Architetture Applicative Altri Esempi

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1 Architetture Applicative Altri Esempi Alessandro Martinelli 15 Aprile 2014 Architetture Applicative Altri Esempi di Architetture Applicative Architetture con più Applicazioni Architetture con Hardware Dedicato Architetture Multiprocessore Architetture Multi-Linguaggio Fondamenti di Informatica II

2 Architetture Con Più Applicazioni Architetture Multi-Applicazioni (1/2) esegui Programma Pilota Sistema Operativo leggi lancia raccogli lancia raccogli Programma1 Programma2 A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

3 Architetture Con Più Applicazioni Architetture Multi-Applicazioni (2/2) Il Programma Pilota chiede al Sistema Operativo di eseguire un Programma di Supporto. Il Sistema Operativo lancia il Programma di Supporto. Il Programma di Supporto fornisce un risultato su uno Stream di Output, o su di un File. Il Programma Pilota legge i risultati in output. I Programmi di Supporto possono essere tipicamente: Applicazioni Scritte da qualcun altro Procedure del Sistema Operativo A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

4 Architetture Con Più Applicazioni Esempio: una Interfaccia di Simulazione Scientifica Programma Pilota Componente di Visualizzazione esegui(input) Sistema Operativo leggefileoutput lancia scrive file di output Programma1 In un Programma di Visualizzazione Scientifica gli Algoritmi di Elaborazione dei Dati sono spesso implementati da Esperti del Campo. Per contro, sono gli Sviluppatori Software a sapere come integrare i risultati di questi Algoritmi in una applicazione, eventualmente con interfaccia utente e moduli di visualizzazione. Questo suggerisce l utilizzo di una Architettura composta di due Applicazioni. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

5 Architetture Con Più Applicazioni Architetture Multi-Applicative : Considerazioni Portabilità La Portabilità di tutta l infrastruttura è vincolata alla Portabilità dei programmi di supporto. Se il programma di supporto è disponibile per un unico sistema operativo c è poco da fare. Scalabilità La Scalabilità di tutta l infrastruttura è vincolata alla Scalabilità dei Programmi di supporto A meno che non sia possibile spezzare i dati in Input in blocchi separati. In questo caso potrebbe essere possibile eseguire più istanze dello stesso programma di elaborazione in parallelo sui blocchi di dati separati. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

6 Architetture Con Più Applicazioni Architetture Multi-Applicative : Considerazioni Prestazioni Il Sistema ha un Comportamento in Serie perchè le seguenti operazioni devono avvenire sempre con un certo ordine (per ogni invocazione di programma): Preparazione dei dati da parte dell Applicazione Principale Tempo di Lancio ed esecuzione del Programma Invocato. Tempo di lettura dell output. Tempo di elaborazione dell output da parte dell Applicazione Principale. Il tempo di esecuzione totale è dato dalla somma dei tempi di esecuzione sopra esposti. Tuttavia, l Applicazione Principale potrebbe essere in grado di eseguire operazioni differenti o lanciare altri programmi di supporto in parallelo. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

7 Architetture Con Hardware Dedicato Architetture Con Hardware Dedicato Programma Pilota Sistema Operativo API standard Driver Dispositivo Hardware Dedicato A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

8 Architetture Con Hardware Dedicato Architetture Con Hardware Dedicato: componenti La comunicazione con hardware dedicato avviene solitamente (ma non necessariamente) attraverso API generiche. Il Dispositivo Hardware è sconosciuto, nel senso che l API generica viene utilizzata con l obiettivo di poter eseguire lo stesso programma anche a disposizione di Dispositivi Hardware differenti. Il Driver di Dispositivo è un modulo software incaricato di convertire le chiamate dell API generica in chiamate specifiche per il dispositivo hardware. Come tale è da intendersi parte integrante indivisibile dal modulo hardware. Il Sistema Operativo: Determina l esistenza di un Driver che implementi l API generica, fornendo feedback negativi alle applicazioni che ne fanno uso qualora questi non esistano. Passa al driver le chiamate fatte dalle Applicazioni per l API generica. Fornisce al driver l accesso al BUS di comunicazione, che gli consentono di comunicare con il dispositivo. Driver e dispositivo dialogano in una lingua che è specifica per il dispositivo e di cui il programmatore non si deve curare. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

9 Architetture Con Hardware Dedicato Esempio: L Architettura OpenGL CPU side Driver Buffer Istruzione 1 Istruzione 2 Istruzione 3... Bus GPU side GPU Memoria (Grafica) API Applicazione L Open Graphics Library è una API standard utilizzata per il controllo di unità Hardware Grafiche Dedicate, in particolar modo per quanto riguarda la programmazione 3D. GPU sta per Graphics Processing Unit ed è l hardware dedicato incaricato delle operazioni di Grafica. Il Driver di Dispositivo solitamente raccoglie un set di istruzione grafiche prima di mandarlo alla GPU. La GPU è a diretto contatto con il dispositivo di output video. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

10 Architetture Con Hardware Dedicato Esempio: L Architettura MIDI Hardware MIDI Registrazione Controllo da PC PC Midi Driver MIDI Sequencer Applicazione MIDI MIDI Sequencer La Musical Instrument Digital Interface è l insieme di : Uno specifico Interfacciamento Hardware Un protocollo di comunicazione Il Sequencer Midi è un modulo software fondamentale incaricato della codifica e della decodifica delle informazioni nel protocollo MIDI. L Interfaccia ha un doppio utilizzo: Registrazione degli eventi che si verificano su uno strumento elettronico. Controllo dello strumento ed esecuzione di traccie midi già registrate. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

11 Architetture Con Hardware Dedicato Architetture con Hardware Dedicato : Considerazioni Portabilità La Portabilità è vincolata all esistenza: Dell Hardware Dedicato necessario Dei Driver di Dispositivo e di eventuale Software di Supporto. Di una implementazione all interno dei Driver della API necessaria, soprattutto tenendo conto delle versioni. i.e. Hardware Grafici differenti potrebbero supportare versioni differenti dell API OpenGL, e quindi consentire set di operazioni grafiche differenti. Scalabilità Queste Applicazioni dipendo per lo più dall Hardware Dedicato di cui fanno uso. Qualsiasi considerazione sulla Scalabilità va fatta sulla base delle caratteristiche dell Hardware. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

12 Architetture Con Hardware Dedicato Architetture con Hardware Dedicato : Considerazioni Prestazioni Le Prestazioni sono soprattutto correlate all Hardware. Hardware Dedicato e CPU lavorano in Parallelo. Tuttavia, su uno stesso insieme di Dati, il sistema deve essere visto come un sistema in Serie I dati sono processati dalla CPU I dati sono trasferiti lungo il canale di comunicazione elettronico I dati sono elaborati dall Hardware Dedicato. (Il percorso potrebbe essere il contrario a seconda del senso della Comunicazione) Dati N-3 Dati N-2 CPU Dati N-1 Bus Dati N Hardware Dedicato Dati N+1 Attesa Elaborazione Trasferimento A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

13 Architetture Multi-Processore Architetture Software e Architetture Multi-Processore La capacità di una Architettura Software di utilizzare adeguatamente una Architettura Hardware Multi-Processore è strettamente legata al concetto di Elaborazione in Parallelo. Due termini importanti: Thread Un Thread è una parte di un processo. Un processo può avere più thread. I Thread condividono la memoria applicativa e possono condividere tutte o parte delle risorse. I Thread possono essere eseguiti in parallelo. In un sistema che usa i Thread l utente non sempre ha pieno controllo di tutti i Thread. Calcolo Parallelo Un Algoritmo Parallelo è un Algoritmo che può essere divisi in porzioni eseguibili in parallelo. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

14 Architetture Multi-Processore Un Esempio: Architetture Multi-Core GPU side Main Thread istanzia,lancia Assegnazione Core Thread1 Thread2 Thread3 Sistema Operativo Risorse Condivise CPU1 CPU2 CPU3 CPU4 Portabilità Il Sistema Operativo è incaricato della assegnazione dei Thread ai Core (CPU) Il Corso di Sistemi Operativi approfondirà i problemi legati all accesso concorrente che i Thread hanno sulle risorse condivise. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

15 Architetture Multi-Processore Un Esempio: Architetture per il Calcolo Parallelo Intensivo Applicazione Fase 1: caricamento Programma Programma di Elaborazione Hardware (Array di Processori) Array di Dati in Input Array di Dati in Output Fase 2: Caricamento Dati ed Esecuzione Modulo Assegnazione Processori E necessario elaborare un Array di Strutture Dati in Input tutte con lo stesso algoritmo. E disponibile un Hardware Dedicato per il Calcolo Parallelo che possiede un Array di Processori. L Applicazione Carica un programma di Elaborazione e manda i Dati all Hardware. L Hardware, che assegna ad ogni Struttura Dati in Input un processore per l elaborazione. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

16 Architetture Multi-Processore Architetture Software e Architetture Multi-Processore : Considerazioni Portabilità La Portabilità è vincolata all esistenza: Dell Hardware necessario all architettura (Hardware per il calcolo Parallelo, Processori MultiCore, etc.) All esistenza di eventuali API generiche per l accesso ai sistemi a multi-processore. Esempio: I Thread java per la programmazione in thread su piattaforme differenti. Esempio: le librerie OpenCL (Open Computing Language) Scalabilità e Prestazioni Le Architetture Multi-Processore sono in grado di elaborare più informazioni aumentando il numero dei processori. Le Prestazioni sono fortemente vincolate all hardware sottostante Scalabilità e Prestazioni sono fortemente correlate al grado di parallelizzazione degli algoritmi o del sistema di processi utilizzati. Esempio: Se un processo può essere diviso in non più di 16 moduli paralleli non ulteriormente parallelizzabili, è inutile utilizzare 32 processori. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

17 Architetture Multi-Linguaggio Architetture Software con moduli Software Integrati I Linguaggi di Programmazione non sono tutti uguali. Una Applicazione può essere programmata per essere composta da Moduli Software realizzati con procedure e sistemi differenti, moduli che vengono poi integrati in una unica Applicazione. Eventualmente, i moduli software possono essere implementati con Linguaggi di Programmazione differenti. In questo modo si cerca di trarre il meglio dai vari Linguaggi di Programmazione. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

18 Architetture Multi-Linguaggio Esempio: Le Librerie Dinamiche Fase 1 Applicazione Fase 2 Applicazione Richiede Libreria Dinamica Sistema Operativo Carica ed Aggancia Libreria Dinamica Sistema Operativo Moduli di Programmazione caricati dinamicamente dal Sistema Operativo. Il Sistema Operativo fornisce un contatto diretto tra Applicazione e Libreria Dinamica, passando all Applicazione i puntatori all Area di Memoria dove esiste una implementazione di metodi necessari all Applicazione. File.so in linux File.dll in windows A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

19 Architetture Multi-Linguaggio Esempio: Le Interfacce JNI JNI sta per Java Native Interface. Il Problema delle Prestazioni in Java Interpretazione del Linguaggio Gestione inefficiente Buffer dati (parzialmente risolta attraverso il sistema java.nio) Le Java Native Interface sono interfacce che consento di connettere moduli scritti in Java con moduli scritti in C. Consentono di Programmare in Java anche applicazioni che sono critiche dal punto di vista delle prestazioni. Consentono di ottimizzare in linguaggio C/C++ procedure che in Java sarebbero significativamente più lente. La parte C delle interfacce JNI deve essere compilata in una libreria dinamica di sistema. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

20 Architetture Multi-Linguaggio Esempio: Le Interfacce JNI Una Classe Java interfacciata JNI package test ; public class JNIClass{ public native void sendint ( int value ); public native int getint (); static { System. loadlibrary ( Library ); } } L implementazione C dei metodi di quella Classe #include <jni.h> JNIEXPORT void JNICALL Java test JNIClass sendint (JNIEnv env, jobject obj, jint value ){ //TODO } JNIEXPORT jint JNICALL Java test JNIClass getint (JNIEnv env, jobject obj ){ //TODO } A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21

21 Architetture Multi-Linguaggio Considerazioni sulle Architetture-MultiLinguaggio Portabilità E necessario valutare la portabilità dei singoli moduli di programmazione (Java, C, Disponibilità delle Librerie Dinamiche...) Scalabilità I Blocchi realizzati anche con codice differente, aumentano la Modularità del Software, rendendo più semplice sostenere cambi architetturali quando la scalabilità viene meno. Prestazioni Per quanto riguarda le Prestazioni, la divisione in moduli software realizzati con linguaggi differenti, consente di ottimizzare moduli critici, come nel caso delle interfacce JNI. A. Martinelli Architetture Applicative Altri Esempi 15/04/ / 21