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4.3 Sistemas de Memoria Compartida: Multiprocesadores
Un multiprocesador puede verse como un computador paralelo compuesto por varios procesadores interconectados que comparten un mismo sistema de memoria.
Los sistemas multiprocesadores son arquitecturas MIMD con memoria compartida. Tienen un único espacio de direcciones para todos los procesadores y los mecanismos de comunicación se basan en el paso de mensajes desde el punto de vista del programador.
Dado que los multiprocesadores comparten diferentes módulos de memoria, pudiendo acceder a un mismo módulo varios procesadores, a los multiprocesadores también se les llama sistemas de memoria compartida.
Dependiendo de la forma en que los procesadores comparten la memoria, se clasifican en sistemas multiprocesador UMA, NUMA y COMA.
Multiproceso es tradicionalmente conocido como el uso de múltiples procesos concurrentes en un sistema en lugar de un único proceso en un instante determinado. Como la multitarea que permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso.
El multiproceso para tareas generales es, a menudo, bastante difícil de conseguir debido a que puede haber varios programas manejando datos internos (conocido como estado o contexto) a la vez.
Los programas típicamente se escriben asumiendo que sus datos son incorruptibles. Sin embargo, si otra copia del programa se ejecuta en otro procesador, las dos copias pueden interferir entre sí intentando ambas leer o escribir su estado al mismo tiempo.
Para evitar este problema se usa una variedad de técnicas de programación incluyendo semáforos y otras comprobaciones y bloqueos que permiten a una sola copia del programa cambiar de forma exclusiva ciertos valores.
Multitarea
Permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso.
4.3.1 Redes de Interconexión Dinámicas o Indirectas
Uno de los criterios más importantes para la clasificación de las redes es el que tiene en cuenta la situación de la red en la máquina paralela, dando lugar a dos familias de redes: redes estáticas y redes dinámicas. Una red estática es una red cuya topología queda definida de manera definitiva y estable durante la construcción de la máquina paralela.
La red simplemente une los diversos elementos de acuerdo a una configuración dada. Se utiliza sobre todo en el caso de los multicomputadores para conectar los diversos procesadores que posee la máquina. Por la red sólo circulan los mensajes entre procesadores, por lo que se dice que la red presenta un acoplamiento débil. En general, en las redes estáticas se exige poca carga a la red.
Una red dinámica es una red cuya topología puede variar durante el curso de la ejecución de un programa paralelo o entre dos ejecuciones de programas. La red está constituida por elementos materiales específicos, llamados commutadores o switches.
Las redes dinámicas se utilizan sobre todo en los multiprocesadores. En este caso, la red une los procesadores a los bancos de memoria central. Cualquier acceso de un procesador a la memoria (bien sea para acceder a los datos o a las instrucciones) debe pasar a través de la red, por lo se dice que la red tiene un acoplamiento fuerte. La red debe poseer un rendimiento extremadamente bueno para no demorar demasiado a los procesadores que acceden a memoria.
4.3.1.1 Redes de Medio Compartido
En el ejemplo del subapartado anterior sólo había un emisor y un receptor unidos por una fibra óptica. En el mundo de las comunicaciones, y de las redes de computadores en particular, el medio que se utiliza para comunicarse suele estar compartido. Con una serie de ejemplos iremos viendo diferentes maneras de compartir el medio.
En el caso de la televisión o la radio, existen diferentes canales y emisoras que están compartiendo el medio. A fin de que no haya problemas, hay una regulación del espectro radioeléctrico: se tiene cuidado de que cada uno de los canales tenga asignada una frecuencia determinada y que no haya más de un canal usando la misma frecuencia. Este sistema se llama multiplexación por división de frecuencia y no sólo se utiliza en la radio y la televisión.
Por ejemplo, los sistemas de línea de abonado digital asimétrica (ADSL) utilizan este sistema para conectar la red de computadores de casa a Internet. Como se puede ver en la figura siguiente, por el cable telefónico circulan tres tipos de información, cada uno por su frecuencia asignada: la voz de las llamadas telefónicas, la información digital que viene de Internet (bajada) y la información digital que nosotros enviamos a Internet (subida).
Si lo que se está compartiendo es una fibra óptica, se tiende a realizar una multiplexación por división del tiempo. Supongamos que una misma fibra está siendo utilizada por cuatro comunicaciones. En ese caso, la fibra estará disponible durante un instante determinado de tiempo para la comunicación número 1; el siguiente instante de tiempo lo estará para la comunicación 2 y así sucesivamente. Una vez haya acabado la comunicación número 4, la fibra volverá a estar disponible para la comunicación 1.
Otro método de compartición del acceso en el medio se basa en la distribución de éste por parte de un dispositivo maestro. Por ejemplo, en la tecnología Bluetooth, los dispositivos próximos forman una red llamada piconet. En cada piconet se elige un dispositivo maestro que va preguntando a los demás dispositivos (que hacen las funciones de esclavo) quién debe utilizar el medio. En el caso de que alguien lo necesite, lo tendrá disponible durante cierto tiempo.
4.3.1.2 Redes Conmutadas
Cuando se va a enviar datos a largas distancias (e incluso a no tan largas), este debe pasar por varios nodos intermedios. Los cuáles son los encargados de dirigir los datos para que lleguen a su destino. Por lo cual se hace uso de lo que es una red conmutada. ya que estas Consisten en un conjunto de nodos interconectados entre sí, a través de medios de transmisión , formando así la mayoría de las veces una topología mallada, donde la información se traslada encaminándola del nodo de origen al nodo destino mediante conmutación entre nodos intermedios.
Una transmisión de este tipo tiene 3 fases:
Establecimiento de la conexión.
Transferencia de la información.
Liberación de la conexión.
Así mismo podemos decir que Se entiende por conmutación en un nodo, a la conexión física o lógica, de un camino de entrada al nodo con un camino de salida del nodo, con el fin de transferir la información.
En pocas palabras se puede decir que una red conmutada es aquella que permite la comunicación de nodo a nodo a través de su conexión, para facilitar el traslado de información.
4.3.2 Coherencia de Cache
La coherencia de cache hace referencia a la integridad de los datos almacenados en las caches locales de los recursos compartidos. La coherencia de la cache es un caso especial de la coherencia de memoria.
Múltiples Caches con Recursos Comunes
Cuando los clientes de un sistema, en particular las CPUs en un multiprocesador, mantienen caches de una memoria compartida, los conflictos crecen. Haciendo referencia al dibujo, si el cliente de arriba tiene una copia de un bloque de memoria de una lectura previa y el cliente de abajo cambia ese bloque, el cliente de arriba podría estar trabajando con datos erróneos, sin tener conocimiento de ello. La coherencia de la cache intenta administrar estos conflictos y mantener consistencia entre las caches y la memoria.
Mecanismos para la Coherencia de la Cache
Los protocolos basados en directorio mantienen un directorio centralizado de los bloques que hay en las caches. Se utilizan tanto en multiprocesadores con memoria físicamente distribuida, como en sistemas con memoria centralizada con red escalable. Estos protocolos de mantenimiento de coherencia reducen el tráfico en la red enviando selectivamente órdenes sólo a aquellas caches que disponen de una copia válida del bloque implicado en la operación de memoria.
El protocolo Snoopy hace que las caches individualmente monitoreen las líneas (buses) de direcciones de accesos a memoria con respecto a los bloques que han copiado. Cuando una operación de escritura es observada sobre una dirección de un bloque del cual tiene un bloque, el controlador de cache invalida su copia. También es posible que el controlador de cache observe la dirección y el dato correspondiente a esa dirección, intentando así actualizar su copia cuando alguien modifica dicho bloque en la memoria principal.
El protocolo de memoria distribuida imita a los anteriores en un intento de mantener la consistencia entre bloques de memoria en sistemas con débil acoplamiento.
Modelos de Coherencia
Varios modelos y protocolos han sido desarrollados para mantener la coherencia de la cache, tales como protocolo MSI, protocolo MESI, protocolo MOSI y el protocolo MOESI. La elección de un modelo de consistencia es crucial a la hora de diseñar un sistema de cache coherente. Los modelos de coherencia difieren en rendimiento y escalabilidad, por lo que deben ser evaluados para cada sistema diseñado.
Además, las transiciones entre estados en una implementación en concreto de estos protocolos pueden variar. Por ejemplo una implementación puede elegir diferentes transiciones para actualizar y actualiza tales como actualización-en-lectura, actualización-en-escritura, invalidación-en-lectura, o invalidación-en-escritura. La elección de una transición puede afectar a la cantidad de tráfico entre caches, lo que a su vez podría afectar al ancho de banda disponible por las caches para la operación actual. Esto debe ser tenido en consideración en el diseño de software distribuido que podría causar problemas de contención entre caches de múltiples procesadores.
Vídeo Ilustrativo
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