arquitetura de sistemas operacionais – machado/maia cap. 13 – sistemas com múltiplos...

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 1

Arquitetura de Sistemas Arquitetura de Sistemas OperacionaisOperacionais

Francis Berenger MachadoFrancis Berenger MachadoLuiz Paulo MaiaLuiz Paulo Maia

Capítulo 13Capítulo 13Sistemas com Múltiplos ProcessadoresSistemas com Múltiplos Processadores

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 2

Sumário

• Introdução  • Vantagem e Desvantagens  • Tipos de Sistemas Computacionais  • Sistemas Fortemente e Fracamente

Acoplados • Sistemas com Múltiplos Processadores

Simétricos  – Evolução dos Sistemas Simétricos  – Arquitetura dos Sistemas Simétricos  

• Sistemas NUMA  

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 3

Sumário

• Clusters  • Sistemas Operacionais de Rede  • Sistemas Distribuídos  

– Transparência  – Tolerância a Falhas  – Imagem Única do Sistema

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 4

Vantagens e Desvantagens

• Desempenho• Escalabilidade• Relação custo/desempenho• Tolerância a falhas e disponibilidade • Balanceamento de carga • Problemas de comunicação e

sincronização • Organizar de forma eficiente os

processadores • Tolerância contra falhas é dependente

do sistema operacional

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 5

Tipos de Sistemas Computacionais

• SISD (Single Instruction Single Data) • SIMD (Single Instruction Multiple Data) • MISD (Multiple Instruction Single Data) • MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 6

Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados

U C P U C PM em ó riaPr in cip a l

D ispo sitivo sd e E/ S

D ispo sitivo sd e E/ S

(a ) Sistem a s fo rtem ente acop lad os

U C P U C P

M em ó riaPr in cip a l

M em ó r iaPr in cip a l

D ispo sitivo sd e E/ S

l in k de com u n icaçã o

D ispo sitivo sd e E/ S

(b ) Sistem a fraca m en te a co p la dos

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 7Arq

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Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados

• Sistemas com múltiplos processadores

M IM D

Sistem a s Fo rtem enteA cop la do s

SM P Sistem a sD istr ib u ído sC lu ster

Sistem a sO peracion a is

d e RedeN U M A

Sistem a s Fracam en teA cop la do s

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 8Arq

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Sis

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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento único

D ispo sitivo sd e E/ SM em ór ia

Pr in cip a l

U C P U C P U C P

. . .

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 9

Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento único com cache

C ache C acheC ache

D ispo sitivo sd e E/ SM em ór ia

Pr in cip a l

U C P U C P U C P

. . .

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 10

Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento cruzado comutado

P1

P2

P3

P4

M 1 M 2 M 3 M 4

C om uta do r

M em ór ia s

Pro

cess

ad

ore

s

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 11

Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Rede Omega

M 1

M 2

M 3

M 4

P1

P2

P3

P4

C om utado r

M em ór ia sProcessad o res

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 12

Sistemas NUMA

• Exemplo de arquitetura NUMA

M 1P2 P3P1

M 2P5 P6P4

M 3P8 P9P7

Barram ento in terno

Ba

rra

men

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nte

r-co

nju

nto

Co

nju

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 13

Sistemas NUMA

• Topologias NUMA

(a ) Fa t- tree

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 14

Sistemas NUMA

• Topologias NUMA

(b ) A n el

(c) G rid 2D

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 15

Sistemas NUMA

• Topologias NUMA

(d ) To rus 2D (e) H ip ercub o

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 16

Sistemas NUMA

• Arquitetura DASH

C 1 C 2 C 3 C 4

C 5 C 6 C 7 C 8

C 9 C 10 C 11 C 12

C 13 C 14 C 15 C 16

M P D iretó r io

P P P P

C on ju n to

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 17

Sistemas NUMA

• Arquitetura do Multiplus

EP1 EP2 EP3 EP8. . .

EP1 EP2 EP3 EP8. . .

Red

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e In

terc

on

exã

o M

ulti

está

gio

.

.

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 18

Clusters

• Exemplo de cluster

G ab in eted e d isco s

Rede de in tercon exão

Mem

bro

1

Mem

bro

2

Rede de acesso

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 19

Sistemas Operacionais de Rede

• Rede de computadores

H ost

H ost

H ost

H ost

H ost

H ost

H ost

H ost

Rede deC om un icaçã o

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 20

Sistemas Operacionais de Rede

• Topologias de redes de computadores

(a ) A ne l (b ) Estrela (c) To ta lm enteLiga da

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 21

Sistemas Operacionais de Rede

• Topologias de redes de computadores

(d ) Ba rram en to

(e) Á rvo re(f) Pa rcia lm en te

Liga da

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 22

Sistemas Distribuídos

• Sistema distribuído

Rede de C o m p utad o res

Im ag em ún icad o sistem as

U su á r io

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 23

Sistemas Distribuídos

• Transparência– 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

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 24

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

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Cap. 13 – Sistemas com Múltiplos Processadores 25

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