15-Sistemas com múltiplos processadores

Sistemas Operacionais
SISTEMAS COM MÚLTIPLOS PROCESSADORES
LIVRO TEXTO: CAPÍTULO 13, PÁGINA 243
Prof. Pedro Luís Antonelli
Anhanguera Educacional
INTRODUÇÃO
• Arquiteturas que possuem duas ou mais CPUs interligadas que
funcionam em conjunto na execução de tarefas independentes ou
no processamento simultâneo de uma mesma tarefa
• Implementar Paralelismo em Hardware
• Surgiram na década de 1960 para acelerar a execução de
aplicações que lidavam com um grande volume de cálculos
VANTAGENS
• Desempenho
– Execução simultânea de tarefas independentes
– Execução de uma mesma tarefa por vários processadores
• Escalabilidade
– Capacidade de adicionar novos processadores
• Relação custo/desempenho
– Utilização de CPUs adicionais
• Tolerância a falhas e disponibilidade
– Capacidade de manter o sistema em operação em casos de falhas em
algum componente
• Balanceamento de carga
– Distribuição do processamento entre os diversos componentes da
configuração
DESVANTAGENS
• Problemas de comunicação e sincronização
• Organizar de forma eficiente os processadores
• Tolerância contra falhas é dependente do SO
TIPOS DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS
• Classificados conforme o grau de paralelismo
• SISD (Single Instruction Single Data)
– Única seqüência de instrução é uma seqüência de dados
– Usado na maioria dos computadores
• SIMD (Single Instruction Multiple Data)
– Única seqüência de instruções e múltiplas seqüências de
dados
– Vantajosa para aplicações com elevado grau de
paralelismo de dados
TIPOS DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS
• Classificados conforme o grau de paralelismo
• MISD (Multiple Struction Simple Data)
– Múltiplas seqüências de instruções e única seqüência
de dados
– Não existe computador com este modelo
• MIND (Multiple Instruction Multiple Data)
– Sistemas com múltiplos processadores
SISTEMAS FORTEMENTE E FRACAMENTE ACOPLADOS
• Arquitetura MIND (Flynn 1966)
– Fortemente Acoplados
• Processadores compartilham uma única memória principal
e são controlados por apenas um SO
MACHADO, fig.13.1 a, pag 247 – Sistemas fortemente acoplados
SISTEMAS FORTEMENTE E FRACAMENTE ACOPLADOS
• Arquitetura MIND (Flynn 1966)
– Fracamente Acoplados
• Possuem dois ou mais sistemas computacionais
independentes conectados por uma rede de comunicação,
com processadores e memórias e E/S próprios
MACHADO, fig.13.1 b, pag 247 – Sistemas fracamente acoplados
SISTEMAS FORTEMENTE E FRACAMENTE ACOPLADOS
• Arquitetura MIND (Bell 1985)
– Grau de acoplamento de memória principal:
• Multiprocessadores
– Compartilham um espaço de endereçamento
• Multicomputadores
– Possuem espaço de endereçamento próprio
MACHADO, fig.13.2, pag 248 – Sistemas com múltiplos processadores
SISTEMAS COM MULTIPROCESSADORES SIMÉTRICOS
• SMP (Simetric Multiprocessors)
– Dois ou mais processadores compartilhando um único espaço
de endereçamento e gerenciados por um único SO
– Evolução dos sistemas com múltiplos processadores
assimétricos (mestre/escravo)
– Todos os processadores realizam a mesma função
Barramento Único
Barramento Único com Cache
ARQUITETURA DOS SISTEMAS SIMÉTRICOS
• SMP
(Simetric
Multiprocessors)
– Barramento Cruzado
comunicação
simultânea entre
diferentes unidades
funcionais, onde o
hardware é responsável
e o SO pela resolução
de conflitos de acesso a
uma unidade
MACHADO, fig.13.5, pag 252 – Barramento cruzado comutado
SISTEMAS NUMA (Non Uniform Memory Access)
• Vários conjuntos de processadores e memórias conectados por uma
rede compartilhando o mesmo SO
• Desempenho das operações de acesso a memória
• Memória principal é fisicamente
distribuída entre
processadores e um
único espaço de
endereçamento
compartilhado
• Alternativa para
organizações SMP
pois oferecem
escalabilidade maior
de processadores,
menor custo
e maior desempenho
MACHADO, fig.13.7, pag 254 – Exemplo de arquitetura NUMA
TOPOLOGIAS DE SISTEMAS NUMA
MACHADO, fig.13.8, pag 255 – Topologias NUMA
TOPOLOGIAS DE SISTEMAS NUMA
• DASH
(Directory Architecture
for Shared Memory)
– Formada por 16
conjuntos com 4
processadores cada,
uma memória
principal e
dispositivos de E/S
MACHADO, fig.13.9, pag 256 – Arquitetura DASH
CLUSTER
• Sistemas Fracamente Acoplados, formados por nós conectados
por uma rede de interconexão de alto desempenho dedicada
• Cada nó possui seus próprios recursos como processadores,
memória, dispositivos de E/S e SO
• VAXCluster (1983 - DEC)
– 1º Cluster comercial – Digital Equipament Corporation
• Maior necessidade de tolerância a falhas e alta disponibilidade,
escalabilidade e balanceamento de carga
• Transparente para o usuário
• Permite o compartilhamento de dispositivos de E/S
• Permite processamento paralelo
CLUSTER
MACHADO, fig.13.11, pag 258 – Exemplo de cluster
EXEMPLO DE CLUSTER
•
•
Master
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–
Processador Athlon 1.4GHz
MB ASUS A7A266
Memoria: 1 Gb RAM DDR
HD SCSI ST36706 36 Gbytes
HD IDE Quantum Fireball AS60 60 Gbytes
Placa SCSI Adpatec 29160
2 Placas de rede Intel eepro100+
Monitor 15" LG 560A
–
Unidade de fita DAT TLZ09
16 Nodos
–
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–
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–
•
Processador Athlon 1.4GHz
MB ASUS A7A266
Memoria: 512 Mb RAM DDR
HD IDE Quantum Fireball 20 Gbytes
Placa de rede Intel eepro100+
Conexão
– Switch Micronet SP624K Etherfast 10/100
EXEMPLO DE CLUSTER
• Cluster do
CPTEC/INPE
– 1100 processadores
– 275 nós com 2
processadores dual AMD
Opteron 64-bits nativos
– velocidade de pico de 5,7
Teraflops
– 62 Terabytes de disco
– conexão entre nós com rede
rápida InfiniBand Voltaire
10/100
EXEMPLO DE CLUSTER
• Columbia (NASA)
–
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–
–
–
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–
23 Nós
14.336 núcleos
304 gabinetes
88.88 Teraflop/s
Memória total de 28,672 GB
Sistema NUMA
10Gb Ethernet LAN/WAN
Sistema de arquivos XFS
SUSE Linux Enterprise
SISTEMAS OPERACIONAIS DE REDE
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Melhor exemplo de Sistema Fracamente Acoplado
Cada sistema (Host) possui recursos de hardware próprios
Os Nós totalmente independentes, conectados por uma rede
Redes Locais (LAN) – Ethernet, Token Ring
Redes distribuídas (WAN) – Internet
Comunicação por uma interface de rede
Sistemas heterogêneos, (TCP/IP)
Exemplos
–
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–
–
Microsoft Windows 2003
Novel Netware
UNIX
Linux
MACHADO, fig.13.12, pag 259 – Rede de computadores
TOPOLOGIAS DE REDE DE COMPUTADORES
MACHADO, fig.13.13, pag 260 – Topologias de redes de computadores
SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
• Conjunto de sistemas autônomos, interconectados por uma
rede de comunicação que funciona como se fosse um sistema
fortemente acoplado
• Cada componente possui seus próprios recursos
• Relacionamento mais forte entre os seus componentes
• Sistema Fracamente Acoplado pelo aspecto de hardware e
fortemente acoplado pelo aspecto de software
• LAN ou WAN
• Escalabilidade ilimitada
• Aplicações distribuídas
– Transparência
– Tolerância a falhas
MACHADO, fig.13.14, pag 261 – Sistema distribuído
TRANSPARÊNCIA EM SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
• Transparência de acesso
• Transparência de localização
• Transparência de migração
• Transparência de replicação
• Transparência de concorrência
• Transparência de paralelismo
• Transparência no desempenho
• Transparência de escalabilidade
• Transparência a falhas
TRANSPARÊNCIA EM SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
• Tolerância a Falhas
– Garantir que, em caso de problema em um de
seus componentes, as aplicações continuem
sendo processadas sem qualquer interrupção
ou intervenção do usuário, de forma totalmente
transparente
– Tolerância a falhas de hardware é facilmente oferecida
utilizando-se componentes redundantes
– Tolerância a falhas de software é bem mais complexa de
implementar
– Com a tolerância a falhas, é possível também oferecer alta
disponibilidade e confiabilidade
TRANSPARÊNCIA EM SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
• Imagem Única do Sistema
– A maior dificuldade em implementar um sistema distribuído é a
complexidade em criar para os usuários e suas aplicações uma
imagem única do sistema, a partir de um conjunto de sistemas
autônomos
– Capacidade de lidar com os diversos problemas de
comunicação existentes em um ambiente fracamente acoplado
– O sistema precisa oferecer tolerância a falhas de forma
– Exige mecanismos mais complexos e lentos para manter a
integridade e segurança dos dados
– Um dos grandes desafios para a adoção de sistemas
distribuídos é a dificuldade no desenvolvimento de aplicações
paralelas
BIBLIOGRAFIA
•
MACHADO, F. B. & MAIA, L. P., Arquitetura de Sistemas Operacionais, 4 Edição,
São Paulo, LTC, 2007.
•
TANENBAUM, A. S. Sistemas Operacionais Modernos: 2ª edição, São Paulo,
editora Prentice Hall, 2003.
•
SILBERSCHATZ, A. Sistemas Operacionais – Conceitos: São Paulo, editora LTC,
2004.