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哈工大并行计算第一章PPT课件

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计算理论(哈工大 第一章 )

计算理论(哈工大 第一章 )
Chapter One
计算模型
李建中 海量数据计算研究中心 计算机科学与技术学院
Outline
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 符号行与编码 确定图灵机 多带图灵机 不确定图灵机 图灵机的变形 通用的图灵机
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
符号行与编码 确定图灵机 多带图灵机 不确定图灵机 图灵机的变形 通用的图灵机
n n 0
• Kleen闭包




语言和语言类

语言: L*, 的符号行组成的集合. * 语言类: {L | L }, 由语言组成的集族.
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
符号行与编码 确定图灵机 多带图灵机 不确定图灵机 图灵机的变形 通用的图灵机
参考书：计算复杂性导论
字母表

字母表是一个满足下列条件的优先符号集合:
两个由中符号组成的符号序列等同当且仅当其符号 个数相等且对应符号相同。
例. {0, 1}、{00, 01}、{1, 11}哪个可以做字母表？哪个不可以？

字母表{0,1}
经常只考虑{0,1}上的符号行—二元符号行 其他符号行都能通过编码转换为二元符号行


符号行

字母表的有限个符号的序列称为上的符号行 符号行x的长度|x|=x中的符号个数, 空行的长度为0.
符号行的运算与语言
• 连接运算

符号行x和y的链接：xy=xy 连接运算满足结合律：x(yz)=(xy)z 语言A和B的连接AB={xy|xA，yB} A0={}，An=AAn-1 Kleen闭包A*= A 字母表的Kleen闭包*是上全部符号行的集合

并行计算PPT课件

并行计算PPT课件

C
Shell P
C
Shell P
互连网络
互连网络
(a)无共享
互连网络 共享磁盘
共享存储器 共享磁盘
(c)共享存储
(b)共享磁盘
2020/9/16
5
五种结构特性一览表
属性 结构类型 处理器类型 互连网络 通信机制 地址空间 系统存储器 访存模型 代表机器
2020/9/16
PVP MIMD 专用定制
SMP MIMD 商用
HP/Convex Exemplar)
分 布 存 储 器 NCC-NUMA (Cray T3E)
MIMD
DSM
NORMA
Cluster
(IBM SP2,DEC TruCluster Tandem Hymalaya,HP,
Microsoft Wolfpack,etc)
（ 松散耦合）
(TreadMarks, Wind Tunnel, IVY,Shrimp,
etc.)
多计算机 (多 地 址 空 间 非 共 享 存 储 器 )
MPP (Intel TFLOPS)
（ 紧耦合）
2020/9/16
7
SMP\MPP\机群比较
系统特征 节点数量(N) 节点复杂度 节点间通信
节点操作系统
支持单一系统映像 地址空间 作业调度 网络协议 可用性 性能/价格比 互连网络
S
MP
(Intel SHV,SunFire,DEC 8400, SGI PowerChallenge,IBMR60,etc.)
多处理机 （ 单地址空间
共享存储器 ）
NUMA
COMA (KSR-1,DDM)
CC-NUMA
(Stanford Dash, SGI Origin 2000,Sequent NUMA-Q,

哈工大—并行处理—第一章绪论

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）

哈工大版理论力学课件第一章静力学PPT精品课件

哈工大版理论力学课件第一章静力学PPT精品课件
4、受力图上不能再带约束。
即受力图一定要画在分离体上。
2021/3/1
32
5、受力图上只画外力，不画内力。 一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有 可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分 内力，就成为新研究对象的外力。
6 、同一系统的受力图必须整体与局部保持一致(包括符号) 相互协调，不能相互矛盾。 对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局 部或单个物体的受力图上要与之保持一致。
F RF 1F 2
2021/3/1
9
推论2：三力平衡汇交定理 刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一点，则 另一力的作用线必汇交于同一点，且三力的作用线共面。 （必共面，在特殊情况下，力在无穷远处汇交——平行力系）
证明：∵ F1,F2,F3为平衡力系，
∴ R ,F1 也为平衡力系。
F1
2、不要多画力
要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对 于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出 它是哪一个施力体施加的。
2021/3/1
31
3、不要画错力的方向 约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不 能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析 两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力 的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反， 不要把箭头方向画错。
F A， xF A， yF Az
22
③ 固定端约束
限制所有自由度（所有的位移）。
2021/3/1
23
④球铰链 通过圆球和球壳将两个构件连接在一起的约束。
特点：球心不能有任何位移，但构件可绕球心任意转动。其约束
反力应是通过接触点与球心，但方向不能预先确定的一个空间法
向约20束21/力3/1 ，可用三个正交分力表示。

并行计算机体系结构PPT课件

并行计算机体系结构PPT课件
虚拟存储器的TLB用高速芯片组成
17
二、Amdahl定律
*基本思想：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取 决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例
S T0
p
Te
1
(1
fe
)
fe re
*举例：某功能处理时间占系统时间的40%，将其处理速度加
快10倍后，整个系统性能提高多少？ Sp
10
解—已知fe=0.4，re=10，利
23
*特点：吞吐率与I/O软硬件组织方式及OS有很大关系； 能够反映软硬件系统对多任务的响应能力
*提高吞吐率方法： 流水化--使多个作业流水处理； 并行处理--给每个PE分配多个作业，各PE相互协调
3、利用率 *定义：利用率＝持续性能÷峰值性能 *特点：不直接表示系统性能，与前两种指标有密切关系； 对系统性能优化及结构改进起着至关重要的作用！
A系统 B系统
得到性能可扩放性曲线 1
n
影响因素—结构、处理器数、问题规模、存储系统等
25
二、性能评价与比较
1、评价技术
(1)分析技术 *思路：在一定假设条件下，计算机系统参数与性能指标间
存在着某种函数关系，按其工作负载的驱动条件列出方程，用 数学方法求解后评价
*发展：从脱离实际的假设发展到近似求解 近似求解算法—聚合法、均值分析法、扩散法等
2
二、参考教材
1、并行计算机体系结构，陈国良等著，高等教育出版社， ISBN 7-04—11558-1，2002.9
2、并行计算机体系结构，David E.Culler等著，李晓明等译， 机械工业出版社，ISBN 7-111-07888-8，2002.10
3、可扩展并行计算—技术、结构与编程，黄铠、徐志伟著，陆 鑫达等译，机械工业出版社，2000.5

并行计算大学课件1

并行计算大学课件1

并行向量处理机PVP 并行向量处理机 对称多处理机SMP 对称多处理机 大规模并行处理机MPP 大规模并行处理机
共享存储 多处理机系统
消息传递多
分布式共享存储多处理机DSM 分布式共享存储多处理机
分布式共享 存储器系统
计算机系统
工作站机群COW 工作站机群
共享存储的多处理机（系统）MP与 共享存储的多处理机（系统）MP与 分布存储的多计算机（系统）MC的比较 分布存储的多计算机（系统）MC的比较
性能 存储器编址 处理机间的数据 传送 数据传递的同步 编程 可扩展性 多处理机(MP) 多处理机 单地址 共享变量 紧（同步） 同步） 容易 差 多计算机(MC) 多计算机 多地址 消息传递 松（同步）或异步 同步） 复杂 好
一、并行计算机
1. Flynn分类法 分类法 2. 并行计算机类型 3. MPMD和SPMD并行程序结构 MPMD和SPMD并行程序结构
3) 大规模并行处理机
(Massively Parallel Processors MPP)
采用松耦合体系结构连接各种不同的处理器 即各处理器以使用自己的局部内存为主， 即各处理器以使用自己的局部内存为主，处理 器之间进行同步通信实现数据交换
大规模并行处理机结构模型
LM1 P/C1
LM2 P/C2
1.
Flynn分类法 Flynn分类法
Flynn(1966年)分类法是根据系统的指令流 年 分类法是根据系统的指令流 分类法是根据系统的指令流(instruction streams) 和数据流 (data streams) 对计算机系统进行 分类的一种方法。 分类的一种方法。 计算机在单个时间点上能够处理的指令流的数量 计算机在单个时间点上能够处理的数据流的数量 多指令流单数据流 MISD

哈工大威海计算机学院 计算机组成原理课件第一章绪论

哈工大威海计算机学院 计算机组成原理课件第一章绪论

“高性能计算机(High Performance Computer)”。
2013-12-7
1.3 计算机的组成结构
2.硬件 指构成计算机的物理实体。 例如处理器、存储器、输入输出控制器等芯 片及其集成这些芯片的印刷线路板——主板 (Mainboard)。其中，主板上的存储器是可以被 处理器直接访问的，被称为“主存储器（Main
Memory，简称主存）”。
2013-12-7
1.3 计算机的组成结构
2.硬件 其它硬件还包括安装在一个机箱内部的机 架上的软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器及 联系它们的线缆。 这个机箱及其中的硬件被统称为主机。 主机之外的硬件设备主要是各种输入/输出 设备(Input/Output Devices) 。
User Interface)的发展，被誉为计算机图形学之父,
荣获1988年度的“图灵奖”。
2013-12-7
现代电子计算机的发展
第四代计算机（1970- ）大规模集成电路时代 • 现代计算机技术基本成熟，并行计算机得到广 泛的重视。 • 基于向量并行处理技术的Cray-1是人类首次获 得每秒1亿次的运算速度。 • 微处理器和微型计算机问世。
2013-12-7
第1章 绪论
1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯· 诺依曼计算机模型
1. 3 计算机的组成结构
1. 4 1. 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 9
2013-12-7
计算机系统的分类 计算机的性能评价 微处理器与微型计算机 中国计算机事业的发展历程 计算机的特点及应用 计算机的发展
1888年——赫尔曼· 霍勒斯制表机 1904年——真空电子二极管 1906年——真空电子三极管 1938年——Z系列计算机 1943年——“巨人”计算机 1944年——MARK-I

第1章 并行计算简介PPT课件

第1章 并行计算简介PPT课件
第一章.并行计算介绍
课程性质
• 是高性能计算学科专业基础课——常识知识
公共基础课、专业基础课、专业方向课、专业选修课
• 在教学计划中的地位：核心、承上启下
前导课：高等数学、离散数学、程序设计语言、数据结构、 操作系统、计算机硬件 后续课：高性能算法设计……
• 属于武术中的“练功”科目
“练武不练功，到头一场空”
(Second Edition, 2003)
成绩组成
• 理论课成绩
– 平时成绩
10％~20%：出勤＋作业＋实验
– 期中考试成绩
40％~50%
– 期末考试成绩
40％~50%
• 实验课成绩：出勤＋实验＋期末
成绩：百分制
有关通过网络交作业和实验的要求
将作业或实验相关文件压缩打包上传，具体要求如下： • 压缩包文件命名格式：
大纲
• PART 1：基本概念 简介 并行编程平台 并行算法设计的原则 并行程序的解析模型
• PART 2：并行编程 基于共享地址空间平台的编程 基于消息传递平台的编程
大纲
• PART 3：并行算法和应用 稠密矩阵算法 排序 图算法 离散优化问题 动态规划 快速傅里叶变换
• 提高处理器性能的两大途径
– 增加处理器主频 – 增加每个时钟周期内的指令执行数
• 单核处理器提升性能的主要途径是提升主频
– 事实：功耗正比于主频的三次方
•处理器功耗正比于 电流 x 电压 x 电压 x 主频
– 提升主频将导致功耗快速增长
•主频正比于 电压
• 多核处理器的功耗随核心数线性增长
– 每个时钟周期内的指令执行数正比于核心数
发动机燃烧模拟和机翼设计模拟
短期天气预报 长期天气预报 局部突发性灾难预报（如洪水、海啸）

《并行计算概述》PPT课件

《并行计算概述》PPT课件

Model
Project
Clip
Rasterize
2019/5/16
48
Processing One Data Set (Step 4)
Model
Project
Clip
Rasterize
The pipeline processes 1 data set in 4 steps
2019/5/16
49
Processing Two Data Sets (Step 1)
2019/5/16
23
并行化方法
域分解（Domain decomposition） 任务分解（Task decomposition） 流水线（Pipelining）
2019/5/16
24
域分解
First, decide how data elements should be divided among processors
2019/5/16
并行计算
3
并行的层次
程序级并行
粗
子程序级并行
并 行
语句级并行
粒 度
操作级并行
微操作级并行
细
2019/5/16
4
FLOPS
Floating point number Operations Per Second --每个时钟周期执行浮点运算的次数
理论峰值＝CPU主频＊每时钟周期执行浮点运 算数＊CPU数目
并行计算 Parallel Computing
基本概念
如何满足不断增长的计算力需求？
用速度更快的硬件，也就是减少每一条指令所 需时间
优化算法（或者优化编译） 用多个处理机(器)同时解决一个问题
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26
脉动阵列的特点：
处理单元简单 流水 算法专业
27
例：数据流计算机 数据流的计算模型--试图使并行计算的
基本方面在机器层显式化，而不利用有 可能限制程序并行性的人为约束。
它的想法是程序由一个基本数据依赖图来表 示；
一个指令可能在获得了它的操作数后的任意 时刻被执行，不是显式控制线性程序列的固 定组合。
22
2.Flynn分类法 MkhealFlynn(1972)根据指令和数据流概 念提出了不同计算机系统结构的分类法。
23
24
传统的顺序机被称为SISD(单指令流 单数据流)计算机。
向量计算机--标量和向量硬件装备， 或以SIMD(单指令流多数据流)机的形 式出现。
并行计算机则属MIMD(多指令流多数 据流)机
并行处理与体系结构
联系方式：综合楼220 电话：
1
课程背景
并行处理技术已经成为现代计 算机科研与发展的关键技术；
其推动力来自实际应用对高性 能、低价格和持续生产力日益 增长的要求
2
计算机原理的概念 计算机体系结构的概念 (Amdahl)；
3
并行主要研究：
先行方式、流水方式、向量化； 并发性、同时性； 数据并行性、划分； 交叉、重叠、多重性、重复； 时间共享、空间共享； 多任务处理、多道程序、多线程
存在一些有效的方法：
将编译器命令插入源代码，帮编译器做出较好的结果。 这样，用户可与编译器进行交互重构程序，这已被证 明对提高并行计算机性能是十分有用的。
16
7.并行程序的设计环境
隐式并行性
伊利诺依大学的David Kuck和Rice大学 的KenKennedy以及他们的合作者都已采 用这种隐式并行性方法。
科学技术中的数值计算问题
人工智能(AI)问题 事务处理
9
2.算法和数据结构
并行计算问题中的运算和通信，需要 各种专门的算法和数据结构。
符号处理 科学计算 存在的问题 ：
10
3.硬件资源
处理机、存储器和外围设备组成了计 算机系统的硬件核心
外围设备可以直接或通过局域网和广 域网与主机相连
开发并行编程环境：
一种与系统结构无关的语言、编译器 和软件工具。
13
两个方向： 对于开发并行语言，
将着眼点放在语言执行的效率、对不同机 器的可移植性、与现有的顺序语言的兼容 性、并行性的表达和编程的简便性等上面。 可以设计一种新的语言，
逐步扩展现有的顺序语言。
新语言有用显式高级结构描述并行性的优 点，但是新语言往往与现有语言不兼容， 而需要新的编译器或者通过新的步骤才能 利用现有的编译器。大部分系统选用的是 语言扩展方式。
25
MISD(多指令流单数据流)机
在执行不同的指令流时，同一数据流通 过处理机线性阵列。这种系统结构也就 是所谓流水线执行特定算法的脉动阵列 (Systolicarrays)。
由卡内基—梅隆大学的美籍华人学者 H．T．Kung于1978年提出的。
这一结构是随着VLSI技术的发展和各 种大运算量的信号/图象处理及科学 计算的运算要求而建立起来的。
19
三、计算机系统结构向高性能 发展历程
主要探讨顺序到并行的过程
20
21
1.先行、并行性和流水线技术 用先行技术预取指令可使I／E(指令
读取／译码和执行)
支持功能并行性的方法有两种： 一种是同时使用多个功能部件； 另一种是在不同处理级分别实施流水线
技术。
流水线指令执行、流水线算术计算和存储 器存取操作。
多计算机系统的每个计算机结点有一个与 其它结点不共享的本地存储器。处理机之 间的通信通过结点间的消息传递来实现。
30
显式向量计算机
指令是随向量处理机的问世而出现的。 一台向量处理机可以装备有用硬件或固 件并发控制的多条向量流水线。
31
4.开发层次
Lionel Ni的最新分类法(1990)， 并行计算机的分层开发可表示于下图
显式并行性
加州理工学院的CharlesSeitz和麻省理 工学院的WilliamDaily在开发多计算机 时采用了这种显式方法。
17
18
总结： 要使一个环境对用户更加友好，必须
要有专用软件工具。
一些工具是传统高级语言的并行扩展； 一些则是集成环境
其中包括提供不同级别的程序抽象、验证、 测试、查错和调试等各种工具；性能预测和 监控；辅助程序开发的可视化支持、性能测 量以及计算结果的图形显示及动画表示
11
4.操作系统
管理用户程序执行过程中的资源分配 和再分配。
映射是一种算法结构与硬件结构相匹 配的双向过程。
并行操作系统的映射
算法和数据结构到机器结构的映射包括处 理机调度、存储器映象、处理器间的通信 等。
这些问题通常都与系统结构有关。
12
5.系统软件支持
存在的问题：不能以通用和可章 并行计算机模型
1 计算技术的现状 2 多处理机和多计算机 3 多向量机和SIMD计算机 4 并行计算机的抽象模型 5 可扩展的范围和设计
5
1 计算技术的现状
一、并行技术的出现
6
7
二、现代并行计算机的组成
8
涉及6个问题： 1.计算问题
现实生活中对问题要求快速而精确地 求解推动了计算机的广泛使用。
28
29
3.并行／向量计算机
真正的并行计算机是那些以MIMD模式执行程序 的计算机。
并行计算机有两大类，即共享存储型多处理机 和消息传递型多计算机。
多处理机和多计算机之间的主要差别就在 于存储器共享和处理机间通信机制的不同。
多处理机系统中的处理机通过公用存储器 的共享变量实现互相通信。
32
33
四、性能的系统属性
14
6.编译器支持
改进编译器有三种途径：
预处理程序; 预编译器; 并行化编译器。
15
预处理程序采用顺序编译器和目标计算机的低 层程序库实现高级并行结构。预编译器需要程 序流分析、相关性检查和有限的优化来检测并 行性。
联接过程的效果取决于预处理程序、预编译器、 并行化编译器、加载程序和操作系统支持的功 效。由于程序行为的不可预测，现有的编译器 在检测所有类型的并行性时都不是完全自动或 完全智能进行的。