哈工大并行计算第四章

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哈工大并行计算课件第三章

242 187 84 10
0．26 13,333
91 332
16 1200
13
14
3.STREAM
是一个简单的合成基准程序；
由SGl的JohnMcCalpin提出。
测量持续的存储器带宽(以MB／s为单位)和相应的计算速率。
下表中的向量a、b和c均是有二百万个元素的数组，其中每个元素是一个8字节的字。
紧跟其后的是安装在NASAAmes研究中心的SGl构建的Columbia系统，它的实测峰值是 51．87TFlops。
上述两个系统让实测峰值35．86TFlops的日本 NECEarthSimulator连续5次TOP500排名第1名成为历史。
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10
该年度在TOP10中还有其他一些明显的变化。安装在 Barcelona超级计算中心的IBMMareNostrum机群以 20．53Tfops排名第四；
第3章性能指标和基准程序
1 系统和应用的基准程序
2 性能和成本 3 基本性能指标 4 并行计算机性能 5 并行程序性能 6 可扩展性和加速比分析
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1
1. 如何描述应用和系统的性能特征? 2. 什么是用户对性能和成本要求? 3. 如何测量应用程序的性能? 使用何种
超过1TFlops的系统数量从242提高到399。整个TOP500中所有的系统的性能总和，已经超过
1PetaFIops，从六个月前的813TFlops突破到 1．127PetaFlops。
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另外从TOP500中可以发现一些变化趋势。从使用的处理器和系统类型来看，有320套系统采用Intel处理器，而六个月前这个数量是287，一年前只有189；

并行计算讲义

燕山大学课程讲义并行计算导论授课人：郭栋梁学时：32学时其中实验课：8学时三级项目：16学时第1章引言1.1概述单处理器计算机即将成为过时的概念.我们需要考虑如下因素来着手改进提高计算机的性能:（1）单纯依靠单处理器很难提升现有计算机的性能.即使有一个性能十分强大的单处理器，其功耗也让人无法接受.想要提升计算机的性能，更加可行的方法是同时使用多个简单处理器，它所能达到的性能可能是现有单处理器计算机性能的几千倍。

（2）观察结果显示，除非使用并行处理技术，一个程序在一台型号更新的单处理器计算机上的运行速度，可能比在旧的计算机上的运行速度更慢。

能依照给定算法检测出程序中的并行结构的编程工具还有待开发。

此算法需要能够检测出变ja之间的依赖关系是否规则;而且不管这些依赖是否规则，此算法都能在保证程序正确性的前提下，通过将程序中的一些子任务并行化来加速程序的执行。

（3）提升未来的计算机性能的关键就在于并行程序的开发，这涉及各个层面的工作:算法、程序开发、操作系统、编译器及硬件设备。

（4）并行计算除了要考虑到参与并行计算的处理器的数量，还应该考虑处理器与处理器、处理器与内存之间的通信。

最终计算性能的提升既依赖于算法能够提升的空间，更依赖于处理器执行算法的效率。

而通信性能的提升则依赖于处理器对数据的供应和提取的速度。

（5）内存系统的速度始终比处理器慢，而且由于一次只能进行单个字的读写操作，内存系统的带宽也有限制。

（6）内存系统的速度始终比处理器慢，而且由于一次只能进行单个字的读写操作，内存系统的带宽也有限制。

本书内容主要涉及并行算法与为了实现这些算法而设计的硬件结构。

硬件和软件是相互影响的，任何软件的最终运行环境是由处理器组成的底层硬件设备和相应的操作系统组成.我们在本章开始的部分会介绍一些概念，之后再来讨论为了实现这些概念有哪些方法和限制.1.2自动并行编程对于算法在软件中的实现过程我们都很熟悉。

在编程并不需要了解目标计算机系统的具体细节，因为编译器会处理这些细节.但是在编程和调试时依旧沿用着在单一央处理器(CPU)上顺序处理的模式.从另一方面讲，为了实现并行算法，硬件和软件之间的相互联系需要比我们想象的更加密切。

哈工大并行计算课件第二章

吞吐率处理顺序程序并行系统spps模型也称为吞吐率处理一个并行系统能够提高处理速度又能增加独立顺序作业的处理提高系统的吞吐率哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院编译器将源代码翻译成二进制代码在并行平台上运行该平台包含操作系统和在它之下的并行计算机硬件
例如，在一个SGI PowerChallenge计算机例如，在一个SGI PowerChallenge计算机它是SMP) SMP)，上(它是SMP)，自然模型为共享变量模型 SGIPowerC)。 (如SGIPowerC)。数据并行( HPF)和消息传送和消息传送( MPl)可在数据并行(如HPF)和消息传送(如MPl)可在其顶部实现。其顶部实现。
这些并行语言大多数在当前系统上使用的并行语言均是Fortran Fortran或用的并行语言均是Fortran或C的某种扩展。扩展。
一个编程模型即是程序员在开发一个并行程序时所见到和使用的模型。并行程序时所见到和使用的模型。
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自然模型的定义：自然模型的定义：是由一个特定并行计算机平台所提供的、是由一个特定并行计算机平台所提供的、用户可见的最低层的编程模型。用户可见的最低层的编程模型。其他的编程模型可在此自然模型上加以实现。程模型可在此自然模型上加以实现。
并行编程基础第2章并行编程基础
ζ1 并行编程综述
ζ2 进程任务和线程 ζ3 并行性问题 ζ4 交互和通信问题
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ζ1 并行编程综述
并行编程处于令人遗憾的状况：并行编程处于令人遗憾的状况：
并行软件开发远落后于并行硬件的进展。并行软件开发远落后于并行硬件的进展。缺少合适的并行软件是阻碍主流用户接纳并行计算的主要原因。纳并行计算的主要原因。与顺序计算相比，与顺序计算相比，当今的并行系统软件和应用软件不仅数量很少, 和应用软件不仅数量很少,而且功能性也相当原始。相当原始。隧道之末总有阳光。隧道之末总有阳光。

哈工大模式识别第四章第五章

i 1
c
J d ( x) tr( Sb Sw )
2016/1/23 哈尔滨工业大学电信院宿富林
tr：迹
15
考虑类内类间欧氏距离的其它判据
判据Jd(X)是计算特征向量的总平均距离，以下一些判据则基于使类间离散度尽量大，类内离散度尽量小的考虑而提出。
J 2 ( x ) tr ( S S ) | Sb | J（） ln[ ] 3 x | Sw | trSb J（） 4 x trS w | S w Sb | J（） 5 x | Sw |
2016/1/23 哈尔滨工业大学电信院宿富林 12
两类之间的距离：ω1任一点与ω2中任一点的距离和的平均。多类：各类之间的平均距离
1 1 J d ( x ) Pi Pj 2 i 1 j 1 ni n j
(i ) k ( j) l
c
c
(i ) ( j) ( x , x k l ) k 1 l 1
2016/1/23
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6
特征提取
找到一个映射关系： A:Y→X 使新样本特征描述维数比原维数降低。其中每个分量xi是原特征向量各分量的函数，即 Xi=fi(y1,y2,…,yD)
这两种降维的基本方法是不同的。在实际应用中可将两者结合起来使用，比如先进特征提取，然后再进一步选择其中一部分，或反过来。
2016/1/23
哈尔滨工业大学电信院宿富林
3
例用RGB颜色空间和HSI颜色空间
右边是原始图像，左边是用HSI空间描述的同一图像(但是为了显示出来，用H对应R，S对应G，I对应 B，然后再以RGB的方式显示出来
2016/1/23

哈工大—并行处理—第一章绪论

国计民生方面的应用：
医疗保健、教育、能源管理、环境保护、文化娱乐、国防安全……都涉及到了高性能并行机的使用 1995世界第一部全计算机动画片<玩具总动员>是由上百台 SUN工作站并行完成的。
以上的应用涉及并行机和机群。
1.2 并行性的概念
1、并行性（parallelism）——在同一时刻或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不相同的工作，只要时间上相互重叠，均存在并行性。 2、并行性含义同时性（Simultaneity）——两个或多个事件在同一时刻发生并发性（Concurency）——两个或多个事件在同一时间间隔内发生粗粒度并行——在多处理机上分别运行多个进程，由多台处理机合作完成一个程序。细粒度并行——指在一个进程中，进行操作一级或指令一级的并行处理
6、从标量处理计算机到并行计算机的演变
标量顺序的 I/E重叠多功能部件隐式向量先行功能并行流水线显式向量寄存器到存储器 MIMD 多处理机
存储器到存储器
SIMD 关联处理器处理机阵列多计算机
1.3 并行处理机的发展
1、提高并行性的三种主要技术途径 1）时间重叠（Time-interleaving）即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠使用同一套硬件的各个部件，以加强部件的周转而提高速度。 2）资源重复（resource-replication）根据以数量取胜原则，重复设置硬件资源以大幅度提高系统的性能。 3）资源共享（resource-sharing）利用软件方法，使多个用户分时使用同一个计算机系统。Fra bibliotek并行性
ASCI计划——加速战略计算创新（Accelerated Strategic Computing Initiative）

并行计算(陈国良版)课后答案

第三章互连网络对于一颗K级二叉树（根为0级，叶为k-1级），共有N=2^k-1个节点，当推广至m-元树时（即每个非叶节点有m个子节点）时，试写出总节点数N的表达式。

答：推广至M元树时，k级M元树总结点数N的表达式为：N=1+m^1+m^2+...+m^（k-1）=(1-m^k)*1/(1-m);二元胖树如图所示，此时所有非根节点均有2个父节点。

如果将图中的每个椭圆均视为单个节点，并且成对节点间的多条边视为一条边，则他实际上就是一个二叉树。

试问：如果不管椭圆，只把小方块视为节点，则他从叶到根形成什么样的多级互联网络答：8输入的完全混洗三级互联网络。

四元胖树如图所示，试问：每个内节点有几个子节点和几个父节点你知道那个机器使用了此种形式的胖树答：每个内节点有4个子节点，2个父节点。

CM-5使用了此类胖树结构。

试构造一个N=64的立方环网络，并将其直径和节点度与N=64的超立方比较之，你的结论是什么答：A N=64的立方环网络,为4立方环（将4维超立方每个顶点以4面体替代得到），直径d=9，节点度n=4B N=64的超立方网络，为六维超立方（将一个立方体分为8个小立方，以每个小立方作为简单立方体的节点，互联成6维超立方），直径d=6，节点度n=6一个N=2^k个节点的 de Bruijin 。

试问：该网络的直径和对剖宽度是多少答：N=2^k个节点的 de Bruijin网络直径d=k 对剖宽带w=2^(k-1)一个N=2^n个节点的洗牌交换网络如图所示。

试问：此网络节点度==网络直径==网络对剖宽度==答：N=2^n个节点的洗牌交换网络，网络节点度为=2 ，网络直径=n-1 ，网络对剖宽度=4一个N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络如图所示。

试问：此网络节点度=网络直径=网络对剖宽度=答：N=（k+1）2^k个节点的蝶形网络，网络节点度=4 ，网络直径=2*k ，网络对剖宽度=2^k对于如下列举的网络技术，用体系结构描述，速率范围，电缆长度等填充下表中的各项。

计算理论(哈工大第八章)

1. 一个布尔线路C定义了一个布尔函数f； 2. C计算f的过程：
给定变量布尔赋值; 各逻辑门按其入边的值执行其定义的操作；每个逻辑门把计算结果输出到所有出边; C的输出节点的输出是f的值.
定义2(布尔线路规模和深度). 1. 布尔线路C的规模|C|是C逻辑门的个数. 2. 布尔线路C的深度|C|是C中从变量到输出门的最长路径的节点数.
b11 b12 b 21 b22 b31 b32 b41 b42
b13 b23 b33 b43
b14 b24 b34 b44
cij= ai1b1j+ai2b2j+ai3b3j+ai4b4j
n=4, 需要64个处理机，编号如下：
c11 (1, 1, 1) (1, 2, 1) (1, 3, 1) (1, 4, 1) c31 (3, 1, 1) (3, 2, 1) (3, 3, 1) (3, 4, 1) c12 (1, 1, 2) (1, 2, 2) (1, 3, 2) (1, 4, 2) c32 (3, 1, 2) (3, 2, 2) (3, 3, 2) (3, 4, 2) c13 (1, 1, 3) (1, 2, 3) (1, 3, 3) (1, 4, 3) c33 (3, 1, 3) (3, 2, 3) (3, 3, 3) (3, 4, 3) c14 (1, 1, 4) (1, 2, 4) (1, 3, 4) (1, 4, 4) c34 (3, 1, 4) (3, 2, 4) (3, 3, 4) (3, 4, 4) c21 (2, 1, 1) (2, 2, 1) (2, 3, 1) (2, 4, 1) c41 (4, 1, 1) (4, 2, 1) (4, 3, 1) (4, 4, 1) c22 (2, 1, 2) (2, 2, 2) (2, 3, 2) (2, 4, 2) c42 (4, 1, 2) (4, 2, 2) (4, 3, 2) (4, 4, 2) c23 (2, 1, 3) (2, 2, 3) (2, 3, 3) (2, 4, 3) c43 (4, 1, 3) (4, 2, 3) (4, 3, 3) (4, 4, 3) c24 (2, 1, 4) (2, 2, 4) (2, 3, 4) (2, 4, 4) c44 (4, 1, 4) (4, 2, 4) (4, 3, 4) (4, 4, 4)

哈工大软件学院并行程序设计课程实验报告之二

《并行程序设计》课程实验报告实验2：基于Windows Thread和OpenMP的多线程编程姓名*** 院系软件学院学号**********任课教师张伟哲指导教师苏统华实验地点软件学院五楼机房实验时间2015年4月8日实验课表现出勤、表现得分实验报告得分实验总分操作结果得分一、实验目的要求：需分析本次实验的基本目的，并综述你是如何实现这些目的的？一、1．熟练掌握C++语言；。

2、掌握Visual Studio* .NET*集成开发环境的使用；3、掌握Windows32 Thread API开发多线程程序；4、掌握Windows32 Thread API中互斥机制的使用方式二、1．掌握OpenMP的基本功能、构成方式、句法；2、掌握OpenMP体系结构、特点与组成；3、掌握采用OpenMP进行多核架构下多线程编程的基本使用方法和调试方法。

二、实验内容该部分填写在实验过程中，你都完成了哪些工作。

一、1. 定位到文件夹Win32 Threads\ HelloThreads\，用Microsoft Visual studio打开文件HelloThread.sln，编译并运行程序；2. 对main.cpp中函数进行修改，要求输出线程创建顺序（例如：Hello Thread 0, Hello Thread 1, Hello Thread 2 等等）；注意：利用CreateThread()循环变量作为每个线程的执行顺序唯一标识3. 编译并多次运行程序，记录线程执行顺序，分析线程程序执行顺序是否不可预见及其产生原因4. 定位到文件夹Win32 Threads\ Pi\，用Microsoft Visual studio打开文件Pi.sln，编译并运行程序；5. 对此串行代码使用Windows32 Thread API进行线程化，要求4线程实现，且每次迭代计算仅由一个线程完成6. 使用CRITICAL_SECTION机制和Semaphors机制对多线程共享变量进行互斥操作，避免数据竞争。

哈工大编译原理4-2

计算机学院辛明影
( 0 0 0 1
) 0 0 0 0
i 0 0 0 1
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算法4.1 设置F某一元素为真的过程：算法4.1 设置F某一元素为真的过程： PROCEDURE INSERT（P，a) IF F[P,a]=0 THEN BEGIN F[P,a]=1; PUSH(P,a); END
28 计算机学院辛明影
S
12 计算机学院辛明影
句子 F+id*id 对应的语法树短语：F 直接短语：F 句柄：F E E T F + T F id2 T * F id3 Id2 Id2 Id3 Id3 id2*id3 id1+id2*id3
三、用栈实现移进归约分析移入归约分析器使用了一个栈来保存文法符号，用输入缓冲区来存放待分析的串w, ＄为栈底符号和输入结束标记。为栈底符号和输入结束标记。初始时，栈和输入串的情形为：栈输入串 w＄＄终止时，形成如下格局：栈输入串＄S ＄
辛明影
输入串 id1*id2+id3 ＄ *id2+id3 ＄ *id2+id3 ＄ *id2+id3 ＄ id2+id3 ＄ +id3 ＄ +id3 ＄ +id3 ＄ +id3 ＄ id3 ＄＄＄＄＄＄
动作 prepare 移入归约F→id 归约归约T→F 归约移进移进归约F→id 归约归约T→T*F 归约T→T*F 归约E→T 归约移入移入归约F→id 归约归约T→F 归约归约E→E+T 归约 access
2 计算机学院辛明影
移入归约分析法为输入串构造分析树时从叶节占点（底端）开始，树时从叶节占点（底端）开始，向根节顶端）前进。点（顶端）前进。该过程可看成是把输入串w“归约归约” 该过程可看成是把输入串归约” 成文法开始符号的过程如果每一步都能恰当地选择子串，如果每一步都能恰当地选择子串，我们就可以得到最右推导的逆过程----最我们就可以得到最右推导的逆过程最左归约文法4.1：文法：规范归约：最左归约最左归约 S→aABe A→Ab|b 规范推导：最右推导最右推导 B→d

计算机应用数学-(组合数学)-答案哈工大

1，证明，如果从集合{1，2，...，2n}中选择n+1整数，那么总存在两个整数，它们之间相差为1.2，用鸽巢原理证明，有理数m/n展开的十进制小数最终是要循环的。

例如，34 478/99 900=0.345 125 125 125 125 12...3，一间屋内有10个人，他们当中没有人超过60岁（年龄只能以整数给出）但又至少不低于1岁。

证明，总能够找出两组人（两组不含相同人），各组人的年龄和是相同的。

题中的数10能换成更小的数吗？4，一只袋子装了100个苹果、100个香蕉、100个橘子和100个梨。

如果我每分钟从袋子里了出1种水果，那么需要多少时间我就能肯定至少已拿出了1打相同种类的水果？5，i）证明，在边长为1的等边三角形内任意选择5个点，存在2个点，其间距离至多为1/2。

ii）证明，在边长为1的等边三角形内任意选择10个点，存在2个点，其间距离至多为1/3。

iii）确定一个整数m小n，使得如果在边长为1的等边三角形内任意选择的m小n个点，则存在2个点，其间距离至多为1/n.6，下列各数各有多少互异正因子？i）3的4次方X 5的2次方X 7的6次方X 11ii）620iii）10的10次方7，确定下列类型的一手牌（5张牌）的数目。

i）full houses （3张一样大小的牌及2张相同点数的另外大小的牌）。

ii）顺牌（5张点数相连的牌）。

iii）同花（5张一样花色的牌）。

iv）同花顺（5张点数相连的同样花色的牌）。

v）恰好两个对（一对同样大小，另一对另外点数同样大小，再有一张另外大小的5张牌）。

vi）恰好一个对（一对同样大小，另外三张另外大小且互异点数的牌）。

8，从拥有10名男会员和12名女会员的一个俱乐部选出一个5人委员会。

如果至少要包含2位女士，能够有多少种方法形成这个委员会？此外，如果俱乐部还有一位特定的男士和一们特定的女士拒绝进入该委员会一起工作，形成委员会的方式又有多少？9，学校有100名学生和3个宿舍A，B和C，它们分别容纳25，35和40人。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文仿...

国内图书分类号：TN971+.1国际图书分类号：621.396.62工学硕士学位论文射频信号识别的并行算法设计与实现硕士研究生：刘阳导师：顾学迈教授申请学位：工学硕士学科、专业：信息与通信工程所在单位：电子与信息技术研究院答辩日期： 2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：TN971+.1U.D.C.：621.396.62Dissertation for the Master’s Degree in Engineering DESIGN AND IMPLEMENTATION OF RF MODULATED SIGNAL RECOGNITION USING PARALLEL ALGORITHMCandidate：Liu YangSupervisor：Prof. Gu XuemaiAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Information and CommunicationEngineeringAffiliation:School of Electronics andInformation TechnologyDate of Defence:July, 2007Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要调制方式的自动识别是通信信号电子侦察与信号自动检测设备中的重要环节，在军事和民用领域都是十分重要的研究课题，正日益受到广泛关注。

而随着卫星通信的快速发展，研究卫星常用调制方式的自动识别算法变得十分重要。

本文通过对现有调制方式自动识别算法的分析，采用并行处理的思想结合两步FFT并行算法对识别算法进行重新设计，并在多DSP信号处理平台上完成了算法的工程实现。

文章首先通过对现有调制识别算法的分析，结合卫星实际通信环境的特点，提出采用统计模式识别调制分类方法完成卫星信号常用调制方式的自动识别。

节讲义月日

示例：在1997年时：一个对称多处理机(SMP)系统最多能扩展到大约64个处理器；一个IBM SP2并行机能扩展到最多具有512 个处理器。
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当前的并行计算机规模的扩展：
加入更多处理器；增加互连网络、接口以及通信软件在内的子系统。有效地利用更大并行性，即如何为扩大的系统进行编程。

例如，假定一个有n个处理器的系统，作数据库服务器用
它拥有美国人口数据库，通常有100位美国科学家查询，其性能为每秒1000个事务处理(TPS)。现在如果我们将处理器数加倍成2n，能期望速度有多少改进?期望是多少？

所增加的资源中，处理器最为常见；也可能是存储器容量和I／O容量。
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（1）规模可伸缩性：规模可伸缩性与处理器数相关联。

扩展一个计算机系统---增加机器规模（处理器数）。不同并行计算机规模可扩展能力不同。

限制并行系统可扩展性的两个主要因素是：程序设计及通信。
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在研究应用可扩展性时，有以下3点值得注意：
许多实际的并行应用问题对于机器和问题规模已有内在限制应将“应用／机器” 一起视为一个系统它也依赖于资源规模。

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3、技术可扩展性
是指该系统能适应技术的改变。它可进一步分为3类：

哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 20

例题：IBM个人计算机的代可扩展性最具有代可扩展的计算机是IBM PC机。 PC系统(从处理器到母板、I／O卡和软件) 是设计成代可扩展的。现有系统中的二进制代码和应用程序 (DOS、Windows、数据库、电子表格及字处理软件等)不用作任何修改，就可在升级的系统中运行得更快。

3 典型并行计算系统介绍

并行计算——结构•算法•编程第一篇并行计算的基础第一章并行计算与并行计算机结构模型第二章并行计算机系统互连与基本通信操作第三章典型并行计算机系统介绍第四章并行计算性能评测第三章典型并行计算机系统介绍3.1 共享存储多处理机系统3.1.1 对称多处理机SMP结构特性3.2 分布存储多计算机系统3.2.1 大规模并行机MPP结构特性3.3 分布共享存储多计算机系统3.3.1 分布共享存储计算机系统特性3.4 机群系统3.4.1 大规模并行处理系统MPP机群SP23.4.2 工作站机群COW对称多处理机SMP（1）SMP: 采用商用微处理器，通常有片上和片外Cache，基于总线连接，集中式共享存储，UMA结构例子：SGI Power Challenge, DEC Alpha Server,Dawning 1对称多处理机SMP（2）优点对称性:任何处理器均可访问任何存储单元和I/O设备单地址空间:易编程性，动态负载平衡，无需显示数据分配高速缓存及其一致性:支持数据的局部性，数据一致性由硬件维持低通信延迟:可由简单的Load/Store指令完成问题欠可靠: BUS,OS,SM失效均会造成系统的崩溃可观的通信延迟（相对于CPU）:竞争会加剧延迟慢速增加的带宽:MB double/3 year, IOB更慢不可扩放性（用总线连接）。

为此，或改用交叉开关连接，或改用CC-NUMA，或改用Cluster第三章典型并行计算机系统介绍3.1 共享存储多处理机系统3.1.1 对称多处理机SMP结构特性3.2 分布存储多计算机系统3.2.1 大规模并行机MPP结构特性3.3 分布共享存储多计算机系统3.3.1 分布共享存储计算机系统特性3.4 机群系统3.4.1 大规模并行处理系统MPP机群SP23.4.2 工作站机群COW大规模并行机MPP成百上千个处理器组成的大规模计算机系统，规模是变化的。

NORMA结构，高总计带宽，相对低延迟，定制互连。

并行算法讲义

中科院数学与系统科学研究院“并行计算” 课程讲义（草稿）”张林波计算数学与科学工程计算研究所科学与工程计算国家重点实验室2003 年1月29目录第一部分MPI消息传递编程第一章预备知识§1.1 高性能并行计算机系统简介§1.1.1 微处理器的存储结构§1.1.2 Cache 结构对程序性能的影响§1.1.3 共享内存SMP 型并行计算机§1.1.4 分布式内存MP P 型并行计算机§1.1.5 DSM 型并行计算机§1.1.6 SMP/D SM 机群§1.1.7 微机／1.4.作站机群§1.1.8 TOP500§1.2 并行编程模式§1.2.1 自动并行与手1.4.并行§1.2.2 0penMP§1.2.3 DSM 编程模式§1.2.4 高性能Fortran: HPF§1.2.5 消息传递并行编程模式§l.3 Unix 程序开发简介§l.3.1 Unix中常用的编译系统§1.3.2 实用1.4.具make§1.4 消息传递编程平台MPI§1.4.1 MPI 程序的编译与运行§1.4.2 利用MPICH 建立MPI 程序开发与调试环境第二章MPI 基础知识§2.1 下载MPI标准的PS 文档§2.2 一些名词与概念§2.3 编程模式§2.4 MPI 函数的一般形式§2.5 MPI 的原始数据类型§2.5.1 Fortran 77 原始数据类型§2.5.2 C 原始数据类型§2.6 MPI 的几个基本函数§2.6.1 初始化MPI 系统§2.6.2 检测MPI 系统是否已经初始化§2.6.3 得到通信器的进程数及进程在通信器中的序号§2.6.4 退出MPI 系统§2.6.5 异常终止MPI 程序的执行§2.6.6 查询处理器名称§2.6.7 莸取墙上时间及时钟精度§2.7 MPI 程序的基本结构§2.7.1 Fortran 77 程序§2.7.2 C 程序第三章点对点通信§3.1 标准阻塞型点对点通信函数§3.1.1 标准阻塞发送§3.1.2 阻塞接收§3.1.3 阻塞型消息传递实例§3.1.4 其它一些阻塞型消息传递函数§3.2 消息发送模式§3.2.1 阻塞型缓冲模式消息发送函数§3.3 阻塞型与非阻塞型函数§3.4 非阻塞型点对点通信函数§3.4.1 非阻塞发送§3.4.2 非阻塞接收§3.4.3 通信请求的完成与检测§3.4.4 通信请求的释放§3.5 消息探测与通信请求的取消§3.5.1 消息探测§3.5.2 通信请求的取消§3.6 点对点通信函数汇总§3.7 持久通信请求§3.7.1 创建持久消息发送请求§3.7.2 创建持久消息接收请求§3.7.3 开始基于持久通信请求的通信§3.7.4 持久通信请求的完成与释放第四章数据类型§4.1 与数据类型有关的一些定义§4.1.1 数据类型定义§4.1.2 数据类型的大小§4.1.3 数据类型的下界、上界与域§4.1.4 MPI_LB 和MPI_UB§4.1.5 数据类型查询函数§4.2 数据类型创建函数§4.2.1 MPI_Type_contiguous§4.2.2 MPI_Type_vector§4.2.3 MPI_Type_hvector§4.2.4 MPI_Type_indexed§4.2.5 MPI_Type_hindexed§4.2.6 MPI_Type_struct§4.2.7 地址函数MPI_Address§4.3 数据类型的使用§4.3.1 数据类型的提交§4.3.2 数据类型的释放§4.3.3 MPI_Get_elements§4.4 数据的打包与拆包§4.4.1 数据打包§4.4.2 数据拆包§4.4.3 得到打包后的数据大小§4.5 MPI l.l 中位移与数据大小的限制第五章聚含通信（Collective Communications）§5.1 障碍同步§5.2 广播§5.3 数据收集§5.3.1 收集相同长度数据块MPI_Gather§5.3.2 收集不同长度数据块MPI_Gatherv§5.3.3 全收集MPI_Allgather§5.3.4 不同长度数据块的全收集MPI_Allgatherv §5.4 数据散发§5.4.1 散发相同长度数据块MPI_Scatter§5.4.2 散发不同长度数据块MPI_Scatterv§5.5 全部进程对全部进程的数据散发收集§5.5.1 相同数据长度的全收集散发MPI_Alltoall§5.5.2 不同数据长度的全收集散发MPI_Alltoallv §5.6 归约§5.6.1 归约函数MPI_Reduce§5.6.2 全归约MPI_Allreduce§5.6.3 归约散发MPI_Reduce_scatter§5.6.4 前缀归约MPI_Scan§5.6.5 归约与前缀归约中用户自定义的运算§5.7 两个程序实例§5.7.1 π值计算§5.7.2 Jacobi 迭代求解二维Poisson 方程第六章进程组与通信器§6.1 基本概念§6.1.1 进程组§6.1.2 上下文（Context）§6.1.3 域内通信器（Intracommunicator）§6.1.4 域间通信器（Intercommunicator）§6.2 进程组操作函数§6.2.1 查询进程组大小和进程在组中的序号§6.2.2 两个进程组间进程序号的映射§6.2.3 比较两个进程组§6.2.4 进程组的创建与释放§6.3 域内通信器操作函数§6.3.1 比较两个通信器§6.3.2 通信器的创建与释放§6.4 通信器的附加属性（Caching）§6.5 域间通信器（Intercommunicator）§6.6 进程拓扑结构§6.6.1 迪卡尔拓扑结构§6.6.2 一般拓扑结构§6.6.3 底层支持函数第七章文件输入输出§7.1 基本术语§7.2 基本文件操作§7.2.1 打开MPI 文件§7.2.2 关闭MPI 文件§7.2.3 删除文件§7.2.4 设定文件长度§7.2.5 为文件预留空间§7.2.6 查询文件长度§7.3 查询文件参数§7.3.1 查询打开文件的进程组§7.3.2 查询文件访问模式§7.4 设定文件视窗§7.4.1 文件中的数据表示格式§7.4.2 可移植数据类型§7.4.3 查询数据类型相应于文件数据表示格式的域§7.5 文件读写操作§7.5.1 使用显式位移的阻塞型文件读写§7.5.2 使用独立文件指针的阻塞型文件读写§7.5.3 使用共享文件指针的阻塞型文件读写§7.5.4 非阻塞型文件读写函数§7.5.5 分裂型文件读写函数§7.6 文件指针操作§7.6.1 独立文件指针操作§7.6.2 共享文件指针操作§7.6.3 文件位移在文件中的绝对地址§7.7 不同进程对同一文件读写操作的相容性§7.7.1 设定文件访问的原子性§7.7.2 查询atomicity 的当前值§7.7.3 文件读写与存储设备间的同步§7.8 子数组数据类型创建函数本讲义仅供课程学员及其他感兴趣者个人参考用，尚处于逐步修改完善的过程中，许多内容代表的是作者的个人观点。

高性能计算中并行计算技术的使用教程

高性能计算中并行计算技术的使用教程现代科学计算和工程领域中，高性能计算（High Performance Computing，HPC）已经成为十分重要的工具，可以有效地加速复杂问题的求解。

而并行计算技术作为高性能计算的基础，可以显著提升计算效率。

本文将介绍并行计算技术的使用教程，包括并行计算的基本概念、并行计算的分类和并行计算的实现方法等内容。

首先，我们来了解并行计算的基本概念。

并行计算是一种将一个问题拆分成多个子问题，然后并发地求解这些子问题的计算方法。

与串行计算不同，串行计算是按照顺序依次执行指令，而并行计算可以同时执行多条指令，以达到更高的计算效率。

广义上讲，并行计算可以指多个处理器同时计算不同的任务，狭义上则是指多个处理器同时计算同一个任务的方式。

接下来，我们来了解并行计算的分类。

根据并行计算的任务粒度，可以将并行计算分为粗粒度并行和细粒度并行。

粗粒度并行是指将整个问题分解成多个子任务，每个子任务由一个处理器独立计算。

而细粒度并行是指将一个任务的计算拆分成多个更小的任务，这些小任务之间的计算可以并行进行。

此外，根据并行计算的结构，还可以将并行计算分为共享内存并行和分布式内存并行。

共享内存并行是指多个处理器共享同一块内存区域，可以通过读写共享内存实现通信，而分布式内存并行则是指多个处理器分别拥有自己的内存，通过消息传递实现通信。

然后，我们来介绍并行计算的实现方法。

常见的并行计算方法包括OpenMP、MPI和CUDA等。

OpenMP是一种共享内存并行编程接口，它可以通过在串行程序中插入OpenMP指令来实现并行计算。

MPI是一种分布式内存并行编程接口，它可以通过消息传递的方式实现不同处理器之间的通信，是用于构建分布式内存并行程序的重要工具。

CUDA是一种针对NVIDIA图形处理器（GPU）的并行计算平台和编程模型，它可以利用GPU强大的并行计算能力加速计算任务。

在使用并行计算技术之前，我们需要对要解决的问题进行并行性分析，确定问题的可并行性。

哈工大软件学院《并行程序设计》课程实验报告材料之四

《并行程序设计》课程实验报告实验4：基于WINDOWS平台的MPI并行程序设计运行测试程序：在调试模式下运行：使用不同的命令运行：二、运行过程截图：实验结果记录如下：实验一：单机上，数据规模为4000时，随每机进程数变化的运行时间；进程数 1 2 3 4 5 时间实验二：一样数据规模为4000，随每机进程数变化的运行时间每机进程数单机双机三机四机1234 0.453638实验三：每机1个进程，随数据规模变化的n-body并行程序运行时间。

粒子数n 单机双机三机四机105010050010002000300040003. 根据记录的数据计算加速比与效率〔给出数据并绘图〕实验一：单机上，粒子数为4000，随进程数变化加速比〔Sp〕统计进程数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 加速比实验二：粒子数为4000，随每机进程数变化的加速比每机进程数三机四机1234实验三：每机1个进程，随数据规模变化的n-body并行程序加速比和效率n-body并行算法的加速比〔Sp〕统计表粒子数n 双机三机四机10501005001000200030004000n-body并行算法的效率〔Ep〕统计表粒子数n 双机三机四机10501005001000200030004000四、思考题思考题1：深入分析并行nbody的机理，阐述其根本并行思想，给出其流程图N体问题的并行实现算法使用SPMD〔单程序多数据流〕计算模型，每个进程将执行一样的代码。

假设有m个计算资源，每个资源上启动一个进程，表示进程的标号是0、1、2、……m-1，每个进程分配的物体数是n0、n1、n2、……n(m-1)，其中n0 + n1 + n2 + ……+ n(m-1) = n。

每个进程主要有两个数组localparticles、allparticles、sendbuf、recvbuf，其中localparticles用于保存分配给本进程的物体的信息；allparticles用于保存应用程序中所有物体的信息；sendbuf用于保存发送到下一个进程的物体；recv用于保存从前一个进程承受的物体。

并行计算-哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院

063820并行计算32学时/2学分英文译名：Parallel Computing and Distributed Computing适用领域：计算机科学与技术，科学、工程计算开课单位：计算机科学与技术学院教学目的：当今，计算科学已成为与理论科学和实验科学并列的第三门科学，学生有必要了解、初步掌握高性能计算（并行与分布计算）的理论、技术及应用。

预备知识或先修课程要求：算法设计与分析，计算机系统结构，操作系统。

教学主要内容以及对学生的要求：并行计算系统结构介绍，并行计算性能评测，并行算法设计基础及一般设计方法。

分布式系统模型，通信、进程、命名和复制。

内容摘要：高性能计算的应用需求极为广泛，以美国等国家为代表已制订长远发展规划。

本课程将介绍并行计算机结构模型、系统互联技术，当代并行机系统：SMP、MPP和COW。

介绍并行计算性能评测方法与标准，并行算法的基础知识及模型。

并行算法的一般设计方法，包括串行算法的直接并行化，从问题描述开始设计并行算法，借用已有算法求解新问题。

并行算法的基本设计技术，并行算法的一般设计过程及PCAM设计方法学。

分布式系统的目标，分布式计算模型，远程过程调用，远程对象调用，消息通信，代码迁移，软件代理，移动实体的定位，时钟同步，分布式事务，以数据为中心的一致性模型，以客户为中心的一致性模型，分发协议，一致性协议。

基于协作的分布式系统：TIB/Rendezvoas，Jini，及二者的比较，协作模型。

协作系统中心通信、命名、同步、缓存和复制，容错性、安全性等。

考核方式：大作业；平时成绩(出勤情况+研讨情况)占20%。

课程主要教材：[1] 并行计算.陈国良.高等教育出版社，2011[2]分布式系统原理与范型（第2版）. Andrew S. Tanenbaum Maarten Van Steen著，辛春生，陈宗斌等译.清华大学出版社，2008主要参考书目：[1]网络并行计算与分布式编程环境，孙家祖等，科学出版社，1996。

计算理论(哈工大第四章)

P 例1. 对于递归语言A, A T A.
x
求解问题A “xA”？
yes no
yes no
求解问题A“xA”
带神喻的确定图灵机
• 带神喻的确定图灵机(oracle DTM)

神喻就是子程序神喻分为两类

函数神喻：子程序是计算函数集合神喻：子程序是判定集合成员关系的带函数神喻的DTM 带集合神喻的DTM
Chapter Four
多项式时间分层
李建中海量数据计算研究中心计算机科学与技 4.4 4.5 4.6 多项式图灵规约非确定型神喻TM 多项式时间分层 PH中的完全问题交换图灵机 Pspace-完全问题
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
定义7. 1. 对于函数g和f, 如果存在多项式时间神谕DTM使 P 得 g T f, 则称 g 多项式时间图灵归约到 f, 记为 g T f.
P 2. 对于集合B和A, BT A, 则称B多项式时间图灵归 P 约到A, 记为BT A, 也称B相对于A多项式时间可计算.
Oracle DTM 的时间复杂性类 1. PA={L | 神喻为A的多项式时间神谕DTM接受L}; 2. P= A PA.
Oracle TM
with oracle f
Query tape
y
f(y)
Query state
q? ：请求计算f(y) qa ：完成计算f(y)
Remark: We don' t need to know how to compute f(x).
• 带函数神喻DTM的构造

带函数神喻DTM的工作原理
pn
构造接受A的以C为神喻的NC如下：

并行计算概述

▪ 中国联想： 1Tflops,Top43,2002
精选
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系统互连
▪ 不同带宽与距离的互连技术: 总线、SAN、LAN、MAN、WAN
100 Gb/s
MIN 或交叉开关
10 Gb/s
局部总线 SCI
HiPPI
网络带宽
1 Gb/s
Myrinet 千兆位以太网
100
I/O 总线
精选
2020/10/3
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并行计算——结构•算法•编程
▪ 第三篇并行数值算法
▪ 第八章基本通信操作 ▪ 第九章稠密矩阵运算 ▪ 第十章线性方程组的求解 ▪ 第十一章快速傅里叶变换
▪ 第四篇并行程序设计
▪ 第十二章并行程序设计基础 ▪ 第十三章并行程序设计模型和共享存储系统编程 ▪ 第十四章分布存储系统并行编程 ▪ 第十五章并行程序设计环境与工具
▪ 1.3 并行计算机系统结构
▪ 1.3.1 并行计算机结构模型 ▪ 1.3.2 并行计算机访存模型
精选
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并行计算
▪ 并行计算：并行机上所作的计算，又称高性能计算或超级计算。
▪ 三大学科：计算科学，理论科学和实验科学所有的学科都转向定量化和精确化。计算科学是一个交叉学科，用计算的方法来解决应用问题。适用于理论模型复杂或尚未建立，实验费用昂贵或无法进行
并行计算
——结构•算法•编程
精选
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并行计算——结构•算法•编程
▪ 第一篇并行计算的基础
▪ 第一章并行计算机系统及其结构模型 ▪ 第二章当代并行机系统：SMP、MPP和Cluster ▪ 第三章并行计算性能评测