

Sistemas Computacionais conhecidos como Clusters.

CPUs fortemente acopladas que nao compartilham memoria.


Multicomputadores Hardware de Multicomputador

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Topologias de Interconexao

A maneira como os varios nodos sao interconectados.Multicomputadores podem ser compostos por varios nodos.

Cada nodo possui memoria e CPUs proprias, e uma placa de interfacepara comunicacao.



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Esquemas de comutacao

Comutacao ”Armazena e Encaminha”.

Comutacao de Circuito.



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Placas de Interface de Rede


Multicomputadores Software de Comunicacao de Baixo Nıvel

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Software de Comunicacao de Baixo Nıvel

Se varios processos estao executando em um nodo, precisam deacesso a rede para enviar pacotes.

Mapear a placa de interface para todos os processos que precisamdela.

Se o nucleo precisa acessar a rede, usar duas placas de rede: umapara o espaco do usuario e outra para o nucleo.


Multicomputadores Software de Comunicacao no Nıvel do Usuario

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Envio e Recepcao de mensagens

Chamadas do tipo Send e Receive.Podem ser chamadas bloqueantes ou nao bloqueantes.


Multicomputadores Software de Comunicacao no Nıvel do Usuario

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Chamada de Procedimento Remoto (RPC)


Multicomputadores Memoria Compartilhada Distribuıda (DSM)

( S )

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Memoria Compartilhada Distribuıda (DSM)



R li ˜

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Replicacao

(a) Paginas distribuıdas em 4 maquinas.

(b) CPU 0 le pagina 10.

(c) CPU 1 le pagina 10.



F l ilh

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Falso compartilhamento

Deve ser implementada consistencia sequencial.


Multicomputadores Escalonamento em Multicomputadores

E l t M lti t d

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Escalonamento em Multicomputadores

Alocar processos nos nodos.


Multicomputadores Balanceamento de Carga

B l t d C

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Balanceamento de Carga

E desejavel dividir a carga de processamento entre os varios nodos. Existevarios algoritmos com essa finalidade. A seguir, veremos alguns deles.



Al it d t i sti f t ´ i

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Algoritmo determinıstico grafo-teorico



Algoritmo heurıstico distribuıdo iniciado pelo emissor

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Algoritmo heurıstico distribuıdo iniciado pelo emissor



Algoritmo heurıstico distribuıdo iniciado pelo receptor

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Algoritmo heurıstico distribuıdo iniciado pelo receptor


Sistemas Distribuıdos


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E um conjunto de computadores independentes que parecem ser um

unico computador para os usuarios do Sistema.Pode rodar em plataformas diferentes.Programacao de aplicacoes e difıcil.



Diferenca entre Sistemas Multiprocessados

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Diferenca entre Sistemas Multiprocessados

Item Multiprocessador Multicomputador Sistema Distribuıdo

Configuracao do nodo CPU CPU, RAM, Interface de Rede Computador complexo

Perifericos do nodo Tudo compartilhado Talvez disco Conjunto completo por nodoLocalizacao Mesmo rack Mesma sala Possivelmente espalhado pelo mundo

Comunicacao internodo RAM Compartilhada Interconexao dedicada Rede tradicionalSistemas operacionais Um, compartilhado Multiplos, mesmo Possivelmente todos diferentesSistemas de arquivos Um, compartilhado Um, compartilhado Cada nodo tem seu proprio

Administracao Uma organizacao Uma organizacao Varias organizacoes


Sistemas Distribuıdos Hardware de Rede

Hardware de Rede

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Hardware de Rede

LAN - uma rede local que abrange edifıcios ou campus (Ethernet)

WAN - uma rede de longa distancia que abrange cidades, paıses ouate o mundo inteiro. (Internet)

Tanenbaum: Embora tecnicamente a Internet nao seja uma rede, massim uma federacao de milhares de redes separadas.



Infra-estrutura e Equipamentos

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Infra estrutura e Equipamentos

Interconexoes: Estrela, anel, grade, um toro duplo, um cubo ou um

hipercubo.LAN: Switchs

WAN: Backbones e roteadores



Protocolos

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Protocolos

IP (Internet Protocol)

TCP (Transmission Control Protocol).


Sistemas Distribuıdos Middleware

Middleware

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Middleware

E uma camada de Software que permite os Sistemas Distribuıdos

trabalharem com diferentes tipos de Sistemas Operacionais eHardwares.

Nao e um Sistema Operacional.



Middleware com base em Documentos

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Middleware com base em Documentos

Formada por documentos web e hiperlinks.



Middleware com base em Sistemas de Arquivos

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b S q

Grandes Sistemas de Arquivos interligados por Hyperlinks.

Upload e Download.



Middleware com base em Objetos Compartilhados

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j p

Mdelo onde todas as abordagens anteriores sao consideradas comoobjetos, empacotadas com procedimentos de acessos, chamados

metodos.Os processos invocam os metodos para terem acesso as variaveis.

Exemplos: CORBA e o GLOBO (Requisicoes Cliente-Servidor).



Middleware com base em Coordenacao

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¸

Projeto comercial JVM (Java Virtual Machine Language).

Enorme gama de dispositivos e computadores.

Servicos localmente ou quando conectados em uma rede servindo o

mundo.

A Maquina Virtual Java e um programa que carrega e executa osaplicativos Java, convertendo os bytecodes em codigo executavel demaquina que sao executados por uma maquina virtual e e responsavel

pelo gerenciamento dos aplicativos quando estao sendo executados.



Vantagens JVM

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Vantagens JVM

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Portabilidade (Qualquer Sistema).

Enorme gama de dispositivos e computadores.

Possui recursos de rede cooperando com TCP/IP, HTTP e FTP.

Coletor de lixo (Desaloca a memoria automaticamente).

Executa programas distribuıdos em Multitarefa.



Middleware Open Mosix

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Aplicacao do Mediador Open Mosix:

Extensao ao Nucleo Linux.Converte uma Rede Classica em um Super-computador.Gerencia Aplicacoes Linux.Mantem comunicacao com os Nos do Cluster (Disponibilidade de

Recursos).Utilizado para calculos Intensivos.Difıcil de implementar (Complicado por Kernel).

Outro: Aglomerado Beowulf

Criado por Donald Becker da NASA.Utilizado muito para Renderizacao de Filmes e Processamento deDados Cientıficos.



Middleware Open Mosix

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