Programação de Sistemas

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Luiz Fernando Porto de Paiva
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1 Programação de Sistemas Multi-núcleos Programação de Sistemas Core : 1/19

2 Introdução (1) [Def] núcleo ( core ) é uma unidade de processamento. O multicore (Dual, Quad,...) possui 2 ou mais núcleos que residem em diferentes pastilha de silício ( chip ) encapsuladas no mesmo circuito e ligadas por um barramento local residem na mesma pastilha de silício ( chip ). Esta é a forma mais usada, porque os barramentos são mais lentos. Teoricamente um Dual core tem eficiência dupla de um núcleo singular. Na realidade, os ganhos só chegam aos 50% Programação de Sistemas Core : 2/19

por um barramento local residem na mesma pastilha de silício ( chip ).

3 Introdução (2) Calendarização Primeiro processador com dois núcleos, Power 4, criado pela IBM em Primeiro Dual core da Intel distribuído em Jan O MIT desenvolveu o Tile64 com 64 núcleos e comercializado pela empresa Tilera. Processadores multi-núcleo são MIMD: executam threads distintas (Multiple Instructions), operando em diferentes partes de memória (Multiple Data). Programação de Sistemas Core : 3/19

O MIT desenvolveu o Tile64 com 64 núcleos e comercializado pela empresa Tilera.

4 Arquitectura multi-núcleo (1) 1. Os computadores clássicos são de núcleo singular. Single core 2. Múltiplos núcleos permitem tornar os computadores mais potentes. 1º Core 2º Core 3º Core 4º Core Programação de Sistemas Core : 4/19

5 Arquitectura multi-núcleo (2) Os núcleos partilham a memória central. As memórias cache são L1 privadas L2 privadas nalguns núcleos, partilhadas noutros. O suporte de várias núcleos é designado SMP-Symmetric Multiprocessing Disponibilizado no kernel Usado por omissão no Ubuntu 7.10 e Fedora Core 6. As threads correm de forma independente em cada núcleo. Programação de Sistemas Core : 5/19

O suporte de várias núcleos é designado SMP-Symmetric Multiprocessing Disponibilizado no kernel 2.4.

6 Bus Bus L2 Cache and Control L2 Cache and Control Arquitectura multi-núcleo (3) L1 D-Cache D-TLB L1 D-Cache D-TLB Integer Floating Point Integer Floating Point Schedulers Schedulers Uop queues Uop queues Rename/Alloc Rename/Alloc BTB Trace Cache ucode ROM BTB Trace Cache ucode ROM Decoder Decoder BTB and I-TLB Thread 1:floating point BTB and I-TLB Thread 2:integer op Programação de Sistemas Core : 6/19

queues Rename/Alloc Rename/Alloc BTB Trace Cache ucode ROM BTB Trace Cache ucode ROM Decoder Decoder

7 Coerência de cache (1) Possuindo cada núcleo memória cache privada, coloca-se o problema de coerência. Exemplo: seja a variável i, com valor ) Núcleos 1 e 2 lêm conteúdo de i. Core 1 Core 2 i=125 i=125 i=125 Memória central Programação de Sistemas Core : 7/19

Exemplo: seja a variável i, com valor 125.

8 Coerência de cache (2) 2) Núcleo 1 actualiza i para 20. Core 1 Core 2 i=20 i=125 i=20 Memória central 3) Núcleo 2 lê valor de i da sua cache, que não é coerente! Soluções: ao alterar uma variável, o núcleo envia a todos os outros núcleos uma indicação de não validade (menos tráfego nos casos de múltiplas alterações). o núcleo envia a todos os outros núcleos o valor actualizado. Programação de Sistemas Core : 8/19

9 Estado de núcleos O leitor pode aceder no Windows, através do gestor de tarefas, ao estado dos dois núcleos. Core 1 Core 2 Programação de Sistemas Core : 9/19

10 Vantagens/Inconvenientes do SMP As aplicações que beneficiam do SMP: Servidores de bases de dados. Servidores Web. Compiladores. Aplicações científicas. Compressão de áudio e vídeo. Há aplicações para as quais o SMP pode ser mais lento: Processadores de texto. Jogos. Programação de Sistemas Core : 10/19

Aplicações científicas. Compressão de áudio e vídeo.

11 Multithreading (1) O pipeline do núcleo pode ficar parado ( stalled ) devido a: Espera do resultado da unidade aritmética (ex: multiplicação em vírgula flutuante é muito demorada). Espera de chegada de um dado vindo da memória. Na arquitectura SMT-Simultaneous Multithreading, várias threads operam simultaneamente no mesmo núcleo. Uma thread opera inteiro, outra opera vírgula flutuante. Atenção! Duas threads não podem efectuar, no mesmo núcleo, o cálculo de inteiros ao mesmo tempo! Tempos mortos das unidades do pipeline de um fio de execução podem ser ocupados por outro fio de execução. Programação de Sistemas Core : 11/19

Na arquitectura SMT-Simultaneous Multithreading, várias threads operam simultaneamente no mesmo núcleo.

12 Bus L2 Cache and Control Multithreading (2) L1 D-Cache D-TLB Integer Floating Point Schedulers BTB Uop queues Rename/Alloc Trace Cache ucode ROM Etapas de execução de uma instrução Decoder BTB and I-TLB Thread 2: integer operation Thread 1: floating point Programação de Sistemas Core : 12/19

ROM Etapas de execução de uma instrução Decoder BTB and I-TLB Thread 2:

13 Multithreading (3) A Intel implementou SMT (primeiro no Xeon em 2002, depois no Pentium 4), designada por Hyper-Threading. Nota: Segundo a Intel, implementação do HT melhorou desempenho 15%-30% para aumento na superfície de apenas 5%. Cada núcleo possui Processadores lógicos AS-Architecture State, cada um com registos de uso geral, cache L1 de 16KB, controlador de interrupções APIC. Um processador físico comum, com barramento de sistema, cache L2 de 1MB, ALU e FPU. AS Núcleo AS Recursos de execução Programação de Sistemas Core : 13/19

Cada núcleo possui Processadores lógicos AS-Architecture State, cada um com registos de uso geral, cache L1 de 16KB, controlador de

14 Programação paralela (1) Neste capítulo, a concorrência (processos e fios de execução) foi programada por funções do sistema operativo. Esta abordagem revela alguns inconvenientes: Exige conhecimentos especializados de programação, fora do âmbito de trabalho de alguns utilizadores (físicos, meteorologistas, projectistas de automóveis,...). Dirigidos para multiprocessamento, pouco praticáveis para sistemas paralelos e distribuídos. Uma alternativa é mascarar, o mais possível, o paralelismo no compilador ou na linguagem de programação. Programação de Sistemas Core : 14/19

utilizadores (físicos, meteorologistas, projectistas de automóveis,...).

15 Programação paralela (2) 1. Compiladores estendidos detectam paralelismo em programas sequenciais e produzam programas executáveis em paralelo. Existem vários tipos de paralelismo Dados: mesma operação aplicada a dados distintos for(i=0;i<10;i++) a[i]=b[i]+c[i]; Funcional: operações distintas exercidas sobre dados distintos a=2; b=3; m=(a+b)/2; s=(a^2+b^2)/2; 2. Linguagem de programação (ex: FORTRAN e C) são estendidas com APIs dedicadas a determinadas arquitecturas. Programação de Sistemas Core : 15/19

Existem vários tipos de paralelismo Dados: mesma operação aplicada a dados distintos for(i=0;i<10;i++) a[i]=b[i]+c[i];

16 Programação paralela (3) A. OpenMP ( API orientada a aplicações científicas ( number crunching ). Particularmente adaptada a arquitecturas de memória partilhada multi-plataforma (Unix e Windows). Programação de Sistemas Core : 16/19

). Particularmente adaptada a arquitecturas de memória

17 Programação paralela (4) OpenMP estende compiladores muito divulgados (gcc,visual Studio) através de directivas pragma (C) ou comentários especiais (FORTRAN). Directivas de paralelização (região, for) Directivas de ambiente de dados (partilhado, privado, threadprivate, reduction,...) Directivas de sincronização (barreiras, critical,...) Exemplo: lançadas threads, cada uma executando um subconjunto de iterações. Todas as threads esperam no final do ciclo for. #include <omp.h> int main() { /* */ #pragma omp parallel #pragma omp for for( ) { } Programação de Sistemas Core : 17/19

..) Directivas de sincronização (barreiras, critical,...) Exemplo: lançadas threads, cada uma executando um subconjunto de iterações.

Programação paralela (5) B. MPI-Message Passing Interface (http://http://www-unix.mcs.anl.

18 Programação paralela (5) B. MPI-Message Passing Interface ( Baseado no envio de mensagens Adaptada a arquitecturas de memória distribuída, pode também ser usado em arquitecturas de memória partilhada. O MPI tem de ser inicializado, por forma a serem abertas todas as conexões TCP entre os processadores. Programação de Sistemas Core : 18/19

também ser usado em arquitecturas de memória partilhada.

19 Programação paralela (6) O programa possui o seguinte formato: #include <mpi.h> int main(int argc,char **argv) { /* */ MPI_Init(&argc,&argv); /* inicializa MPI */ MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&size); /* indica número processos*/ /* */ /* envia mensagem */ MPI_Send(msg,strlen(msg)+1,MPI_CHAR,dest,tag,MPI_COMM_WORLD); /* recebe mensagem */ MPI_Recv(message,100,MPI_CHAR,source,tag,MPI_COMM_WORLD,&status); } MPI_Finalize(); /* finaliza MPI */ /* */ Programação de Sistemas Core : 19/19

MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&size); /* indica número processos*/ /* */ /* envia mensagem */

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