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Ciências da Computação
Sistema com Múltiplos processadores
Prof. MsC. Edílson Leite da SilvaEmail: [email protected]
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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
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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
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