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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.