SIMULACIÓN GRÁFICA DE EVENTOS PARALELOS EN TIEMPO REAL SINCRONIZADOS CON MENSAJES. Dr. Maximino Peña Guerrero Ing. José de Jesús Negrete Redondo

Transcripción

1 SIMULACIÓN GRÁFICA DE EVENTOS PARALELOS EN TIEMPO REAL SINCRONIZADOS CON MENSAJES Dr. Maximino Peña Guerrero Ing. José de Jesús Negrete Redondo ACÚSTICA-ESIME-IPN1 1 [presen4.tex] Noviembre,

2 OBJETIVO: Presentar la simulación gráfica de procesos concurrentes que nos permitan analizar y estudiar su interactividad en tiempo real utilizando paso de mensajes. Presentar también un caso sencillo de la dinámica de un sistema masa-resorte graficando el resultado para cada proceso independiente: desplazamiento, velocidad, factor de calidad, y calculos matemáticos auxiliares. 2

3 PROBLEMÁTICA: Una máquina von neumann con un sólo procesador y con muchos procesos en ejecución debe compartir sus ciclos de reloj en rebanadas de tiempo para cada proceso. Esta técnica de tiempo compartido da la impresión de que los procesos se están ejecutando en forma paralela. Con este método se tienen que sincronizar los procesos para evitar el bloqueo del sistema debido a que estos deben concurrir en un solo punto en el tiempo. Para resolver este problema se han desarrollado varios métodos de sincronía: SEMÁFOROS y la COMUNICACIÓN ENTRE PRO- CESOS. 3

4 PROCESOS, HILOS: Un sistema computacional uniprocesador debe compartir en el tiempo muchos procesos residentes en la memoria operativa. Un programa en ejecución es un proceso que está formado por muchos subprocesos llamados hilos (threads). Un hilo es la mínima unidad de ejecución de código binario que tiene su propio contexto típicamente almacenado dentro de registros en RAM. 4

5 PROCESOS, HILOS: Debe haber un proceso o hilo principal (scheduler) que permita armonizar a todos los demás hilos. El scheduler asigna a cada hilo un periodo de ejecución de acuerdo con su propia rebanada de tiempo. Debido a la velocidad de multiplexación (cambio de contexto) da la impresión que los hilos corren todos en paralelo. 5

6 MUCHOS PROCESOS EN PARALELO (HILOS/FPGA): 6

7 MUCHOS PROCESOS DEDICADOS EN PARALELO: 7

8 SIMULACIÓN DEL MUNDO REAL: Los fenómenos físicos en el mundo real son eventos que concurren en el tiempo de una manera simultánea. Las ciencias de la ingeniería requiere simular eventos físicos del mundo real para su estudio y análisis (eventos paralelos). Necesitamos realizar un modelo de una sección de la dinámica de fluidos para estudiar la deformación molecular producida por la presión ondulatoria de un fluido. 8

9 SIMULACIÓN DEL MUNDO REAL: Esto se logra con la solución y la simulación de una ecuación diferencial para cada molécula (un hilo) que se representa con un sistema masa-resorte. El resultado será la simulación computacional de una matriz cuyo número de elementos (hilos) depende de la cantidad de unidades masa-resorte formando una malla tridimensional. 9

10 MUCHOS PROCESOS DEDICADOS EN PARALELO: 10

11 SIMULACIO N DE UNA ORQUESTA DE CARNE Y HUESO: 11

12 DESARROLLO DE UNA ORQUESTA DIGITAL: 12

13 SPLINE PARA CLAVE DE SOL: 13

14 SÍMBOLOS MUSICALES CON SPLINES SOLIDOS: 14

15 SÍMBOLOS MUSICALES CON SPLINES SOLIDOS: 15

16 CLIENTE-SERVIDOR DE NOTAS: 16

17 COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS: Dos o más procesos pueden estar enlazados con varios mecanismos de comunicación, incluso si los procesos se encuentran dispersos geográficamente. La sincronización entre procesos puede ser sincrona o asíncrona. Paso de mensajes. Es un método de comunicaciones que se utiliza en el diseño de máquinas paralelas para transmitir y recibir tramas de información entre procesos. 17

18 COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS: VARIABLES GLOBALES. MEMORIA COMPARTIDA. IPC Inter-Process Comunmunication de alto nivel TUBERIAS (pipes). TUBOS NOMINADOS. TUBOS ANÓNIMOS. 18

19 COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS: BUZONES. SOCKETS. RPCs (Remote Process Calls) 19

20 MECANISMOS DE SINCRONÍA DE PROCESOS: SECCIÓN CRÍTICA: Se utiliza para reforzar la exclución mútua entre hilos (threads) con un sólo proceso. Una sección crítica 2 : Es un objeto local, no del kernel. Es rápido y eficiente. No puede esperar a más de uno. No puede determinar si un hilo lo ha abandonado. 2 Beveridge J., R Winner, Multithreading Applications in Win32 pg

21 MECANISMOS DE SINCRONÍA DE PROCESOS: MUTEX: Un mutex es un objeto del kernel que refuerza la exclusión mutua entre hilos (threads) incluso si ellos pertenecen a diferentes procesos. Un mutex: Es un objeto del kernel. Genera error de abandonado si su propio hilo ha finalizado el trabajo. Puede invocar llamadas a sistema (call system) wait. Se puede nombrar y abrir durante el proceso. Solamente puede ser liberado por su propio hilo. 21

22 MECANISMOS DE SINCRONÍA DE PROCESOS: SEMÁFORO: Un semáforo se utiliza para mantener la pista de un recurso limitado. Un semáforo: Es un objeto del kernel. No tiene propietario. Se puede nombrar y abrir durante el proceso. Cualquier hilo lo puede liberar. 22

23 MECANISMOS DE SINCRONÍA DE PROCESOS: EVENT OBJECT: Los objetos evento se utilizan para traslapar dispositivos de Entrada/Salida y por objetos diseñados a la mediada. Un Event Object: Es un objeto del kernel. Se encuentra totalmente bajo el control del programa. Es adecuado para diseñar nuevos objetos de sincronización. No encola solicitudes de despertar (wake up) Se puede nombrar y abrir durante el proceso. 23

24 MECANISMOS DE SINCRONÍA DE PROCESOS: INTERLOCKED VARIABLE: La invocación a la llamada al sistema Interlocked() solamente es un mecanismo de sincronización si ésta se utiliza para un spin-lock (ciclo corto de espera para ejecutarse a la cabeza de otros). Ocacionalmente la utiliza el kernel. Esta variable es útil como contador de referencia: Permiten operaciones básicas con 4 bytes sin tener que utilizar una sección crítica o mutex. Trabajan incluso con sistemas SMP (Simmetric Multi-Processing) Un monitor (desarrollado por C.A.R Hoare & Brinch Hansen para Pascal concurrente) es un objeto utilizado por más de un hilo de una manera segura. Trabaja con base en la exclusión mutua. 24

25 MODELOS DE SINCRONÍA: Filósfos Comelones. El Barbero Dormilón. Productor Consumidor. 25

26 SINCRONIA: FILÓSOFOS COMELONES: 26

27 SIMULACION MASA-RESORTE: 27

28 PROCESAMIENTO MATEMÁTICO AVANZADO: 28

29 PROBLEMÁTICA: DE QUIÉN ES EL PUNTO A?: G1 G2 G3 G4 Punto comun a todas las fuentes. A CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL G G6 G7 G8 GRABACION G9 ANALOX.FIG 29

30 RECONOCIMIENTO DE PATRONES: 30

31 CONCLUSIONES Programar un sistema paralelo utilizando un sistema computacional con un solo procesador se requieren mecanismos que permitan sincronizar muchos procesos que concurren en el tiempo en paralelo. La simulación de fenómenos físicos, por su naturaleza, son eventos paralelos, que requieren de una gran cantidad de cálculo de punto flotante. Los sistema digitales estándard tienen limitaciones en cuanto a su representación de datos numéricos. 31

32 CONCLUSIONES Si se utiliza muchos procesadores hardware para realizar simulación, surge otro problema: la burocracia digital. Debe haber entonces uno o más procesadores dedicados únicamente a administrar los procesadores restantes. Esto da como resultado que el sistema se haga lento, contradiciendo la filosofía de los sistemas paralelos. Una posible solución es hacer dispositivos de hardware dedicados (FPGAs, CPLDs) a ciclo de reloj. El paso de mensajes permite construir máquinas paralelas utilizando dispositivos de hardware y software estándard. 32

33 GRACIAS