并行計(jì)算

前言

　　高性能計(jì)算機(jī)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的綜合體現(xiàn)，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全的重要工具，已成為世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定戰(zhàn)略計(jì)劃，提出很高目標(biāo)，投入大量資金，加速研究開發(fā)步伐。多年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，以多CPU為基礎(chǔ)的高性能并行計(jì)算機(jī)得到了迅速的發(fā)展，其高端系統(tǒng)正向百萬(wàn)億次、千萬(wàn)億次邁進(jìn)。我國(guó)近十年來(lái)，對(duì)高性能并行計(jì)算的研究開發(fā)也給予了很大重視，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和可貴經(jīng)驗(yàn)，研制出了具有相當(dāng)水平的并行機(jī)系統(tǒng)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距仍然甚大，在高性能并行計(jì)算的應(yīng)用開發(fā)與相關(guān)的人才培養(yǎng)教育方面尤顯不足。如何使高性能并行機(jī)系統(tǒng)深入充分地在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科研和社會(huì)應(yīng)用的發(fā)展中發(fā)揮作用，實(shí)為當(dāng)務(wù)之急，引起人們的普遍關(guān)心。由中國(guó)科技大學(xué)陳國(guó)良教授主編的這套叢書，正適應(yīng)了我國(guó)高性能并行計(jì)算研究、開發(fā)、應(yīng)用、教育之需。本叢書由《并行算法的設(shè)計(jì)與分析》、《并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》和《并行算法實(shí)踐》三大部分組成，而以《并行計(jì)算——結(jié)構(gòu)?算法?編程》為全叢書之提要。該叢書以并行計(jì)算為主題，對(duì)并行計(jì)算的硬件平臺(tái)（當(dāng)代主流并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）、并行計(jì)算的理論基礎(chǔ)（并行算法的設(shè)計(jì)與分析）和并行計(jì)算的軟件支撐（并行程序設(shè)計(jì)）全面系統(tǒng)地展開了討論，內(nèi)容豐富，取材新近，具有相當(dāng)?shù)纳疃群蛷V度，涵蓋了并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和并行算法的理論、設(shè)計(jì)和實(shí)踐的各個(gè)方面，是國(guó)內(nèi)外不多見的優(yōu)秀著作。陳國(guó)良教授是國(guó)家高性能計(jì)算中心（合肥）主任，長(zhǎng)期從事并行算法和并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究，本套叢書是作者幾十年從事教學(xué)與科研工作的結(jié)晶，是目前國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域內(nèi)容涵蓋最為全面的系列著作。它的出版必將對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)并行計(jì)算學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用推廣產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

內(nèi)容概要

本書是教育部“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃”的研究成果，是面向21世紀(jì)課程教材和教育部理科計(jì)算機(jī)應(yīng)用“九五”規(guī)劃教材?！　”緯圆⑿杏?jì)算為主題，主要討論并行計(jì)算的硬件基礎(chǔ)——當(dāng)代并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)模型，并行計(jì)算的核心內(nèi)容——并行算法設(shè)計(jì)與并行數(shù)值算法以及并行計(jì)算的軟件支持——并行程序的設(shè)計(jì)原理與方法。本書強(qiáng)調(diào)融并行機(jī)結(jié)構(gòu)、并行算法和并行編程為一體，著重討論并行算法的設(shè)計(jì)方法和并行數(shù)值計(jì)算算法，力圖反映本學(xué)科的最新成就和發(fā)展趨勢(shì)。?　　　　全書共十五章，分為四篇：第一篇包括并行計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)代對(duì)稱多處理機(jī)、大規(guī)模并行處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)和并行計(jì)算的性能評(píng)測(cè)；第二篇包括并行算法的一般設(shè)計(jì)策略、基本設(shè)計(jì)技術(shù)和一般設(shè)計(jì)過(guò)程；第三篇包括矩陣運(yùn)算、稠密與稀疏線性方程組的求解和快速傅里葉變換；第四篇包括并行程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、共享存儲(chǔ)與分布存儲(chǔ)系統(tǒng) 并行編程以及并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境與工具。?　    從并行計(jì)算的角度，本書體系完整，內(nèi)容豐富，取材新穎，可作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專 業(yè)的本科高年級(jí)學(xué)生和研究生的教學(xué)用書，也可供計(jì)算科學(xué)與工程Computational Science and Engineering)學(xué)科的研究生和科技人員閱讀參考。?

書籍目錄

第一篇 并行計(jì)算硬件基礎(chǔ)　第一章 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)模型　　1.1 并行計(jì)算　　　1.1.1 并行計(jì)算與計(jì)算科學(xué)　　　1.1.2 當(dāng)代科學(xué)與工程問(wèn)題的計(jì)算需求　　1.2 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連　　　1.2.1 系統(tǒng)互連　　　1.2.2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)　　　1.2.3 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)　　　1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)互連網(wǎng)絡(luò)　　1.3 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　　　1.3.1 并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型　　　1.3.2 并行計(jì)算機(jī)訪存模型　　　1.3.3 并行計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組織　　1.4 小結(jié)和導(dǎo)讀　　習(xí)題　第二章 當(dāng)代并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)介紹　　2.1 共享存儲(chǔ)多處理機(jī)系統(tǒng)　　　2.1.1 對(duì)稱多處理機(jī)SMP結(jié)構(gòu)特性　　　2.1.2 CC-NUMAOrigin2000超級(jí)服務(wù)器　　2.2 分布存儲(chǔ)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)　　　2.2.1 大規(guī)模并行處理機(jī)MPP結(jié)構(gòu)特性　　　2.2.2 ASCIOptionRedMPP系統(tǒng)　　2.3 機(jī)群系統(tǒng)　　　2.3.1 大規(guī)模并行處理系統(tǒng)MPP機(jī)群SP2　　　2.3.2 工作站機(jī)群COW　　　2.3.3 Berkeley的NOW計(jì)劃　　2.4 小結(jié)和導(dǎo)讀　　習(xí)題　第三章 并行計(jì)算性能評(píng)測(cè)　　3.1 并行計(jì)算機(jī)的一些基本性能指標(biāo)　　　3.1.1 CPU和存儲(chǔ)器的某些基本性能指標(biāo)　　　3.1.2 通信開銷　　　3.1.3 機(jī)器的成本、價(jià)格與性能/價(jià)格比　　3.2 加速比性能定律　　　3.2.1 Amdahl定律　　　3.2.2 Gustafson定律　　　3.2.3 Sun和Ni定律　　　3.2.4 有關(guān)加速的討論  　3.3 可擴(kuò)放性評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)　　　3.3.1 并行計(jì)算的可擴(kuò)放性　　　3.3.2 等效率度量標(biāo)準(zhǔn)　　　3.3.3 等速度度量標(biāo)準(zhǔn)　　　3.3.4 平均延遲度量標(biāo)準(zhǔn)　　　3.3.5 有關(guān)可擴(kuò)放性標(biāo)準(zhǔn)的討論　　3.4 基準(zhǔn)測(cè)試程序　　　3.4.1 基本的測(cè)試程序　　　3.4.2 數(shù)學(xué)庫(kù)測(cè)試程序　　　3.4.3 并行測(cè)試程序    小結(jié)和導(dǎo)讀　　習(xí)題第二篇 并行算法的設(shè)計(jì)　第四章 并行算法的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)　第五章 并行算法的一般設(shè)計(jì)策略　第六章 并行算法的基本設(shè)計(jì)技術(shù)　第七章 并行算法的一般設(shè)計(jì)過(guò)程　第八章 基本通信操作　第九章 稠密矩陣運(yùn)算　第十章 線性方程組的求解　第十一章 快速傅里葉變換　第十二章 并行程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)　第十三章 共享存儲(chǔ)系統(tǒng)并行編程　第十四章 分布存儲(chǔ)系統(tǒng)并行編程　第十五章 并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境與工具算法索引表格索引示范程序索引參考文獻(xiàn)并行與分布計(jì)算Web網(wǎng)址專業(yè)術(shù)語(yǔ)中英對(duì)照及索引

章節(jié)摘錄

　　執(zhí)行模式眾所周知，操作系統(tǒng)通常包含核（Kernel）、殼（Shell）和一組實(shí)用程序（Utilities）。其中，核直接管理系統(tǒng)資源，處理例外和控制進(jìn)程；殼稱之為命令解釋器，是用戶和OS的界面；實(shí)用程序是附加的OS軟件，提供經(jīng)常使用的諸如編譯器、編輯器和調(diào)試器等功能。一臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)提供兩種執(zhí)行模式：核模式和用戶模式。OS中核執(zhí)行在核模式（Kernel Mode），核進(jìn)程在核模式下執(zhí)行，這些進(jìn)程由核生成以幫助管理系統(tǒng)資源；OS中的其它程序作為進(jìn)程執(zhí)行在用戶模式（User Mode），這樣的進(jìn)程稱為用戶進(jìn)程。進(jìn)程的執(zhí)行模式可以在核與用戶模式之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。機(jī)器開始在核模式，初始化系統(tǒng)和生成一些核進(jìn)程后，核最終將控制傳給殼（它是用戶進(jìn)程），它能生成一些附加的用戶進(jìn)程。用戶進(jìn)程執(zhí)行中也可將執(zhí)行模式切換到核模式，核完成了所請(qǐng)求的服務(wù)后，又能將執(zhí)行模式返回到用戶模式?；顒?dòng)現(xiàn)場(chǎng)　一個(gè)進(jìn)程的活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，或稱前后關(guān)系（Context）是程序狀態(tài)的一部分，系保留在處理器的寄存器中?，F(xiàn)場(chǎng)切換（Context Switch）就是保留現(xiàn)行進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)，加載新的進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)的活動(dòng)過(guò)程。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行模式變化時(shí)就需要施行現(xiàn)場(chǎng)切換。在切換前，用戶進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)必須被保存在主存中，當(dāng)中斷處理完畢后，核就恢復(fù)用戶進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)，并將控制返回給用戶進(jìn)程而繼續(xù)執(zhí)行之。進(jìn)程描述符進(jìn)程的附加信息以某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在核空間中，其最重要者是進(jìn)程描述符（Process Descriptor），它包含了核管理進(jìn)程的如下信息：①進(jìn)程憑證：如進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、父進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、用戶標(biāo)識(shí)符和組標(biāo)識(shí)符等；②進(jìn)程狀態(tài)：如就緒、運(yùn)行和中止等；③進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)：保持執(zhí)行模式切換時(shí)的進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)；④存儲(chǔ)映射：如各存儲(chǔ)段的大小與訪問(wèn)權(quán)限、段指針與頁(yè)表等；⑤各進(jìn)程信息：如打開文件、接收信號(hào)等；⑥全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：由核管理的所有進(jìn)程的隊(duì)列指針和表；⑦進(jìn)程的控制與管理信息。

編輯推薦

　　《并行計(jì)算：結(jié)構(gòu)算法編程（修訂版）》的《并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》、《并行算法的設(shè)計(jì)與分析（修訂版）》和《并行算法實(shí)踐》構(gòu)成了并行計(jì)算三部曲，而《并行計(jì)算——結(jié)構(gòu)·算法·編程（修訂版）》為三部曲之序曲。《并行計(jì)算——結(jié)構(gòu)·算法·編程（修訂版）》以并行計(jì)算為主題，主要討論了并行計(jì)算的硬件平臺(tái)（并行計(jì)算機(jī)）、并行計(jì)算的理論基礎(chǔ)（并行算法）和并行計(jì)算的軟件支撐（并行程序設(shè)計(jì)），強(qiáng)調(diào)融并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、并行算法設(shè)計(jì)和并行編程為一體，書中內(nèi)容具有相當(dāng)?shù)膹V度?！恫⑿袡C(jī)體系結(jié)構(gòu)》以當(dāng)代可擴(kuò)放并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主題，著重討論對(duì)稱多處理機(jī)、規(guī)模并行處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)和分布共享存儲(chǔ)多處理機(jī)系統(tǒng)的組成原理、結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計(jì)方法、性能分析以及相應(yīng)系統(tǒng)實(shí)，書中內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了軟件與硬件相結(jié)合?！恫⑿兴惴ǖ脑O(shè)計(jì)與分析（修訂版）》以并行計(jì)算模型為主線，系統(tǒng)深入地討論了計(jì)算機(jī)科學(xué)中諸多常用的數(shù)值和非值計(jì)算機(jī)問(wèn)題的并行算法設(shè)計(jì)和分析方法，同時(shí)也力圖反映本學(xué)科的最新成就和發(fā)展趁勢(shì)，書中內(nèi)容具有相當(dāng)?shù)纳疃取！恫⑿兴惴▽?shí)踐》以并行算法編程實(shí)現(xiàn)為主題，詳細(xì)介紹了并行程序設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容，以及典型的非數(shù)值并行算法和數(shù)值并行算法的MPI編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程，書中內(nèi)容體現(xiàn)了算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相結(jié)合。

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