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ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

KARINA ITZEL PÉREZ GAYTAN

23/11/2012

CARDENAS VILLAFAÑA RUBEN ALEJANDRO

ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

MEMORIA COMPARTIDA DISTRIBUIDA

Los sistemas de Memoria Compartida Distribuida (DNS) son sistemas que, mediante software, emulan semántica de memoria compartida sobre hardware que ofrece soporte solo para comunicación mediante paso de mensajes. Este modelo permite utilizar una red de estaciones de trabajo de bajo costo como una maquina paralela con grandes capacidades de procesamiento y amplia escalabilidad, siendo a la vez fácil de programar. El objetivo principal de estos sistemas es permitir que un multicomputador pueda ejecutar programas escritos para un multiprocesador con memoria compartida.

Cada uno de los nodos en un sistema de DNS aporta una parte de su memoria local para construir un espacio global de direcciones virtuales que será empleado por los procesos paralelos que se ejecuten en el sistema. El software de DNS se encarga de interceptar las referencias a memoria que hacen los procesos, y satisfacerlas, ya sea local o remotamente. Si los accesos a memoria hacen referencia a posiciones almacenadas remotamente, es necesario llevar a cabo una transferencia a través de la red, con el consecuente overhead que esto conlleva. Por esta razón los sistemas de MCD tienen un comportamiento no uniforme respecto a los accesos a memoria. Sin embargo, a diferencia de los sistemas NUMA, en este caso los procesadores no tienen acceso a memoria remota en forma directa. Es necesario que medie un componente de software para permitir los accesos que no son locales.

MEMORIA COMPARTIDA MEMORIA DISTRIBUIDA

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COMPARTICION FALSA

La compartición falsa se produce cuando dos procesos se pelean el acceso a la misma página de memoria, ya que contiene variables que requieren los dos, pero estas no son las mismas. Esto pasa por un mal diseño del tamaño de las páginas y por la poca relación existente entre variables de la misma página.

En los MCD basados en variables se busca evitar la compartición falsa ejecutando un programa en cada CPU que se comunica con una central, la que le provee de variables compartidas, administrando este cualquier tipo de variable, poniendo variables grandes en varias páginas o en la misma página muchas variables del mismo tipo, en este protocolo es muy importante declarar las variables compartidas.En los MCD basados en objetos se busca el acceso a datos por medio de la encapsulación de la información y repartida a través de la red, estos objetos serán definidos por el Programador y las CPU´s cambiaran los estados según procedan con los accesos.

VIRTUALIZACION

Virtualización es la creación -a través de software- de una versión virtual de algún recurso tecnológico, como puede ser una plataforma de hardware, un sistema operativo, un dispositivo de almacenamiento u otros recursos de red.[1] En los ámbitos de habla inglesa, este término se suele conocer por el numerónimo "v11n".

Dicho de otra manera, se refiere a la abstracción de los recursos de una computadora, llamada Hypervisor o VMM (Virtual Machine Monitor) que crea una capa de abstracción entre el hardware de la máquina física (host) y el sistema operativo de la máquina virtual (virtual machine, guest), dividiéndose el recurso en uno o más entornos de ejecución.

Esta capa de software (VMM) maneja, gestiona y arbitra los cuatro recursos principales de una computadora (CPU, Memoria, Almacenamiento y Conexiones de Red) y así podrá repartir dinámicamente dichos recursos entre todas las máquinas virtuales definidas en el computador central. Esto hace que se puedan tener varios ordenadores virtuales ejecutándose en el mismo ordenador físico.

Una máquina virtual nos permite tener varios ordenadores virtuales ejecutándose sobre el mismo ordenador físico.

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MULTIPROCESADOR

Se denomina multiprocesador a un sistema que cuenta con más de un microprocesador, funcionando de modo paralelo e independiente del resto, para la ejecución de una o varias tareas, bajo el control de un único sistema operativo.

Son, pues, sistemas MIMD, en los cuales \varias unidades funcionales realizan Múltiple Instruction, Multiple Data

Diferentes operaciones sobre diferentes datos"[1]. Una de las características más interesantes de estos sistemas es el uso de memoria compartida, mediante el cual todos los procesadores disponen de un espacio de direccionamiento común.

Atendiendo a la forma en la que la memoria está distribuida, se puede clasificar a los Multiprocesadores como Multiprocesadores de Memoria Compartida(MMC en adelante) y como Multiprocesadores con memoria distribuida (MMD en adelante).

Tipos de Multiprocesadores

Aunque el presente documento se centra en los MMC, es adecuado ofrecer una pequeña introducción a los MMD.

MULTIPROCESADORES CON MEMORIA COMPARTIDA

En los MMC, la memoria se organiza en uno o varios módulos, compartidos por todos los procesadores a través de distintos tipos de interconexión (tratados más adelante), con un acceso constante. A este tipo de arquitectura se le conoce como UMA2. El acceso a los módulos por parte de los procesadores se realiza en paralelo, pero cada modulo solamente puede atender una petición en cada instante de tiempo.

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MULTIPROCESADORES CON MEMORIA DISTRIBUIDA

Este tipo de Multiprocesadores distribuye la memoria de manera que dentro de cada procesador posee uno o varios módulos de memoria propia y está conectado mediante una red de interconexión al resto de procesadores. De esta manera, cada procesador podrá acceder tanto a su memoria local, como a la memoria remota de cualquiera del resto de procesadores. Este tipo de arquitectura se denomina NUMA3.

Características de los Multiprocesadores de Memoria Compartida

Entre las características de los MMC se encuentran:Tiempos de acceso a memoria uniformes, ya que todos los procesadores se encuentran igualmente comunicados con la memoria principalLas lecturas y escrituras de cada uno de los procesadores tienen exactamente las mismas latenciasLa programación es mucho mas fácil que en los MMD, debido a que la gestión de la memoria de cada modulo es transparente para el programador.Al acceder simultáneamente a la memoria se producen colisiones y esperas, lo que es un problema.Debido a la organización de la arquitectura, es poco escalable en número de procesadores, debido a que puede surgir un cuello de botella si se aumenta el número de CPU´S.

MULTICOMPUTADORAS CON PASO DE MENSAJE

Los sistemas multicomputadores se pueden ver como un computador paralelo en el cual cada procesador tiene su propia memoria local. En estos sistemas la memoria se encuentra distribuida y no compartida como en los sistemas multiprocesador. Los computadores se comunican a través de paso de mensajes, ya que éstos sólo tienen acceso directo a su memoria local y no a las memorias del resto de procesadores.

El diagrama de bloques de un sistema multicomputador coincide con el de los sistemas UMA, la diferencia viene dada porque la red de interconexión no permite un acceso directo entre memorias, sino que la comunicación se realiza por paso de mensajes. La transferencia de los datos se realiza a través de la red de interconexión que conecta un subconjunto de procesadores con otro subconjunto. La transferencia de unos procesadores a otros se realiza por tanto por múltiples transferencias entre procesadores conectados dependiendo del establecimiento de dicha red.

Dado que la memoria está distribuida entre los diferentes elementos de proceso, estos sistemas reciben el nombre de distribuidos. Por otra parte, estos sistemas son débilmente acoplados, ya que los módulos funcionan de forma casi independiente.

Características de los multicomputadores

- La memoria es privada (es decir, cada procesador tiene un mapa de direcciones propio que no es accesible directamente a los demás).

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- La comunicación entre procesadores es por paso de mensajes a través de una red de interconexión.

- En un multicomputador, cada nodo es una computadora clásica.

- Los nodos colaboran para resolver juntos un mismo problema (ejecutar la misma aplicación).

- La compartición de datos es explícita, ya que el acceso a datos comunes es por paso de mensajes.

HARDWARE DE UNA MULTICOMPUTADORA

ARQUITECTURA DE PROCESADORES

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SISTEMA DISTRIBUIDO DE AREA AMPLIA

Sistemas cuyos componentes hardware y software, que están en ordenadores conectados en red, se comunican y coordinan sus acciones mediante el paso de mensajes, para el logro de un objetivo. Se establece la comunicación mediante un protocolo prefijado por un esquema cliente-servidor.

Características:

Concurrencia.- Esta característica de los sistemas distribuidos permite que los recursos disponibles en la red puedan ser utilizados simultáneamente por los usuarios y/o agentes que interactúan en la red.

Carencia de reloj global.- Las coordinaciones para la transferencia de mensajes entre los diferentes componentes para la realización de una tarea, no tienen una temporización general, está más bien distribuida a los componentes.

Fallos independientes de los componentes.- Cada componente del sistema puede fallar independientemente, con lo cual los demás pueden continuar ejecutando sus acciones. Esto permite el logro de las tareas con mayor efectividad, pues el sistema en su conjunto continua trabajando.

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En un sistema de un solo procesador la comunicación supone implícitamente la existencia de la memoria compartida:

Ej.: problema de los productores y los consumidores, donde un proceso escribe en un buffer compartido y otro proceso lee de él.

En un sistema distribuido no existe la memoria compartida y por ello toda la naturaleza de la comunicación entre procesos debe replantearse.

Los procesos, para comunicarse, deben apegarse a reglas conocidas como protocolos.

Para los sistemas distribuidos en un área amplia, estos protocolos toman frecuentemente la forma de varias capas y cada capa tiene sus propias metas y reglas.

Los mensajes se intercambian de diversas formas, existiendo muchas opciones de diseño al respecto; una importante opción es la “llamada a un procedimiento remoto”.

También es importante considerar las posibilidades de comunicación entre grupos de procesos, no solo entre dos procesos.

MULTIPROCESADOR BASADO EN BUS

a) sin uso de cacheb) con uso de cachec) con cache y memoria privada

UMA Bus-Based SMP Architectures UMA (Uniform Memory Access) SMP (simplest multiprocessors)

Conformado por cierta cantidad de CPU’s, conectados a un bus común, junto con un módulo de memoria.

Sin uso de cache (32 es inmanejable) Problemas del uso de caches: Inconsistencia de la memoria y difícil

programación. Solución: Caché de escritura: Escribe en el caché y en la memoria. Genera

tráfico para la primera lectura, así como todas las escrituras. Para asegurar la consistencia se realiza un monitoreo constante en el bus (caché monitor).

Con cache (+64 es inmanejable).

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SMP (Multiprocesador simétrico)

Los sistemas SMP utilizan una modalidad de procesamiento en paralelo en la que todos los procesadores son tratados como iguales". Los SMP están basados en el modelo de memoria de acceso uniforme, en donde la memoria física esta uniformemente compartida por todos los procesadores, lo cual implica que todos ellos posean los mismos tiempos de acceso a todas las palabras de memoria.Estos sistemas poseen una red de interconexión entre los distintos procesadores y la memoria, habitualmente en forma de bus, aunque también pueden tener otro tipo de sistema de interconexión. Cabe destacar que en los sistemas SMP todos los procesadores tienen el mismo acceso a los periféricos, lo cual implica que todos los procesadores tienen la misma capacidad para ejecutar programas tal como elKernel o las rutinas de entrada y salida. Otra característica importante es que todo el sistema está controlado por un mismo sistema operativo que posibilita la cooperación entre los procesadores y sus programas, debido a este alto nivel de cooperación se clasifican como sistemas fuertemente acoplados.

Arquitectura de memoria SMPEl principal problema que se presenta en los SMP en cuanto a su arquitectura de memoria es la coherencia de cache, ya que los distintos procesadores pueden mantener su propia cache, por lo tanto si uno de ellos módica un dato de la memoria compartida otros pueden mantener copias en su propia cache incoherentes.

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Para solucionar este problema hay diferentes estrategias hardware y software, aunque este aspecto merecerá un estudio en profundidad queda fuera del alcance de este documento. Los SMP no sólo se encuentran en entornos de supercomputación, si no que los PCs con procesadores multinucleo aplican esta arquitectura, tratando a cada núcleo como un procesador independiente.

DSM: Memoria compartida distribuida

Como hemos visto anteriormente, los sistemas de memoria compartida tradicionalesSMP, utilizan un mismo espacio de memoria compartido entre todos los procesadores. La comunicación entre la memoria y los procesadores generalmente se realiza mediante un bus, el cual puede llegar a suponer un cuello de botella en el acceso a memoria si el número de procesadores es sucientemente alto.

NUMA

Las arquitecturas NUMA (Non-Uniform Memory Architecture) intentan aliviar este cuello de botella, acercando parte de la memoria a cada procesador, aunque esto deriva en que el acceso a la memoria remota es más lento que el acceso a la memoria local. Desafortunadamente, tanto los sistemas SMP como NUMA tienen un precio elevado, lo que motiva el uso de los sistemas distribuidos, relativamente más baratos. No obstante, todas las comunicaciones y sincronizaciones deben hacerse mediante el paso de mensajes, ya que cada sistema tiene su propia memoria local, separada del resto. En general resulta más fácil la programación para sistemas con un solo procesador o sistemas multiprocesadores con un bloque de memoria compartida, que mediante el paso de mensajes, de ah el nacimiento de los sistemas DSM (Distributed Shared Memory), que no es más que una técnica para simular un espacio común de direcciones entre multicomputadores.

Existen varias alternativas para conseguir simular este espacio común de direcciones a partir de la arquitectura de memoria distribuida, por ejemplo mediante el uso de caches, más rápido y caro, mediante el uso de memoria virtual con medicaciones en el software, más lento y barato, o también mediante soluciones hibridas entre hardware y software. Como es de esperar los sistemas DSM también plantean varios problemas que hay que tener en cuenta y para los cuales se proponen distintas soluciones, una vez más el problema de la coherencia es uno de los principales focos de conecto, aunque su estudio queda fuera del alcance de este documento.

SISTEMAS OPERATIVOS MULTIPROCESADOR

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Una forma cada vez más común de obtener potencia de computación de primera línea es conectar varias CPUs en un mismo sistema. Dependiendo de la forma exacta de la conexión y de qué recursos se compartan, estos sistemas se llaman ordenadores paralelos, multicomputadores o multiprocesadores. Necesitan sistemas operativos especiales, pero con frecuencia éstos son variaciones de los sistemas operativos de servidor, con características especiales para la comunicación y su conectividad.

SINCRONIZACION DEL MULTIPROCESADOR

Los mecanismos de sincronización suelen implementarse mediante rutinas software que descansan en las instrucciones de sincronización proporcionadas por el hardware.

Sin esta capacidad, el coste de construir las primitivas básicas de sincronización será demasiado alto y se incrementara al incrementarse el número de procesadores. Estas primitivas forman los bloques de construcción básicos para implementar una amplia variedad de operaciones de sincronización a nivel de usuario, incluyendo elementos tales como los cerrojos y las barreras. Durante años ha habido un considerable debate sobre qué primitivas hardware deben proporcionar las maquinas multiprocesador para implementar estas operaciones de sincronización. Las conclusiones han cambiado a lo largo del tiempo, con los cambios de la tecnología y el estilo de diseño de las maquinas.

El soporte hardware tiene la ventaja de la velocidad, pero mover funcionalidad al software tiene la ventaja de la flexibilidad y la adaptabilidad a diferentes situaciones. Los trabajos de Dijkstra y Knuth mostraron que es posible proporcionar exclusión mutua únicamente con operaciones de lectura y escritura exclusiva (suponiendo una memoria con consistencia secuencial). Sin embargo, todas las operaciones de sincronización practicas descansan en primitivas atómicas del tipo leer-modificar-escribir, en donde el valor de una posición de la memoria se lee, modifica y se vuelve a escribir de manera atómica.

La historia del diseño del conjunto de instrucciones nos permite observar la evolución de soporte hardware para la sincronización. Una de las instrucciones clave fue la inclusión en el IBM 370 de una instrucción atómica sofisticada, la instrucción compareand- swap, para soportar la sincronización en multiprogramación sobre

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sistemas uniprocesador o multiprocesador. Esta instrucción compara el valor de una posición de la memoria con el valor de un registro específico, y si son iguales se intercambia el valor de la posición con el valor de un segundo registro. El Intel x86 permite añadir a cualquier instrucción un prefijo que la hace atómica, con lo que haciendo que los operandos fuente y destino sean posiciones de la memoria es posible utilizar la mayor parte del conjunto de instrucciones para implementar operaciones atómicas. También se ha propuesto que las operaciones de sincronización a nivel de usuario, como barreras y candados.

TIEMPO COMPARTIDO

El uso del tiempo compartido se refiere a compartir un recurso computacional entre muchos usuarios por medio de la multitarea. Su introducción en los años 1960, y su asentamiento como modelo típico de la computación en los años 1970, representa un cambio importante en la historia de la computación. Al permitir que un gran número de usuarios interactuara simultáneamente en una sola computadora, el coste del servicio de computación bajó drásticamente, mientras que al mismo tiempo hacía la experiencia computacional mucho más interactiva.

SISTEMAS DE DISTRIBUCION

HARDWARE DE RED

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PROTOCOLOS

Definición:

Es un conjunto bien conocido de reglas y formatos que se utilizan para la comunicación entre procesos que realizan una determinada tarea. Se requieren dos partes:

Especificación de la secuencia de mensajes que se han de intercambiar. Especificación del formato de los datos en los mensajes.

Un protocolo permite que componentes heterogéneos de sistemas distribuidos puedan desarrollarse independientemente, y por medio de módulos de software que componen el protocolo, haya una comunicación transparente entre ambos componentes. Es conveniente mencionar que estos componentes del protocolo deben estar tanto en el receptor como en el emisor.

Ejemplos de protocolos usados en los sistemas distribuidos:

IP: Protocolo de Internet.- Protocolo de la capa de Red, que permite definir la unidad básica de transferencia de datos y se encarga del direccionamiento de la información, para que llegue a su destino en la red.

TCP: Protocolo de Control de Transmisión.- Protocolo de la capa de Transporte, que permite dividir y ordenar la información a transportar en paquetes de menor tamaño para su transporte y recepción.

HTTP: Protocolo de Transferencia de Hipertexto.- Protocolo de la capa de aplicación, que permite el servicio de transferencia de páginas de hipertexto entre el cliente WEB y los servidores.

SMTP: Protocolo de Transferencia de Correo Simple.- Protocolo de la capa de aplicación, que permite el envío de correo electrónico por la red.

POP3: Protocolo de Oficina de Correo.- Protocolo de la capa de aplicación, que permite la gestión de correos en Internet, es decir, le permite a una estación de trabajo recuperar los correos que están almacenados en el servidor.

SERVICIOS DE RED

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Sistemas Comerciales.- Inicialmente fueron construidos con hardware dedicado y entornos centralizados, son, por sus características de distribución geográfica y necesidad de acceso a sistemas distintos, ideales para implementarse en sistemas distribuidos. Requieren ciertas características de fiabilidad, seguridad y protección. Algunos ejemplos son:

o Sistemas de reservas de líneas aéreas.o Aplicaciones bancarias.o Cajas y gestión de grandes almacenes.

Redes WAN.- Debido al gran crecimiento de este tipo de redes (Internet), ha tomado gran importancia el intercambio de información a través de la red. Y para esto tenemos los siguientes ejemplos:

o Los servicios comunes que brinda Internet: Correo electrónico, servicio de noticias, transferencia de archivos, la Wrld Wide Web, etc.

Aplicaciones Multimedia.- Son las últimas incorporaciones a los sistemas distribuidos. Estas aplicaciones imponen ciertas necesidades de hardware para poder tener una velocidad y regularidad de transferencia de una gran cantidad de datos. Los ejemplos de estos sistemas son:

o Videoconferencia.o Televigilancia.o Juegos multiusuarios.o Enseñanza asistida por ordenador.

Áreas de la informática aplicada a los Sistemas Distribuidos.- En este punto se tienen en cuenta toda la variedad de aplicaciones de los sistemas distribuidos, pues su diseño involucra a muchas áreas, por ejemplo:

o Comunicaciones.o Sistemas operativos distribuidos.o Base de datos distribuidos.o Servidores distribuidos de ficheros.o Lenguajes de programación distribuidos.o Sistemas de tolerancia de fallos.

Redes de comunicación Cableadas PAN: USB (1 m, 12 - 480 Mbps) LAN: Ethernet (1 km, 10 - 1000 Mbps) MAN: ATM (10 km, 1 - 150 Mbps) WAN: Internet (ámbito mundial, 0,5 - 600 Mbps)

Inalámbricas

PAN: Bluetooth (10 m, 0,5 - 2 Mbps), Zigbee, IrDA LAN: WiFi (100 m, 2 - 54 Mbps) MAN: WiMAX (10 km, 1,5 - 20 Mbps) WAN: UMTS (ámbito mundial, 2 Mbps)

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Soporte hardware de un sistema distribuido conjunto de nodos con espacios propios de memoria y E/S. Cada nodo posee su propio SO y los servicios de red básicos

Ejemplos: multicomputadores, redes LAN / WAN _Problema para la integración: heterogeneidad *hardware, sistema operativo… _Solución: sistemas abiertos * especificación pública de su interfaz * estándares: oficiales vs de facto (OSI vs TCP/IP)

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