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Agendamento de múltiplos processadores no sistema operacional


Para aumentar o desempenho geral do sistema, vários processadores ou núcleos são frequentemente usados em sistemas de computador modernos. No entanto, o sistema operacional deve ser capaz de agendar efetivamente processos para execução em vários processadores, a fim de fazer o melhor uso desses recursos.

O agendamento de múltiplos processadores envolve decidir quais processos devem ser atribuídos a qual processador ou núcleo e por quanto tempo sua execução deve ser permitida. Ao garantir que todos os processos sejam priorizados de forma justa e adequada, o objetivo é alcançar uma utilização eficiente dos processadores disponíveis.

Neste artigo, discutiremos o escalonamento de múltiplos processadores, as várias abordagens utilizadas, os tipos e alguns casos de escalonamento de múltiplos processadores em sistemas operacionais.

Agendamento de múltiplos processadores

O objetivo do escalonamento de múltiplos processadores, também conhecido como escalonamento de multiprocessadores, é criar uma função de escalonamento do sistema que utilize vários processadores. No agendamento multiprocessador, múltiplas CPUs dividem a carga de trabalho (compartilhamento de carga) para permitir a execução simultânea de vários processos. Em comparação com o escalonamento de processador único, o escalonamento de multiprocessador é geralmente mais complicado. Existem muitos processadores idênticos no sistema de escalonamento multiprocessador, permitindo-nos realizar qualquer processo a qualquer momento.

As numerosas CPUs do sistema comunicam-se frequentemente e compartilham um barramento, memória e outros periféricos comuns. Como resultado, diz-se que o sistema está fortemente conectado. Esses sistemas são empregados sempre que grandes quantidades de dados precisam ser processadas e são usados principalmente em satélites, previsões meteorológicas, etc.

Em alguns casos de escalonamento de múltiplos processadores, o funcionamento dos processadores é homogêneo ou idêntico. Qualquer processo na fila pode ser executado em qualquer processador disponível.

Os sistemas multiprocessadores podem ser homogêneos (a mesma CPU) ou heterogêneos (vários tipos de CPU). Podem ser aplicadas restrições especiais de agendamento, como dispositivos acoplados a uma única CPU através de um barramento privado.

O método de escalonamento ideal para um sistema com um único processador não pode ser determinado por nenhuma regra ou política. Também não existe uma estratégia de escalonamento ideal para um sistema com várias CPUs.

Abordagens para agendamento de múltiplos processadores

Existem duas arquiteturas diferentes utilizadas em sistemas multiprocessadores: -

Multiprocessamento Simétrico

Em um sistema SMP, cada processador é comparável e tem o mesmo acesso à memória e aos recursos de E/S. As CPUs não são conectadas de forma mestre-escravo e todas usam a mesma memória e subsistemas de E/S. Isso sugere que todos os locais de memória e dispositivos de E/S são acessíveis a todos os processadores sem restrições. Um sistema operacional gerencia a distribuição de tarefas entre os processadores em um sistema SMP, permitindo que cada operação seja concluída por qualquer processador.

Multiprocessamento Assimétrico

Na arquitetura assimétrica AMP, um processador, conhecido como processador mestre, tem acesso completo a todos os recursos do sistema, principalmente memória e dispositivos de E/S. O processador mestre é responsável por alocar tarefas aos demais processadores, também conhecidos como processadores escravos. Cada processador escravo é responsável por executar um determinado conjunto de tarefas que o processamento mestre lhe atribuiu. O processador mestre recebe tarefas do sistema operacional, que o processador mestre então distribui aos processadores subordinados.

Tipos de algoritmos de escalonamento multiprocessador

Os sistemas operacionais utilizam uma variedade de algoritmos de escalonamento de multiprocessadores. Entre os tipos mais típicos estão -

Round-Robin Scheduling - O algoritmo de escalonamento round-robin aloca um quantum de tempo para cada CPU e configura processos para serem executados em round-robin em cada processador. Uma vez que garante que cada processo obtenha uma quantidade equivalente de tempo de CPU, esta estratégia pode ser útil em sistemas onde todos os programas têm a mesma prioridade.

Programação de prioridade - Os processos recebem níveis de prioridade neste método, e aqueles com prioridades maiores são programados para serem executados primeiro. Esta técnica pode ser útil em sistemas onde alguns trabalhos, como tarefas em tempo real, exigem uma prioridade mais elevada.

Agendando primeiro com o trabalho mais curto (SJF) - Este algoritmo agenda tarefas de acordo com quanto tempo elas devem levar para serem concluídas. Está planejado que o trabalho mais curto seja executado primeiro, depois o próximo trabalho menor e assim por diante. Esta técnica pode ser útil em sistemas com muitos processos rápidos, pois pode reduzir o tempo de resposta típico.

Programação Fair-Share - Nesta técnica, o número de processadores e a prioridade de cada processo determinam quanto tempo é alocado para cada um. Como garante que cada processo receba uma parcela justa do tempo de processamento, esta técnica pode ser útil em sistemas com uma combinação de processos longos e curtos.

Agendamento do primeiro prazo (EDF) - Cada processo neste algoritmo recebe um prazo, e o processo com o prazo mais próximo é aquele que será executado primeiro. Em sistemas com atividades em tempo real e prazos rigorosos, esta abordagem pode ser útil.

Programação usando uma fila de feedback multinível (MLFQ) - Usando uma fila de feedback multicamada (MLFQ), os processos recebem uma variedade de níveis de prioridade e são capazes de subir ou descer os níveis de prioridade com base em seu comportamento. Esta estratégia pode ser útil em sistemas com uma combinação de processos curtos e longos.

Casos de uso de agendamento de múltiplos processadores no sistema operacional

Agora, discutiremos alguns dos casos de uso de agendamento de múltiplos processadores em sistemas operacionais -

  • Computação de alto desempenho - O agendamento de múltiplos processadores é crucial em ambientes de computação de alto desempenho (HPC), onde são realizadas simulações científicas em grande escala, análises de dados ou cálculos complexos. O agendamento eficiente de processos em vários processadores permite a execução paralela, levando a tempos de computação mais rápidos e aumentando o desempenho geral do sistema.

  • Virtualização de Servidor - Em ambientes virtualizados, onde várias máquinas virtuais (VMs) são executadas em um único servidor físico com vários processadores, o agendamento eficaz garante a alocação justa de recursos às VMs. Ele permite a utilização ideal do poder de processamento, mantendo o isolamento do desempenho e garantindo que cada VM receba sua parcela alocada de tempo de CPU.

  • Sistemas em tempo real - Sistemas em tempo real, como aqueles usados na indústria aeroespacial, defesa e automação industrial, têm requisitos de tempo rígidos. Vários algoritmos de agendamento de processador, como Earliest Deadline First (EDF), garantem que tarefas críticas com prazos iminentes sejam executadas prontamente, garantindo resposta oportuna e atendendo a restrições de tempo rigorosas.

  • Processamento multimídia - Aplicativos multimídia, como renderização de vídeo ou processamento de áudio, geralmente exigem um poder computacional significativo. O agendamento de processos em vários processadores permite a execução paralela de tarefas multimídia, possibilitando processamento mais rápido e desempenho suave em tempo real.

  • Computação Distribuída - Em sistemas de computação distribuída, as tarefas são distribuídas entre vários processadores ou nós para processamento colaborativo. Algoritmos de agendamento eficientes garantem balanceamento de carga, tolerância a falhas e utilização eficaz de recursos em toda a infraestrutura distribuída, melhorando a eficiência e escalabilidade geral do sistema.

  • Cloud Computing - Os provedores de serviços em nuvem empregam vários processadores para atender a inúmeras solicitações de clientes simultaneamente. Os algoritmos de agendamento otimizam a alocação de máquinas virtuais e contêineres nos processadores disponíveis, garantindo imparcialidade, escalabilidade e utilização eficiente de recursos em ambientes de computação em nuvem.

  • Big Data Processing - A análise de big data envolve o processamento e a análise de grandes volumes de dados. O agendamento de múltiplos processadores permite a execução paralela de tarefas de processamento de dados, como ingestão, transformação e análise de dados, reduzindo significativamente o tempo necessário para o processamento de dados e permitindo insights em tempo real ou quase em tempo real.

  • Simulações e Modelagem Científica - Simulações numéricas e modelagem científica geralmente requerem extensos recursos computacionais. O escalonamento de múltiplos processadores permite a execução paralela de tarefas de simulação, acelerando o tempo necessário para obter resultados e permitindo aos pesquisadores explorar fenômenos complexos e realizar simulações mais precisas.

  • Jogos - Em sistemas de jogos modernos, vários processadores são utilizados para lidar com renderização gráfica complexa, simulações físicas e cálculos de IA. O agendamento eficaz garante uma jogabilidade suave, minimiza o atraso e maximiza a utilização do poder de processamento disponível para proporcionar uma experiência de jogo envolvente.

  • Sistemas Embarcados - Sistemas embarcados com múltiplos processadores, como sistemas automotivos, dispositivos IoT ou robótica, exigem agendamento eficiente para garantir uma resposta oportuna, controle em tempo real e coordenação de várias tarefas executadas em diferentes processadores . Os algoritmos de agendamento priorizam tarefas críticas e gerenciam a alocação de recursos para atender aos requisitos do sistema.

Conclusão

O agendamento de múltiplos processadores é um conceito chave em sistemas operacionais e é essencial para gerenciar como as ações são executadas em sistemas com múltiplos processadores. Devido à crescente necessidade de poder de computação, os sistemas multiprocessadores estão se tornando mais difundidos e são necessárias técnicas de escalonamento eficientes para gerenciar a alocação de recursos do sistema.

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