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

– 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 – 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) – 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

• 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 – 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.