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Aula 5 de Arquitetura de Computadores

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Transcript

  • 1. Arquitetura de Computadores
    Universidade de São Paulo
    Dr. Jorge Luiz e Silva
  • 2. Arquiteturas
    Multiprocessadores
    Sistemas de Interconexão
    Sistemas Multiprocessadores
    Sistemas Multicomputadores
  • 3. Sistemas de Interconexão
    • Também conhecidos como redes de interconexão, podem ser usado: para conexão interna entre processadores, módulos de memória, e I/O; ou para formar uma rede distribuída de nós em um sistema multicomputador.
    • 4. Os sistemas de interconexão, também chamados de redes, podem ser classificados em estáticos ou dinâmicos, para sistemas multicomputador e multiprocessador respectivamente.
  • Classificação das Redes de Interconexão
    • Redes Estáticas
    • 5. formados por conexões ponto-a-ponto, que não mudam durante a execução de programas.
    • 6. Em geral temos conexões fixas a um sistema central, ou múltiplos computadores (nós) em um sistema distribuído.
    • 7. Redes Dinâmicas
    • 8. Podem ser dinamicamente configurada conforme demanda de comunicação durante execução de programas.
    • 9. Barramentos, comutadores crossbar, redes multi-estágio, geralmente utilizados em memória compartilhada.
  • Propriedade das Redes de Interconexão
    • Em geral uma rede é representada por um grafo com número finito de nós ligados por linhas (links, canais) direcionadas ou não.
    • 10. O número de links incidentes a um nó é chamado de grau do nó.
  • Redes de Interconexão Estática
    • Array Linear:
    • 11. Rede unidimensional onde N nós são conectados por N-1 links em uma linha.
    • 12. Mais simples tecnologia de conexão.
    • 13. O sistema perde em eficiência quando N se torna grande.
    • 14. Anel
    • 15. Um array linear formando um circulo.
    • 16. Pode ser unidirecional ou bidirecional.
    • 17. É um sistema simétrico de grau 2
    • 18. Aumentando o grau para 3 ou 4 temos um Anel em forma de colar.
    • 19. Extremo é uma rede completamente conectada.
  • 20. Redes de Interconexão Estática
    • Árvore e Estrela
    • 21. Árvore Binária com máximo grau 3
    • 22. Árvore Binária FAT - capacidade de transmissão no canal aumenta das folhas para a raiz. É uma solução para o maior problema em uma árvore binária comum, onde o gargalo do sistema é justamente na raiz, onde o transito de mensagens passa a ser maior.
    • 23. Malhas
    • 24. Muito utilizados em máquinas comerciais Illiac IV, MPP, DAP, CM-2 e Intel Paragon.
    • 25. Alguns modelos misturam anel com malhas. (Illiacmesh, e Torus)
  • 26.
  • 27. Redes de Interconexão Estática
    • SystolicArray
    • 28. Em geral utilizado para implementar algoritmos pré-definidos como multiplicação de matrizes.
    • 29. Como um exemplo podemos assumir um modelo onde os nós interiores tenham grau 6.
    • 30. Muito utilizado em aplicações como sinal/imagem, podendo oferecer melhor resultados de performance.
    • 31. Hipercubos
  • 32. Redes de Interconexão Dinâmica
    • Barramento Digital:
    • 33. Conjunto de fios e conectores para transferência de dados entre processadores, módulos de memória, e dispositivos periféricos.
    • 34. Usado somente para uma transmissão por vez por um elemento (Mestre) para um elemento (Escravo)
    • 35. Para múltiplas requisições, um sistema de arbitragem deve decidir quem utilizará o barramento.
    • 36. Também chamado de barramento por contenção
  • 37. Redes de Interconexão Dinâmica
    • Módulos Comutadores
    • 38. Um comutador a×b tem uma entrada a e uma saída b.
    • 39. Um comutador binário corresponde a 2×2 com a=b=2.
    • 40. Podemos ter várias configurações para os comutadores.
    • 41. Cada entrada pode ser conectado a uma ou mais saídas, mas não muitas entradas a uma única saída.
    • 42. Se mapeamos apenas um-para-um, chamamos o módulo de n×nCrossbar. Ex: 2×2 crossbar podemos conectar direto ou cruzado.
  • 43. Redes de Interconexão Dinâmica
    • Redes Multi-estágio
    • 44. Alguns comutadores a×b são utilizados em estágios diferentes.
    • 45. Conexão inter-estágio são fixas
    • 46. As conexões entre entrada e saída dos comutadores podem ser dinamicamente estabelecido.
    • 47. Rede Omega:
    • 48. 16 × 16 comutador (2×2) com 4 estágios
    • 49. diferentes combinações podem ser obtidas para a interconexão entre as entradas e saídas.
  • 50.
  • 51. Redes de Interconexão Dinâmica
    • Redes Crossbar
    • 52. Rede de um único estágio construído com comutadores unários em cada crosspoint.
    • 53. Cada crosspoint pode determinar uma conexão dedicada entre dois pares.
  • 54. Sistemas Multiprocessadores
    • Sistemas de Interconexão
    • 55. Em geral processamento paralelo demandam sistemas de interconexão que permitam comunicação rápida entre processadores, memória compartilhada, e dispositivos periféricos.
    • 56. Nesse sentido são muito utilizados: Barramentos, Comutadores Crossbar, e Redes Multi-estágio.
    • 57. Em uma arquitetura genérica, pode-se combinar estruturas UMA, NUMA, e COMA.
    • 58. Cada processador possui uma memória própria, ligado a um cache privado, e os processadores estão interligados a uma memória compartilhada.
  • 59. Sistemas Multiprocessadores
    • Mecanismos de Controle nas Interconexões
    • 60. Síncrono ou Assíncrono. Nas redes síncronas, existe um relógio global que sincroniza todas as atividades da rede. Nas redes assíncronas, mecanismos como HandShaking são utilizados para a comunicação.
    • 61. Circuitos de Comutação ou Pacotes de Comutação
    • 62. Circuitos de Comutação são caminhos definidos entre dois elementos que permanecem ligados enquanto existir mensagens.
    • 63. Pacotes de Comutação, as mensagens são divididas em pacotes que percorrem a rede da fonte ao destino sem um caminho pré-definido.
  • Sistemas Multiprocessadores
    • Estratégia de controle
    • 64. Centralizado ou Distribuído.
    • 65. Centralizado: controlador global recebe requisições de todos os dispositivos ligados à rede e permite acesso à rede a um ou mais dispositivos.
    • 66. Distribuído: requisições são manipuladas por dispositivos locais independentemente.
  • Sistema Multiprocessadores Barramentos Hierárquicos
    • Barramentos Hierárquicos
    • 67. Consiste de barramentos conectando vários sistemas em um computador.
    • 68. Cada barramentos possui um número de sinais, controles, e power.
    Barramento Local:
    • Implementados em placas de circuito impresso.
    • 69. Linhas de endereços, dados, e alguns dispositivos I/O
    • 70. Backplane:
    • 71. Implementados em placas de circuito impresso, onde são colocados alguns conectores para conectar placas diferentes. (Ex: VME bus)
    26
  • 72. 27
  • 73. 28
  • 74. 29
  • 75. Sistema Multiprocessadores Comutadores Crossbar e Memória Multiporto
    • Rede com único estágio com comutadores unários em cada crosspoint.
    • 76. Todo processador pode enviar requisições de memória independentemente e assincronamente o que implica em conflitos no acesso mas a cada vez um é atendido.
    30
  • 77. Sistema Multiprocessadores Um Comutador Crossbar
    • Em um sistema n×m crossbar, para cada uma das n linhas de conexões, somente um dos elementos das colunas de m pode ser conectado por vez.
    • 78. Cada crosspoint tem um hardware específico para essa conexão.
    • 79. Além disso, cada crosspoint possui linhas de endereços, dados, e controle, similar a um pequeno barramento.
    • 80. Se n e m são grandes, o hardware começa a ficar proibitivo.
    31
  • 81. 32
  • 82. Sistema Multiprocessadores Memórias Multiporto
    • Crossbar para grandes sistemas é proibitivo
    • 83. Memórias Multiporto resolve o problema.
    • 84. Idéia é mover todos os crosspoint e funções de comutação associados a cada módulo de memória para um controlador de memória.
    33
  • 85. 34
  • 86. Sistema Multiprocessadores Redes Multi-estágio
    • Roteamento na Rede Omega
    • 87. Roteamento é definido através do endereço destino
    • 88. Quando o bit de mais alta ordem no destino é 0, um comutador 2×2 conecta a entrada na saída superior. Se 1 o comutador conecta a entrada na saída inferior.
    • 89. Supondo uma conexão da entrada 001 com a saída 011. Envolverá os comutadores A, B e C conforme descrito na figura a seguir.
    35
  • 90. 36
  • 91. Sistemas Multicomputador
    • Podemos destacar duas gerações: Passado e Presente, com uma nova geração emergente.
    • 92. Mecanismos fixos de interconexão
    • 93. Mecanismos de comunicação por troca de mensagens.
    • 94. Primeira Geração: i80286, 512Kbytes de memória local em cada nó e 8 portos de I/º
    • 95. Segunda Geração: i860, ou Processadores implementados em VLSI, com diferentes quantidades de nós.
    • 96. Gerações Futuras: VLSI implementando nós com vários processadores, roteadores e memórias em um único Chip.
    37
  • 97. 38
  • 98. 39
  • 99. Sistema Multiprocessadores Mecanismos de Troca de Mensagem
    • Mensagem é uma unidade lógica de comunicação entre nós.
    • 100. Mensagem podem ser divididas em pacotes de comprimento fixo, ou variável.
    • 101. Pacote é uma unidade básica contendo endereço destino para roteamento.
    • 102. Como pacotes podem alcançar o destino assincronamente, é necessário identificar cada pacote para permitir a remontagem das mensagens.
    40
  • 103. 41
  • 104. Sistema Multiprocessadores Mecanismos de Troca de MensagemArmazena e Reenvia
    • Pacote é a unidade de informação no mecanismo armazena e reenvia.
    • 105. Cada nó possui um buffer para um pacote.
    • 106. Um pacote é transmitido de um nó fonte para um nó destino através de nós intermediários.
    42
  • 107. 43
  • 108. Sistema Multiprocessadores Mecanismos de Troca de Mensagem - Wormhole
    • Subdividimos pacotes em pequenos sub-pacotes chamados flits.
    • 109. Todos os Flits em um mesmo pacote são transmitidos em ordem em um mecanismo pipeline de recepção de flits.
    • 110. Somente o header flit sabe onde o pacote deve ir, e todos os flits de dados seguem esse header flit, o que significa um caminho pré-definido.
    • 111. Uma simbologia seria um trem cujo header flit é a máquina e os outros flits são os vagões.
    44
  • 112. 45
  • 113. 46