PDF de programación - Multiprocesadores / Modelos de interconexión

MULTIPROCESADORES

MODELOS DE INTERCONEXIÓN





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MODELOS DE INTERCONEXIÓN

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Índice

Presentación

Redes y subredes

Características de las redes

Conectividad

Ejemplo estáticas

Ejemplo dinámicas

Propiedades

Rendimiento de la red

Propiedades que definen el rendimiento de una red

Redes estáticas

Sistema jerárquico de bus

Red crossbar

Red multietapa

Resumen

MULTIPROCESADORES

MODELOS DE INTERCONEXIÓN

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Presentación

MULTIPROCESADORES

MODELOS DE INTERCONEXIÓN

Con la aparición de los multiprocesadores, el rendimiento de los computadores ha evolucionado

más a través de la arquitectura de computadores que con el aumento de la frecuencia del

procesador.

Tan importante es tener un buen diseño de la arquitectura como tener el modelo de interconexión

adecuado para conectar y comunicar los componentes entre sí.

En este tema aprenderemos a:

Conocer los distintos modelos de interconexión existentes para conectar y comunicar los

componentes en arquitecturas complejas.

Distinguir entre redes estáticas y redes dinámicas.

Profundizar en los modelos de interconexión basados en el bus digital, las redes crossbar,

las redes multietapa y sus combinaciones.

Conocer las características de las redes de conexión.

Medir y evaluar los parámetros de las redes de conexión.



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Redes y subredes

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MODELOS DE INTERCONEXIÓN

Cuando construimos arquitecturas complejas, necesitamos definir un modelo de interconexión

que dé respuesta a las necesidades de comunicación entre componentes.

En la figura de más abajo se muestra un esquema genérico de una arquitectura multiprocesador

de memoria compartida NUMA. Como podemos ver hay tres subredes dentro del modelo de

interconexión general. Cada subred podrá seguir un modelo de conexión distinto, dependiendo

del tráfico de datos, del tipo de componentes y del presupuesto asignado al modelo de

interconexión.

Modelos de interconexión

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MODELOS DE INTERCONEXIÓN

Características de las redes

En la tabla dinámica de más abajo podrás encontrar la definición de algunas características

típicas que debemos identificar en los distintos tipos de red:

Control temporal

Puede ser síncrono (existe un reloj global) o asíncrono
(hay que gestionar peticiones de dispositivos lentos y
rápidos sobre la misma red, y establecer mecanismos de
interbloqueo).

Encaminamiento

El envío de información puede ser transferido por un
solo camino o repartido en varios caminos.

Estrategia de control

Puede ser centralizada (existe un controlador global que
gestiona las peticiones de acceso a la red) o distribuida
(cada componente autogestiona sus peticiones).

Número de etapas

Las redes pueden transferir datos en una sola etapa
(son más baratas aunque puede haber esperas largas al
solicitar el acceso a la red compartida), multietapa
(donde
través de
conmutadores que permiten conectar muchas más
conexiones, conectando todos los componentes de
entrada, los procesadores, con los de salida, es decir,
los módulos de memoria).

transferencia se hace a

la

Redes bloqueantes o no
bloqueantes

Las redes bloqueantes son aquellas en las que solo un
dispositivo puede estar transfiriendo datos en la misma,
y durante ese tiempo se bloquea el acceso a la red para
el resto de dispositivos. Las redes no bloqueantes son
aquellas que permiten varias conexiones en paralelo
y no se bloquea el acceso a la red

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Conectividad

Según el número de componentes que puede usar un

único enlace, las redes pueden ser:

Estáticas: todos los enlaces son punto a punto.

Los componentes que se comunican a través de

un enlace son siempre

los dos mismos

componentes.

Dinámicas: puede variar el dispositivo emisor y el dispositivo receptor, que transmiten

información a través del mismo enlace.

Ejemplo estáticas

La conexión entre el procesador y su memoria caché normalmente es una conexión punto a

punto, puesto que tienen conexión directa punto a punto y son los únicos 2 componentes que

pueden retransmitir información a través de ese enlace.

Ejemplo dinámicas

El bus de datos es el ejemplo más típico de red dinámica, pues distintos componentes envían y
reciben datos a través del mismo bus.

Las redes que usan conmutadores como las redes crossbar o las redes multietapa también son
dinámicas.

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Propiedades

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En la tabla dinámica de más abajo se definen algunas propiedades de los modelos de

interconexión. Muchas de estas propiedades definen la topología de la red, es decir, la forma en

la que se conectan los componentes entre sí.

Es importante aclarar la nomenclatura que se utilizará en las definiciones. Cuando se hable de

nodo estaremos hablando de un componente de la arquitectura (Módulo de memoria, procesador,

memoria caché, etc.). Un enlace se refiere a una conexión entre nodos que se utiliza para

transferir datos entre los nodos conectados.

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Rendimiento de la red

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El rendimiento de una red se mide por las características que se muestran en el

siguiente gráfico.

Propiedades que definen el rendimiento de una red

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Redes estáticas

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En esta sección estudiaremos los distintos tipos de topología de red para redes estáticas. Es

importante que la topología de la red sea coherente con la complejidad de la arquitectura. A

continuación, mostramos los ejemplos más típicos de topologías de red:

Topología de red

en serie

Topología de red

en anillo

Red totalmente

conectada

Topología en

estrella

Topología de

Malla

Topologías de
red "torus"

Red Hipercubo

Las latencias son muy grandes para enviar información entre los dos extremos. Además, hay
mucho riesgo de que se corte la comunicación entre dos partes de la red si falla un enlace.
Normalmente, el envío de información sigue siempre el mismo sentido. Se usa un testigo que se
etiqueta como libre u ocupado para decidir quién tiene el permiso para enviar información. Las
latencias siguen siendo grandes, pero minimiza el riesgo de que un corte en un enlace, divida la
red en dos, pues si hubiera algún corte, la red en anillo funcionaría como una red en serie.
Este tipo de red es excesivamente costosa y además desaprovecha muchos enlaces que apenas
se les dará uso. Por ejemplo, la conexión directa entre módulos de memoria principal apenas se
usaría.
Se usa típicamente en arquitecturas cliente-servidor. Tiene sentido cuando un procesador
administra las peticiones de acceso a recursos compartidos.
Ofrece un buen ancho de banda, aunque el diámetro de la red es alto (en el ejemplo, el diámetro
es 6).
La red Torus mantiene las ventajas de la red de malla, pero mejora el diámetro de la red (en el
ejemplo, el diámetro es 2).
La red hipercubo de grado n se construye con nodos 2n nodos de grado n (n conexiones) y con
diámetro de red igual a n. En el pdf adjunto se muestra una red hipercubo de grado 3 que se
puede representar con forma de "cubo", de ahí su nombre.

Topologías

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Sistema jerárquico de bus

A continuación vamos a profundizar en tres

tipos de redes dinámicas: bus de datos, redes

crossbar, y redes multietapa.

En esta sección no pretendemos centrarnos en

el funcionamiento del bus digital, sino dar a

conocer el sistema jerárquico de bus. En el documento enlazado a continuación, se muestra un

esquema de este sistema.

Modelo de interconexión jerárquico de bus basado en Futurebus+

En realidad existen tres agrupaciones de hardware:

Red de procesadores y Memoria Compartida (Arriba).

Red de Visualización (Izquierda).

Red de Almacenamiento (Derecha).

En la primera subred implementa un multiprocesador UMA que utiliza como modelo de

interconexión un Dual-Futurebus+, pues esta sección es la parte donde mayor ancho de banda

se requiere.

En las otras dos subredes se usa un Futurebus+. Para conectar cada subred es necesario

utilizar unos dispositivos "puente", cuya función es trocear y unir la información para adaptar las

unidades de información al ancho de palabra y al protocolo de comunicación de cada

subsistema.

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Red crossbar

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La red crossbar o de "barras cruzadas" conecta n módulos de entrada con n módulos

de salida. En la figura que acompaña a estas líneas se muestra un ejemplo de red

crossbar que conecta cuatro procesadores con cuatro módulos de memoria.

En cada cruce de barras se encuentra un conmutador que se activa cuando se quiere enviar

información entre el procesador de la fila y el módulo de memoria correspondiente. La principal
ventaja de este tipo d