一种基于多核环境的混合并行编程模型研究

摘要
 
计算机经历了机械和电子两个主要发展阶段。1954年前，计算机是有机械或者机电部件构成的。最早的机械计算可追溯到公元500年中国所用的算盘。这种算盘用手工操作完成逐步进位的十进制运算。
显然，用转动机件来说实现计算和通信将大大地影响机械计算机的计算速度和可靠性，现代计算机的明显标志就是采用电子元件。这样，机械计算机的传动部件已被电子计算机的具有高流动性的电子所取代，机械此轮或杠杆传递信息也被传播速度几乎为光速的电信号所取代。
高性能计算HPC(High Performance Computing)科学是提高计算机系统处理能力和计算速度的一种有效手段。当前，并行计算已成为解决重大问题的关键，在国内外受到高度的重视，它在分子材料研究、地质勘探领域、图像处理领域、气象气候领域、基因工程领域、军事技术领域等科学技术应用已取得了巨大的成就。高性能计算作为第三大科学方法和第一生产力的地位与作用被广泛认识。
搭建了以多核PC机为节点的机群系统，在此系统中建立了MPI+OpenMP这种混合编程模型的运行环境配置。并在单节点多核PC机上进行了串行程序、MPI程序和OpenMP程序的运行时间、加速比和效率进行对比分析。重点在机群上的每个节点执行MPI程序和MPI+OpenMP的混合编程模型下的程序进行分析测试程序的运行时间、加速比和效率的结果进行分析。在多节点上MPI+OpenMP的细粒度混合编程模式下的程序要比MPI在多节点上的并行程序更适合多核PC机群系统，更能充分的发挥节点多PC机的硬件资源。最后，根据分析结果总结了本论文的工作和进一步的研究方向。
关键词：高性能计算、多核机群、MPI+OpenMP混合编程
目录
中文摘要... 4
第一章  绪论... 5
1.1 研究背景... 5
1.2 国内外研究现状... 6
1.3 本论文的目的和意义... 8
第二章  并行程序设计基础... 10
2.1 并行体系结构... 10
2.1.1 共享存储的体系结构... 10
2.1.2分布式存储结构... 13
2.1.3分布式共享存储结构... 14
2.2 并行编程设计模型... 15
2.2.1 数据并行模型... 15
2.2.2消息传递模型... 16
2.2.3共享变量模型... 16
第三章  MPI和OpenMP编程环境配置... 18
3.1  MPI消息传递编程模型... 18
3.1.1  MPI的语言支持... 18
3.1.2  MPI的函数... 20
3.1.3  MPI并行程序设计模式... 22
3.2  OpenMp编程模型... 23
3.2.1  OpenMP并行编程模型... 24
3.2.2  OpenMP程序开发的形式... 26
第四章  MPI+OpenMP的混合编程模型... 28
4.1  混合编程模型的优势... 28
4.2  MPI+OpenMP混合编程的实现... 29
4.3  混合编程的优化... 34
4.3.1  进程通信... 35
4.3.2  线程并行... 36
4.3.3  数据共享... 37
4.3.4  通过乱系执行提高并行能力... 37
4.3.5  Cache的利用率... 38
第五章  混合编程模型的实例测试... 42
5.1  多核机群硬件环境搭建... 42
5.2  软件环境配置... 43
5.2.1  MPICH安装配置... 43
5.2.2  OpenMP配置... 43
5.2.3  MPICH与OpenMP在VS 2008中的配置... 44
5.3  单节点上串行测试... 45
5.3.1  矩阵运算算法描述... 45
5.3.2  基于MPI的矩阵运算... 46
5.3.3  基于OpenMP的矩阵乘法... 49
5.3.4  测试结果分析... 50
5.4  机群上测试... 52
5.4.1  FFT算法... 53
5.4.2  混合编程测试... 55
5.4.3  测试分析... 57
5.5  小结... 59
第六章  总结和展望... 61
参考文献... 63
致谢... 66