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Ciências da Computação

Sistema com Múltiplos processadores

Prof. MsC. Edílson Leite da SilvaEmail: souedilsonleite@gmail.com

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Ciências da Computação

● Vantagens e desvantagens

● Tipos de sistemas computacionais

● Sistemas fortemente e fracamente acoplados

● Sistemas com múltiplos processadores simétricos

● Sistema NUMA

● Clusters

● Sistemas Operacionais de Rede

● Sistemas Distribuídos

Roteiro

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Ciências da Computação

Desempenho

● Quando adicionados novos processadores a uma máquina, melhora o desempenho do sistema

– Essa relação é não linear

● O desempenho é observado por:

– Maior throughput (número de processos executados em um determinado instante de tempo) do sistema

– Redução do tempo de resposta

– Menor tempo de processamento da aplicação

VantagensU

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Ciências da Computação

Escalabilidade

● Capacidade de adicionar novos processadores ao hardware do sistema

● É possível aumentar a capacidade computacional adicionando novos processadores ao sistema

Relação custo/desempenho

● Sistema com um único processador apresenta limitações na comunicação com as demais unidades funcionais

● O custo de um processador com desempenho equivalente a múltiplos processadores é mais elevado

● É possível utilizar múltiplos processadores de baixo custo interligados as unidades funcionais

Vantagens

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Ciências da Computação

Tolerância a falhas

● É a capacidade de manter o sistemas em operação mesmo que aconteça a falha em algum componente

● Se um dos processadores falhar os demais assumem sua função, com menor capacidade computacional

Disponibilidade

● É a medida em minutos que o sistema passa funcionando por ano de forma ininterrupta

● Uma alta disponibilidade é obtida com sistema com maior tolerância a falha

Balanceamento de carga

● É a distribuição do processamento entre os diversos processadores a partir de carga de cada processador, para melhorar o desempenho como um todo

VantagensU

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Ciências da Computação

● Problemas de sincronização e comunicação

● Vários processadores pode querer acessar a mesma posição de memória

● Como organização os processadores e demais componentes de forma mais eficiente

● As vezes a tolerância a falhas é depende do sistemas operacional e não só do hardware

Desvantagens

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Ciências da Computação

SISD (Single Instruction Single Data)

● Uma única seqüência de instrução e de dados

● Ainda é possível fazer paralelismo usando pipeline

SIMD (Single Instruction Multiple Data)

● Uma seqüência de instrução e múltiplas de dados

● Trabalha de forma escalar processando vetores

Tipos de sistemas computacionaisU

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Ciências da Computação

MISD (Multiple Instruction Single Data)

● Múltiplas seqüências de instrução e uma de dados

● Ainda não existe computador com essa arquitetura

MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)

● Múltiplas seqüências de instruções e de dados

● Categoria dos sistemas com múltiplos processadores

Tipos de sistemas computacionais

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Ciências da Computação

Classificadas em função de fatores como:

● Compartilhamento da memória principal

● Distância física entre os processadores

● Tempo de acesso a memória principal

● Mecanismo de sincronização e comunicação

Sistemas fortemente e fracamente acopladosU

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Ciências da Computação

Sistemas fortemente acoplados

● Processadores compartilham um única memória e são controlados por um único sistema operacional

Sistemas fracamente acoplados

● Possui dois ou mais sistemas computacionais independentes

● São conectados por um rede de comunicação

● Cada sistema tem o seu próprio processador, memória principal, dispositivos de E/S e sistemas operacional

Sistemas fortemente e fracamente acoplados

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Ciências da Computação

Sistemas fortemente e fracamente acopladosU

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Ciências da Computação

Sistemas Fortemente Acoplado X Sistemas Fracamente Acoplados

Sistemas fortemente e fracamente acoplados

Características Sistemas Fortemente Acoplados Sistemas Fracamente Acoplados

Espaço de endereçamento Centralizado Distribuído

Comunicação entre processadores Muito rápida Lenta

Arquitetura de hardware Complexa Mais simples

Sistema Operacional Homogêneo Geralmente heterogêneo

Cópias do Sistema Operacional Existe apenas uma Existem várias cópias, uma para cada sistemas

Programação paralela Mais fácil Mais difícil

Número de processadores Centenas Não existe limite

Escalabilidade Baixa Alta

Disponibilidade Baixa/média Média/alta

Administração Simples Complexa

Custo de software Menor Maior

Intercomunicação Proprietário Padronizada

Segurança Centralizada Distribuída

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Ciências da Computação

Divisão para os Sistemas Fortemente Acoplado e os Sistemas Fracamente Acoplados

Sistemas fortemente e fracamente acopladosU

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Ciências da Computação

● Possuem dois ou mais processadores compartilhando um único espaço de endereçamento e gerenciados por um único sistema operacional

● Tempo de acesso uniforme a memória (Uniform Memory Access– UMA)

MultiProcessadores Simétricos - SMP

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Ciências da Computação

Todos os componentes interligados a um único barramento● Sistemas limitados a poucos processadores● Dependência da velocidade do barramento

Arquitetura UMA

Problemas: apenas um unidade funcional pode utilizar o barramento em determinado instante de tempo

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Ciências da Computação

Todos os componentes interligados a um único barramento e cada CPU com sua cache individual

● Cache individual para leitura e escrita de dados

Arquitetura UMA

Problemas: quando dois ou mais processadores precisam compartilhar um dado para escrita

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Ciências da Computação

Barramento cruzado comutado● Diferentes unidades funcionais podem se comunicar

simultaneamente● Conflitos de acesso a uma mesma unidade são resolvidos pelo

hardware e/ou sistema operacional

Problemas: Para cada n processadores e n módulos de memória, são necessários n2

comutadores para interligar todos os pontos

Arquitetura UMAU

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Ciências da Computação

Rede ômega● Não existe um caminho exclusivo entre cada processador e um

módulo de memória● Os caminhos são compartilhados entre diversas unidade

funcionais

Arquitetura UMA

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Ciências da Computação

Non-Uniform Memory Acess (NUMA)

● O tempo de acesso a memória principal depende da localização física do processador

● Existem vários conjuntos reunindo processadores e memória

● Cada conjunto é conectado aos outros através de uma rede de interconexão

● Todos os conjuntos compartilham o mesmo SO

Multiprocessadores Não SimétricosU

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Ciências da Computação

Principal exemplo de Arquitetura NUMA

Arquitetura NUMA

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Ciências da Computação

Arquitetura NUMA – Outros exemplosU

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Ciências da Computação

Multiplus● Desenvolvido pela UFRJ/NCE● Permite até 128 conjuntos, cada um com até 8 Elementos de

Processamento (EP) ● Um EP é formado por um processador, uma memória cache e

um módulo de memória principal

Arquitetura NUMA

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Ciências da Computação

● são sistemas fracamente acoplados formado por nós conectados por uma rede de interconexão de alto desempenho dedicada

● Cada nó da rede é chamado de membro do cluster e possui seus próprios recursos (processadores, memória, dispositivos de E/S e sistemas operacionais)

● Geralmente os membros são do mesmo fabricante

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Ciências da Computação

● Cada membro possui seu próprio endereçamento

● A comunicação entre os membros se dá pelo mecanismo de troca de mensagens

● A rede de interconexão deve ser restrita aos membros do cluster

Clusters

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Ciências da Computação

Características● Maior tolerância a falhas● Alta disponibilidade● Escalabilidade● Balanceamento de carga

Utilizados em● Servidores web● Sistemas de comércio eletrônico● Servidores de banco de dados● Soluções de firewall

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Ciências da Computação

● O usuário não sabe o número de membros que compõem o cluster

● Para o usuário é um sistema único

● Quando ocorre uma falha em um membro, outro verifica o problema e assume as suas funções (failover)

● Após resolvido o problema, retorna situação inicial (failback)

● Permite o compartilhamento de dispositivos de E/S como discos e impressoras

● Pode ser usado para fazer processamento paralelo

Clusters

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Ciências da Computação

Exemplo de cluster

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Ciências da Computação

● Cada sistema ou host ou nó, possui seus próprios recursos de hardware (processador, memória e dispositivos de E/S)

● São totalmente independentes e interconectados por um rede de comunicação formando uma rede de computadores

● Pode ser usado em redes locais (LAN) e em redes distribuídas (WAN)

● A princípio não tem limite para o número de nós

● Cada nó possui seu SO e espaço de endereçamento

● Os sistemas operacionais podem ser diferentes, basta que os hosts se comuniquem pelo mesmo protocolo de rede

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Ciências da Computação

● Rede de computadores

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Ciências da Computação

● Principais topologias de rede de computadores

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Ciências da Computação

● O usuário tem acesso ao recurso especificando o nome ou endereço do nó onde o recurso é oferecido

● Cada nó compartilha seus recursos com o resto da rede

● Se acontecer um problema com algum nó, os demais pode continuar o processamento apenas não dispondo do recurso antes oferecido

● Não existe a ideia de imagem única do sistema

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Ciências da Computação

Perguntas?

Sistemas com múltiplos processadores