Penjadwalan Prosesor Jamak

April 12, 2011 at 4:16 am (Sistem Operasi)

Pendahuluan

Untuk mempertinggi kinerja, kehandalan, kemampuan komputasi, paralelisme, dan keekonomisan dari suatu sistem, tambahan prosesor dapat diimplementasikan ke dalam sistem tersebut. Sistem seperti ini disebut dengan sistem yang bekerja dengan banyak prosesor (prosesor jamak atau multiprocessor). Seperti halnya pada prosesor tunggal, prosesor jamak juga membutuhkan penjadwalan. Namun pada prosesor jamak, penjadwalannya jauh lebih kompleks daripada prosesor tunggal karena pada prosesor jamak memungkinkan adanya load sharing antar prosesor yang menyebabkan penjadwalan menjadi lebih kompleks namun kemampuan sistem tersebut menjadi lebih baik. Oleh karena itu, kita perlu mempelajari penjadwalan pada prosesor jamak berhubung sistem dengan prosesor jamak akan semakin banyak digunakan karena kemampuannya yang lebih baik dari sistem dengan prosesor tunggal. Ada beberapa jenis dari sistem prosesor jamak, namun yang akan dibahas dalam bab ini adalah penjadwalan pada sistem prosesor jamak yang memiliki fungsi- fungsi prosesor yang identik ( homogenous).

Penjadwalan Master/Slave

Pendekatan pertama untuk penjadwalan prosesor jamak adalah penjadwalan asymmetric multiprocessing atau bisa disebut juga sebagai penjadwalan master/slave. Dimana pada metode ini hanya satu prosesor( master) yang menangani semua keputusan penjadwalan, pemrosesan M/K, dan aktivitas sistem lainnya dan prosesor lainnya ( slave) hanya mengeksekusi proses. Metode ini sederhana karena hanya satu prosesor yang mengakses struktur data sistem dan juga mengurangi data sharing.

Dalam teknik penjadwalan master/slave, satu prosesor menjaga status dari semua proses dalam sistem dan menjadwalkan kinerja untuk semua prosesor slave. Sebagai contoh, prosesor master memilih proses yang akan dieksekusi, kemudian mencari prosesor yang available, dan memberikan instruksi Start processor. Prosesor slave memulai eksekusi pada lokasi memori yang dituju. Saat slave mengalami sebuah kondisi tertentu seperti meminta M/K, prosesor slave memberi interupsi kepada prosesor master dan berhenti untuk menunggu perintah selanjutnya. Perlu diketahui bahwa prosesor slave yang berbeda dapat ditujukan untuk suatu proses yang sama pada waktu yang berbeda.

Gambar 15.1. Multiprogramming dengan multiprocessor

Multiprogramming dengan multiprocessor

 

Gambar di atas mengilustrasikan perilaku dari multiprocessor yang digunakan untuk multiprogramming Beberapa proses terpisah dialokasikan di dalam memori. Ruang alamat proses terdiri dari halaman-halaman sehingga hanya sebagian saja dari proses tersebut yang berada dalam memori pada satu waktu. Hal ini memungkinkan banyak proses dapat aktif dalam sistem.

Penjadwalan SMP

Penjadwalan SMP ( Symmetric multiprocessing) adalah pendekatan kedua untuk penjadwalan prosesor jamak. Dimana setiap prosesor menjadwalkan dirinya sendiri ( self scheduling). Semua proses mungkin berada pada antrian ready yang biasa, atau mungkin setiap prosesor memiliki antrian ready tersendiri. Bagaimanapun juga, penjadwalan terlaksana dengan menjadwalkan setiap prosesor untuk memeriksa antrian ready dan memilih suatu proses untuk dieksekusi. Jika suatu sistem prosesor jamak mencoba untuk mengakses dan meng- update suatu struktur data, penjadwal dari prosesor-prosesor tersebut harus diprogram dengan hati-hati; kita harus yakin bahwa dua prosesor tidak memilih proses yang sama dan proses tersebut tidak hilang dari antrian. Secara virtual, semua sistem operasi modern mendukung SMP, termasuk Windows XP, Windows 2000, Solaris, Linux, dan Mac OS X.

Affinity dan Load Ballancing

Affinity

Data yang paling sering diakses oleh beberapa proses akan memadati cache pada prosesor,sehingga akses memori yang sukses biasanya terjadi di memori cache. Namun, jika suatu proses . berpindah dari satu prosesor ke prosesor lainnya akan mengakibatkan isi dari cache memori yang dituju menjadi tidak valid, sedangkan cache memori dari prosesor asal harus disusun kembali populasi datanya. Karena mahalnya invalidating dan re-populating dari cache, kebanyakan sistem SMP mencoba untuk mencegah migrasi proses antar prosesor sehingga menjaga proses tersebut untuk berjalan di prosesor yang sama. Hal ini disebut afinitas prosesor ( processor affinity).

Ada dua jenis afinitas prosesor, yakni:

  • Soft affinity yang memungkinkan proses berpindah dari satu prosesor ke prosesor yang lain, dan
  • Hard affinity yang menjamin bahwa suatu proses akan berjalan pada prosesor yang sama dan tidak berpindah. Contoh sistem yang menyediakan system calls yang mendukung hard affinity adalah Linux.

Load Balancing

Dalam sistem SMP, sangat penting untuk menjaga keseimbangan workload antara semua prosesor untuk memaksimalkan keuntungan memiliki multiprocessor. Jika tidak, mungkin satu atau lebih prosesor idle disaat prosesor lain harus bekerja keras dengan workload yang tinggi. Load balancing adalah usaha untuk menjaga workload terdistribusi sama rata untuk semua prosesor dalam sistem SMP. Perlu diperhatikan bahwa load balancing hanya perlu dilakukan pada sistem dimana setiap prosesor memiliki antrian tersendiri( private queue) untuk proses-proses yang berstatus ready. Pada sistem dengan antrian yang biasa ( common queue), load balancing tidak diperlukan karena sekali prosesor menjadi idle, prosesor tersebut segera mengerjakan proses yang dapat dilaksanakan dari antrian biasa tersebut. Perlu juga diperhatikan bahwa pada sebagian besar sistem operasi kontemporer mendukung SMP, jadi setiap prosesor bisa memiliki private queue.

Ada dua jenis load balancing, yakni:

  • Push migration, pada kondisi ini ada suatu task spesifik yang secara berkala memeriksa load dari tiap-tiap prosesor. Jika terdapat ketidakseimbangan, maka dilakukan perataan dengan memindahkan( pushing) proses dari yang kelebihan muatan ke prosesor yang idle atau yang memiliki muatan lebih sedikit.
  • Pull migration, kondisi ini terjadi saat prosesor yang idle menarik( pulling) proses yang sedang menunggu dari prosesor yang sibuk.

Kedua pendekatan tersebut tidak harus mutually exclusive dan dalam kenyataannya sering diimplementasikan secara paralel pada sistem load-balancing.

Keuntungan dari affinity berlawanan dengan keuntungan dari load balancing, yaitu keuntungan menjaga suatu proses berjalan pada satu prosesor yang sama dimana proses dapat memanfaatkan data yang sudah ada pada memori cache prosesor tersebut berkebalikan dengan keuntungan menarik atau memindahkan proses dari satu prosesor ke prosesor lain. Dalam kasus system engineering, tidak ada aturan tetap keuntungan yang mana yang lebih baik. Walaupun pada beberapa sistem, prosesor idle selalu menarik proses dari prosesor non-idle sedangkan pada sistem yang lain, proses dipindahkan hanya jika terjadi ketidakseimbangan yang besar antara prosesor.

Symetric Multithreading

Sistem SMP mengizinkan beberapa thread untuk berjalan secara bersamaan dengan menyediakan banyak physical processor. Ada sebuah strategi alternatif yang lebih cenderung untuk menyediakan logical processor daripada physical processor. Strategi ini dikenal sebagai SMT ( Symetric Multithreading). SMT juga biasa disebut teknologi hyperthreading dalam prosesor intel.

Ide dari SMT adalah untuk menciptakan banyak logical processor dalam suatu physical processor yang sama dan mempresentasikan beberapa prosesor kepada sistem operasi. Setiap logical processor mempunyai state arsitekturnya sendiri yang mencangkup general purpose dan machine state register. Lebih jauh lagi, setiap logical prosesor bertanggung jawab pada penanganan interupsinya sendiri, yang berarti bahwa interupsi cenderung dikirimkan ke logical processor dan ditangani oleh logical processor bukan physical processor. Dengan kata lain, setiap logical processor men- share resource dari physical processor-nya, seperti chace dan bus.

Gambar 15.2. Symetric Multithreading

Symetric Multithreading

 

Gambar di atas mengilustrasikan suatu tipe arsitektur SMT dengan dua physical processor dengan masing-masing punya dua logical processor. Dari sudut pandang sistem operasi, pada sistem ini terdapat empat prosesor.

Perlu diketahui bahwa SMT adalah fitur yang disediakan dalam hardware, bukan software, sehingga hardware harus menyediakan representasi state arsitektur dari setiap logical processor sebagaimana representasi dari penanganan interupsinya. Sistem operasi tidak perlu didesain khusus jika berjalan pada sistem SMT, akan tetapi performa yang diharapkan tidak selalu terjadi pada sistem operasi yang berjalan pada SMT. Misalnya, suatu sistem memiliki 2 physical processor, keduanya idle, penjadwal pertama kali akan lebih memilih untuk membagi thread ke physical processor daripada membaginya ke logical processor dalam physical processor yang sama, sehingga logical processor pada satu physical processor bisa menjadi sibuk sedangkan physical processor yang lain menjadi idle.

Multicore

Multicore microprocessor adalah kombinasi dua atau lebih prosesor independen kedalam sebuah integrated circuit(IC). Umumnya, multicore mengizinkan perangkat komputasi untuk memeragakan suatu bentuk thread level paralelism(TLP) tanpa mengikutsertakan banyak prosesor terpisah. TLP lebih dikenal sebagai chip-level multiprocessing.

Gambar 15.3. Chip CPU dual-core

Chip CPU dual-core

 

Keuntungan:

  • Meningkatkan performa dari operasi cache snoop (bus snooping). Bus snooping adalah suatu teknik yang digunakan dalam sistem pembagian memori terdistribusi dan multiprocessor yang ditujukan untuk mendapatkan koherensi pada cache. Hal ini dikarenakan sinyal antara CPU yang berbeda mengalir pada jarak yang lebih dekat, sehingga kekuatan sinyal hanya berkurang sedikit. Sinyal dengan kualitas baik ini memungkinkan lebih banyak data yang dikirimkan dalam satu periode waktu dan tidak perlu sering di- repeat.
  • Secara fisik, desain CPU multicore menggunakan ruang yang lebih kecil pada PCB ( Printed Circuit Board) dibanding dengan desain multichip SMP
  • Prosesor dual-core menggunakan sumber daya lebih kecil dibanding sepasang prosesor dual-core
  • Desain multicore memiliki resiko design error yang lebih rendah daripada desain single-core

Kerugian:

  • Dalam hal sistem operasi, butuh penyesuaian kepada software yang ada untuk memaksimalkan kegunaan dari sumberdaya komputasi yang disediakan oleh prosesor multicore. Kemampuan prosesor multicore untuk meningkatkan performa aplikasi juga bergantung pada penggunaan banyaknya thread dalam aplikasi tersebut.
  • Dari sudut pandang arsitektur, pemanfaatan daerah permukaan silikon dari desain single-core lebih baik daripada desain multicore.
  • Pengembangan chip multicore membuat produksinya menjadi menurun karena semakin sulitnya pengaturan suhu pada chip yang padat.

Pengaruh multicore terhadap software

Keuntungan software dari arsitektur multicore adalah kode-kode dapat dieksekusi secara paralel. Dalam sistem operasi, kode-kode tersebut dieksekusi dalam thread-thread atau proses-proses yang terpisah. Setiap aplikasi pada sistem berjalan pada prosesnya sendiri sehingga aplikasi paralel akan mendapatkan keuntungan dari arsitektur multicore. Setiap aplikasi harus tertulis secara spesifik untuk memaksimalkan penggunaan dari banyak thread.

Banyak aplikasi software tidak dituliskan dengan menggunakan thread-thread yang concurrent karena kesulitan dalam pembuatannya. Concurrency memegang peranan utama dalam aplikasi paralel yang sebenarnya.

Langkah-langkah dalam mendesain aplikasi paralel adalah sebagai berikut:

  • Partitioning . Tahap desain ini dimaksudkan untuk membuka peluang awal pengeksekusian secara paralel. Fokus dari tahap ini adalah mempartisi sejumlah besar tugas dalam ukuran kecil dengan tujuan menguraikan suatu masalah menjadi butiran-butiran kecil.
  • Communication . Tugas-tugas yang telah terpartisi diharapkan dapat langsung dieksekusi secara paralel tapi tidak bisa, karena pada umumnya eksekusi berjalan secara independen. Pelaksanaan komputasi dalam satu tugas membutuhkan asosiasi data antara masing-masing tugas. Data kemudian harus berpindah-pindah antar tugas dalam melangsungkan komputasi. Aliran informasi inilah yang dispesifikasi dalam fase communication.
  • Agglomeration . Pada tahap ini kita pindah dari sesuatu yang abstrak ke yang konkret. Kita tinjau kembali kedua tahap diatas dengan tujuan untuk mendapatkan algoritma pengeksekusian yang lebih efisien. Kita pertimbangkan juga apakah perlu untuk menggumpalkan ( agglomerate) tugas-tugas pada fase partition menjadi lebih sedikit, dengan masing-masing tugas berukuran lebih besar.
  • Mapping . Dalam tahap yang keempat dan terakhir ini, kita menspesifikasi dimana setiap tugas akan dieksekusi. Masalah mapping ini tidak muncul pada uniprocessor yang menyediakan penjadwalan tugas.

Pada sisi server, prosesor multicore menjadi ideal karena server mengizinkan banyak user untuk melakukan koneksi ke server secara simultan. Oleh karena itu, Web server dan application server mempunyai throughput yang lebih baik.

Rangkuman

Penjadwalan asymmetric multiprocessing atau penjadwalan master/slave menangani semua keputusan penjadwalan, pemrosesan M/K, dan aktivitas sistem lainnya hanya dengan satu prosesor ( master). Dan prosesor lainnya ( slave) hanya mengeksekusi proses.

SMP ( Symmetric multiprocessing) adalah pendekatan kedua untuk penjadwalan prosesor jamak. Dimana setiap prosesor menjadwal dirinya sendiri (self scheduling).

Load balancing adalah usaha untuk menjaga workload terdistribusi sama rata untuk semua prosesor dalam sistem SMP. Load balancing hanya perlu untuk dilakukan pada sistem dimana setiap prosesor memiliki antrian tersendiri( private queue) untuk proses-proses yang akan dipilih untuk dieksekusi. Ada dua jenis load balancing: push migration dan pull migration. Pada push migration, ada suatu task spesifik yang secara berkala memeriksa load dari tiap-tiap prosesor, jika terdapat ketidakseimbangan, maka dilakukan perataan dengan memindahkan( pushing) proses dari yang kelebihan muatan ke prosesor yang idle atau yang memiliki muatan lebih sedikit. Pull migration terjadi saat prosesor yang idle menarik ( pulling) proses yang sedang menunggu dari prosesor yang sibuk. Kedua pendekatan tersebut tidak harus mutually exclusive dan dalam kenyataannya sering diimplementasikan secara paralel pada sistem load-balancing.

Afinitas prosesor ( processor affinity) adalah pencegahan migrasi proses antar prosesor sehingga menjaga proses tersebut tetap berjalan di prosesor yang sama. Ada dua jenis afinitas prosesor, yakni soft affinity dan hard affinity. Pada situasi soft affinity ada kemungkinan proses berpindah dari satu prosesor ke prosesor yang lain. Sedangkan hard affinity menjamin bahwa suatu proses akan berjalan pada prosesor yang sama dan tidak berpindah. Contoh sistem yang menyediakan system calls yang mendukung hard affinity adalah Linux.

SMT ( Symetric Multithreading) adalah strategi alternatif untuk menjalankan beberapa thread secara bersamaan. SMT juga biasa disebut teknologi hyperthreading dalam prosesor intel.

Multicore microprocessor adalah kombinasi dua atau lebih independent processor kedalam sebuah integrated circuit(IC). Multicore microprocessosor mengizinkan perangkat komputasi untuk memeragakan suatu bentuk thread level parallelism(TLP) tanpa mengikutsertakan banyak microprocessor pada paket terpisah. TLP lebih dikenal sebagai chip-level multiprocessing.

Leave a Reply

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: