Arquitetura de Sistemas Operacionais

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• Arquitetura de Sistemas Operacionais
• Francis Berenger Machado
• Luiz Paulo Maia
• Complementado
• Capítulo 13
• Sistemas com Múltiplos Processadores

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Sistemas com Múltiplos Processadores

• Arquiteturas que possuem duas ou mais CPUs
  interligadas funcionando em conjunto na execução
  de programas
• Processando tarefas independentes ou
  simultaneamente processando uma mesma tarefa
• Paralelismo a nível de instrução ou de tarefas
• Opção com melhor custo/benefício em relação a
  desenvolver processadores mais rápidos
• Custo elevado, limitações físicas p/ maior
  desempenho
• Surgimento de aplicações que demandam grande
  poder computacional
• Previsão do tempo, Dinâmica dos fluidos, Genoma
  humano, Simulação de eventos raros, Modelagem
  computacional de sistemas

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Principais Vantagens

• Desempenho
• Apesar de não ser linear, desempenho aumenta a
  medida que novos processadores são acrescentados
  à arquitetura
• Maior throughput, menor tempo de resposta, menor
  tempo de processamento
• Ganho obtido pela execução simultânea de tarefas
  independentes
• Aumento de throughput, atende número maior de
  usuários simultaneamente
• Ganho obtido pela execução simultânea de uma
  mesma tarefa por vários processadores
• Depende da organização dos processadores,
  linguagem de programação utilizada, grau de
  paralelismo da aplicação

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Principais Vantagens

• Escalabilidade
• Capacidade de computação é ampliada ao se
  adicionar novos processadores ao hardware
• Custo inferior ao da aquisição de um sistema com
  maior desempenho
• Relação custo/desempenho
• Tolerância a falhas e disponibilidade
• Sistema se mantém em operação mesmo no caso de
  falha de algum dos processadores
• Apenas a capacidade é diminuída
• Disponibilidade aumenta em função do número mais
  reduzido de paradas

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Balanceamento de Carga e Desvantagens

• Balanceamento de carga
• Distribuição do processamento entre os diversos
  processadores melhora desempenho do sistema como
  um todo
• Desvantagens de sistemas multiprocessadores
• Introdução de novos problemas de comunicação e
  sincronização
• P/ex. vários processadores podem estar acessando
  a mesma posição de memória
• Organização de processadores, memórias e
  periféricos devem permitir boa relação
  custo/benefício
• Tolerância a falhas pode ser dependente do SO e
  não apenas do hardware
• Difícil implementação

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Tipos de Sistemas Computacionais

• Podem ser classificados quanto ao grau de
  paralelismo no processamento de instruções e
  dados
• Modelo proposto por Flynn (1966) ainda é usado
• SISD (Single Instruction Single Data)
• Sistemas que suportam seqüência única de
  instrução e apenas uma seqüência de dados
• Engloba maioria dos sistemas monoprocessador
• SIMD (Single Instruction Multiple Data)
• Sistemas que suportam seqüência única de
  instruções e múltiplas seqüências de dados
• Permite a execução de uma mesma instrução sobre
  diferentes elementos de dados (p/ex., vetores)
• Vantajoso p/ aplicações c/ alto grau de
  paralelismo

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Tipos de Sistemas Computacionais

• SIMD (Single Instruction Multiple Data)
• Computadores específicos desenvolvidos para este
  modelo, chamados supercomputadores ou
  computadores vetoriais
• Ex. Cray T90, com 8 registradores vetoriais,
  cada qual com 128 elementos, e até 32
  processadores
• MISD (Multiple Instruction Single Data)
• Permite múltiplas seqüências de instrução e um
  única seqüência de dados
• Nenhuma arquitetura desenvolvida para este modelo
• MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)
• Múltiplas seqüências de instrução e múltiplas
  seqüências de dados
• Compreende maioria dos sistemas com múltiplos
  processadores

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Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados

• Arquiteturas MIMD podem ser classificadas quanto
  a seu grau de acoplamento
• Compartilhamento de memória, distância entre
  processadores, tempos de acesso, mecanismos de
  comunicação e sincronização
• Sistemas fortemente acoplados são aqueles onde os
  processadores compartilham uma mesma MP e são
  governados por um mesmo SO
• Sistemas fracamente acoplados são aqueles que
  possuem dois ou mais sistemas computacionais
  independentes conectados em rede

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Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados
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Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados

• Sistemas fortemente acoplados podem ser
  subdivididos quanto à forma de compartilhamento
  de memória
• SMP (Symmetric Multiprocessors)
• 2 ou mais processadores compartilhando mesmo
  espaço de endereçamento
• Tempo de acesso à MP é uniforme p/ processadores
• NUMA (Non-Uniform Memory Access)
• Tempo de acesso à memória depende da localização
  física do processador
• Vários conjuntos de processadores e memória, cada
  conjunto ligado aos demais por uma rede de
  interconexão

ASO Machado/Maia complem. por Sidney Lucena
(UNIRIO)
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Sistemas Fortemente e Fracamente Acoplados
ASO Machado/Maia complem. por Sidney Lucena
(UNIRIO)
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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• A organização interna de processadores, memória e
  dispositivos de E/S determinam o dimensionamento
  do sistema e o mecanismo de acesso à MP
• Fundamental para o projeto de sistemas simétricos
• Formas de interligação mais usuais das unidades
  funcionais
• Barramento único
• Barrameno único com cache
• Barramento cruzado comutado (crossbar)
• Rede Ômega

ASO Machado/Maia complem. por Sidney Lucena
(UNIRIO)
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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento único
• Forma mais simples, econômica e flexível
• Somente uma unidade funcional pode usar o
  barramento num dado instante
• Gargalo!
• Se barramento falha, todo o sistema é
  comprometido

ASO Machado/Maia complem. por Sidney Lucena
(UNIRIO)
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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento único com cache
• Reduz limitação imposta pela velocidade do
  barramento
• Cache reduz latência das operações de acesso à MP
• Apresenta problema de Coerência de Cache
• Caches de cada processador podem ter sido
  modificadas para os mesmos endereços na MP
• Solução mais usada write-back c/ write-invalidate

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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Barramento cruzado comutado
• MP é dividida em N módulos, unidades funcionais
  conectadas entre si por uma matriz comutadora
  (crossbar)
• Possibilita N comunicações simultâneas
• HW e SO devem resolver conflitos de acesso
• Se N for grande, custo da matriz será muito alto

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Arquitetura dos Sistemas Simétricos

• Rede Omega
• Forma de reduzir o custo da matriz de comutação
  da arquitetura crossbar
• Não há ligações exclusivas entre processadores e
  módulos de memória, caminhos são compartilhados
• Usa técnica de comutação das redes de pacotes
• Aumenta a possibilidade de conflitos, maior
  latência

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Sistemas NUMA

• Vários conjuntos de processadores e memória,
  interconectados por rede interna, compartilham
  mesmo SO e espaço de endereçamento
• Tempo de acesso à memória segue esquema
  hierárquico
• Acessos mais rápidos à memória local

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Sistemas NUMA

• Redes de interligação dos conjuntos de
  processadores memória

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Sistemas NUMA

• Redes de interligação dos conjuntos de
  processadores memória

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Sistemas NUMA

• Redes de interligação dos conjuntos de
  processadores memória

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Sistemas NUMA

• Arquitetura DASH (Universidade de Standford)
• Cada conjunto possui 4 processadores, módulo da
  MP, dispositivos de E/S e Diretório
• Diretório estrutura usada para fazer coerência
  de cache

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Sistemas NUMA

• Arquitetura do Multiplus (NCE/UFRJ)
• Cada EP formado por processador, cache e módulo
  da MP
• Rede de interconexão usa topologia n-cube
  invertido

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Clusters

• São sistemas fracamente acoplados, formados por
  nós interconectados em rede dedicada de alto
  desempenho
• Cada nó (membro) possui seus próprios recursos
  (processador, MP, SO, E/S, etc)
• Cada membro possui seu próprio espaço de
  endereçamento

• Escalabilidade, disponibilidade, tolerância a
  falhas, balanceamento de carga
• Transparência para o usuário

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Topologias de Redes de Computadores

• Rede de computadores
• Nós são totalmente independentes dos demais,
  podendo ser heterogêneos
• Cada nó possui seu próprio SO, processador, MP,
  etc
• Cada nó é unicamente identificado na rede

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Topologias de Redes de Computadores

• Topologias de redes de computadores

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Topologias de Redes de Computadores

• Topologias de redes de computadores

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Sistemas Distribuídos

• Conjunto de sistemas interconectados por rede que
  funcionam como se fosse um único sistema
• Sistemas fracamente acoplados do ponto de vista
  de HW mas fortemente acoplados do ponto de vista
  de SW
• Para usuários e aplicações é como se não houvesse
  rede, apenas uma imagem única do sistema (single
  system image)

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Sistemas Distribuídos

• Permitem a execução de aplicações distribuídas
• Partes da aplicação podendo ser executadas em
  qualquer dos sistemas componentes
• Necessário haver transparência e tolerância a
  falhas em diversos níveis
• Transparência de acesso
• Transparência de localização
• Transparência de migração
• Transparência de replicação
• Transparência de concorrência
• Transparência de paralelismo
• Transparência de desempenho
• Transparência de escalabilidade
• Transparência a falhas (incluindo falhas de SW)