并行设计
并行算法设计
并行算法设计一、引言并行算法是指在多核处理器或分布式系统上同时执行多个子任务，以提高计算效率和处理速度的一种计算模式。
随着计算机硬件技术的不断发展，越来越多的问题需要借助并行算法来解决。
本文将介绍并行算法的设计原则和常见的设计模式，以及在实际应用中的一些注意事项。
二、并行算法设计原则1. 任务划分原则：并行算法的基础是将原本串行执行的任务划分成多个独立的子任务，并通过适当的调度算法分配给不同的处理器进行并行执行。
任务划分应尽量保持任务的独立性，避免数据依赖关系过多，以提高并行度和性能。
2. 数据分布原则：在设计并行算法时，应根据不同任务的计算量和数据量合理规划数据分布方式。
对于计算密集型任务，可以将数据均匀划分给多个处理器；对于数据密集型任务，可以采用数据分布策略来平衡负载和减少数据通信的开销。
3. 通信和同步原则：并行算法中，处理器间的通信和同步操作是必不可少的。
在设计并行算法时，应考虑如何减少通信和同步的开销，以提高整体的算法性能。
可以通过减少数据传输量、合理设置同步点等方式来优化并行算法的通信和同步操作。
4. 任务调度原则：任务调度是指将多个子任务合理地分配给不同的处理器进行执行的过程。
合理的任务调度策略可以提高并行算法的负载均衡性和吞吐量，并减少处理器间的竞争情况。
在设计并行算法时，应考虑任务划分和任务调度的关系，选择合适的调度策略来优化算法性能。
三、并行算法设计模式1. 分治法：分治法是指将一个大问题分解成多个相互独立的小问题，并通过递归的方式将小问题的解合并成大问题的解。
在设计并行算法时，可以将原问题划分成多个子问题，分配给不同的处理器并行解决，最后将子问题的解合并得到最终结果。
2. 数据并行：数据并行是指将数据划分成多个子集，分配给不同的处理器并行处理。
对于同一类操作，各处理器可以独立计算自己所负责的数据子集，最后将各处理器计算得到的结果合并得到最终结果。
3. 流水线：流水线是指将一个任务划分成多个子任务，并通过不同的处理器按照一定的顺序依次执行。
请简述并行程序设计的foster方法的基本步骤。
请简述并行程序设计的foster方法的基本步骤。
摘要：一、引言二、Foster方法的基本步骤1.划分2.通信3.聚集4.映射三、划分1.域分解2.功能分解四、通信1.数据通信2.消息传递五、聚集1.数据聚集2.结果汇总六、映射1.计算资源分配2.并行算法实现七、结论正文：一、引言并行程序设计是一种高效利用多处理器计算机系统的方法，它能显著提高计算速度和处理能力。
在并行程序设计中，Foster方法是一种经典的算法设计过程，由Lan和Foster提出。
本文将详细介绍Foster方法的基本步骤，以帮助读者更好地理解和应用这一方法。
二、Foster方法的基本步骤Foster方法是一个由四步构成的并行算法设计过程，分别为划分、通信、聚集和映射。
1.划分划分是发现并行算法更多并行性的关键步骤。
在这一步骤中，需要将计算和数据划分成许多小片。
常见的划分方法有域分解和功能分解。
域分解：考虑程序中最大和最频繁访问的数据，先将数据分解成片，再考虑将计算和数据联系起来。
功能分解：将程序中的计算任务分解成可以独立执行的功能模块，以便在多个处理器上并行执行。
2.通信通信是在并行计算中必不可少的环节。
它包括数据通信和消息传递。
数据通信：指不同处理器之间数据的传输和交换。
消息传递：指处理器之间通过消息进行通信，以实现协同工作和数据同步。
3.聚集聚集是对并行计算过程中产生的数据进行处理和汇总的步骤。
主要包括数据聚集和结果汇总。
数据聚集：将各个处理器上的数据进行整合，以便进行下一步的计算。
结果汇总：对各个处理器上的计算结果进行汇总，得到最终的输出结果。
4.映射映射是将划分好的计算和数据映射到具体的计算资源上，实现并行计算的过程。
主要包括计算资源分配和并行算法实现。
计算资源分配：根据处理器能力和任务需求，合理分配计算资源。
并行算法实现：将划分好的计算任务在多个处理器上执行，实现并行计算。
三、结论Foster方法是一种有效的并行程序设计方法，通过划分、通信、聚集和映射四个步骤，可以充分发挥多处理器系统的性能，提高计算效率。
现代设计方法
现代设计方法现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。
1.并行设计2.虚拟设计3.绿色设计4.可靠性设计5.智能优化设计6.计算机辅助设计7.动态设计8.模块化设计9.计算机仿真设计10.人机学设计11.摩擦学设计12.疲劳设计13.反求设计14.无障碍设计15.共用性设计一、并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。
强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。
并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:基于人员协同和集成的并行化。
基于信息、知识协同和集成的并行化。
并行工程应用于整车项目开发案例研究一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。
以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。
而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。
运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%～50%。
设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。
在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。
2024年度-并行程序设计导论课件
并行图算法
02
如并行广度优先搜索、并行最短路径算法等，通过并行处理图
数据结构中的节点和边来加速图算法的执行。
并行矩阵运算
03
如矩阵乘法、矩阵转置等，通过并行处理矩阵中的元素来实现
高性能计算。
10
03
并行编程模型与语言
11
共享内存编程模型
原理
多个线程或进程共享同一块内存空间，通过 读写共享变量实现通信和同步。
8
并行算法设计策略
01
任务并行
将问题分解为多个独立任务，并 行执行。
数据并行
02
03
流水线并行
对数据进行分块，并行处理每个 数据块。
将问题分解为一系列阶段，每个 阶段处理一部分数据，并行执行 不同阶段。
9
经典并行算法案例解析
并行排序算法
01
如归并排序、快速排序等，通过并行比较和交换元素实现排序
加速。
生物信息学与基因测序
GPU加速计算在生物信息学和基因测序领域的应用日益增多，能够加 快基因序列比对和分析的速度，促进生物医学研究的发展。
天体物理模拟与宇宙探索
GPU加速计算在天体物理模拟和宇宙探索领域的应用也越来越广泛， 能够加快模拟速度，提高研究效率。
27
07
并行程序性能优化方法与实践
28
性能评价指标与方法
04
云计算
提供基础设施、平台和软件即服务。
22
MapReduce编程模型简介
MapReduce定义
一种编程模型，用于处理和生成大数据集，由 Map和Reduce两个阶段组成。
Reduce阶段
对中间结果中相同键的数据进行聚合操作，生成 最终结果。
并行程序设计导论(精品)
如服务器集群、负载均衡、分布式数据库等。
并行计算体系结构
共享内存体系结构
多个处理器共享同一物理内存，通过锁或原子操作实现内存 访问同步。
分布式内存体系结构
每个处理器拥有独立的局部内存，处理器之间通过消息传递 进行数据交换。
混合体系结构
结合共享内存和分布式内存的特点，通常在分布式内存系统 中引入共享内存的概念，以提高数据访问效率。
力。
GPU架构
GPU采用众核架构，拥有成千上 万个核心，每个核心都能独立处 理任务，实现高度并行化计算。
GPU内存模型
GPU内存分为全局内存、共享内 存、纹理内存等，不同类型的内 存具有不同的访问速度和用途。
GPU编程模型介绍
01
CUDA编程模型
02
OpenCL编程模型
CUDA（Compute Unified Device Architecture）是NVIDIA推出的并行 计算平台和编程模型，允许开发者使用 C/C语言编写GPU程序。
集群与网格计算
利用高速网络将一组计算机连接起来，共同解决大型计算问 题。集群中的计算机可以是同构或异构的，网格计算则强调 资源的广泛共享和协同工作。
02
并行程序设计基础
并行算法设计思想
分治策略
将大问题分解为多个小问题，分 别求解，最后将结果合并。
平衡负载
将任务均匀分配到各个处理单元， 避免某些处理单元过载。
并行编程模型与语 言
为了降低并行编程的难度，提高 开发效率，未来将会出现更多高 级、易用的并行编程模型和语言。 这些模型和语言将隐藏底层硬件 细节，使程序员能够更专注于问 题本身。
未来研究方向与挑战
并行程序的性能 分析与优化
并行算法与并行程序设计
并行算法与并行程序设计并行计算是目前解决实际问题、改善处理效率的有效手段，它的应用涵盖科学、工程、商业等诸多领域。
并行算法与并行程序设计是并行计算的两大核心内容。
本文集中论述并行算法与并行程序设计的基础原理、种类以及应用价值。
并行算法的基本概念与特性并行算法是一种能同时执行多条指令的算法，它分为多个独立的部分，这些部分可以在多个计算机或者同一台计算机的多个处理器上同时执行。
并行算法的研究目标在于优化并行计算，提高计算效率。
并行算法主要有两种典型的计算模型，即数据并行模型和任务并行模型。
数据并行模型中，每个处理器都对输入数据的不同部分进行操作；而任务并行模型则将任务分配到不同的处理器上执行。
并行算法的设计设计并行算法的关键在于选择合适的并行模型，比如数据并行、功能并行、任务并行等，并在此基础上设计出性能优异的算法。
其中，算法的分解性与并行性是设计并行算法的两大考虑因素。
此外，选择合适的同步机制也是至关重要的。
并行程序设计的基本概念与特性并行程序设计是指编写能在多个处理器上同时执行的程序，以改善执行速度和处理效率。
并行程序设计面临的主要挑战是如何有效并正确地同步各个处理器间的操作，以及如何处理数据依赖和任务调度问题。
并行程序设计的工具和方法目前，编程语言如OpenMP、MPI、CUDA等都可用于并行程序设计，它们提供了用于控制并发执行和数据同步的语义。
OpenMP和MPI 主要面向共享内存和分布式内存应用，并提供了一套丰富的API和指示器进行并行访问控制。
而CUDA是一种GPU的并行计算架构，主要用于处理海量数据，以实现强大的计算能力。
并行算法与程序设计的应用价值通过并行计算可以大幅提高处理器的使用效率，进而可以在较短时间内处理大量数据，尤其在科学计算、数据挖掘、图像处理、人工智能等方面表现出了极大的应用价值。
总结并行算法和并行程序设计是并行计算的基础，它们的目标是提供高效、可靠的解决方案，以解决现实世界中的复杂问题。
并行程序设计
并行程序设计并行程序设计并行程序设计是指将一个任务或问题分解成多个子任务，然后同时执行这些子任务，以提高程序的运行效率和响应速度。
本文将介绍并行程序设计的概念、原则和常用的并行编程模型。
概念并行程序设计是一种计算思维方式，通过利用计算机多核心、多处理器或者分布式系统的能力，将一个大的问题分解成多个小的子问题，并且让这些子问题可以同时被处理。
通过同时处理多个子问题，可以大大提高程序的处理速度。
并行程序设计原则并行程序设计有一些基本原则，下面是其中几个重要的原则：1. 任务划分：将一个大的任务划分成多个小的子任务。
划分任务时需要注意任务之间的依赖关系，以保证划分后的任务可以并行执行。
2. 任务分配：将划分后的子任务分配给可用的计算资源，如多核心、多处理器或分布式系统中的节点。
任务分配需要考虑计算资源的负载均衡，以充分利用计算资源的能力。
3. 任务通信：并行程序中的任务之间通常需要进行数据交换或同步操作。
任务通信需要合理选择通信方式，并通过合适的同步机制来确保数据的一致性和正确性。
4. 任务合并：在一些情况下，多个子任务的处理结果需要进行合并。
任务合并需要保证合并操作的正确性和效率，同时还要考虑合并操作可能引入的额外开销。
并行编程模型为了简化并行程序的设计与开发，人们提出了一系列并行编程模型。
下面介绍几种常用的并行编程模型：1. 共享内存模型：多个线程共享同一块内存地质空间，线程之间通过读写共享内存来进行通信和同步。
常见的共享内存模型有OpenMP和Cilk等。
2. 消息传递模型：多个进程或线程通过消息的方式进行通信。
每个进程或线程有独立的内存空间，通过发送和接收消息来实现进程间的通信和同步。
常见的消息传递模型有MPI和PVM等。
3. 数据流模型：任务之间通过数据流进行通信。
任务根据数据的可用性来进行执行，并将处理结果传递给下游任务。
数据流模型可以以图形化的方式表示任务之间的依赖关系。
常见的数据流模型有GPGPU和FPGA等。
并行设计X.ppt
20世纪80年代中期，制造业商品市场发生了根 本性变化
企业赢得市场竞争的关键是其能否快速响应市场需求， 迅速开发出满足用户需求的新产品，并尽快上市。
1988年美国防御分析研究所（IDA） 提出了并行工程的概念。
现代设计
第 3 章 并行工程
∧
∨2
3.2 CE的原理
证论案方
产
售后服务
品 开
制造与装配
发 过
施工设计与工艺设计
程 的
技术设计
各 个
工程分析
阶 段
方案设计
产品需求分析
产品生命周期
图 3-3 并行设计过程
现代设计
第 3 章 并行工程∧∨83源自2 CE的原理串行
频繁反馈
开
发 过
概念设计
详细设计 工艺设计
程 并 概念设计
少量反馈
行
详细设计
开 发
工艺设计
过 程
现代设计
第 3 章 并行工程
∧
∨ 14
3.2 CE的原理
实施并行设计的系统结构 ⑸硬、软件基本环境。 计算机与操作系统、网络通信、数据库是建立并 行设计的基本环境，对于不同任务可以有一定的 配置差异。
现代设计
第 3 章 并行工程
∧
∨ 15
3.3 案例：CE在新舟60飞机中的应用
西安飞机工业公司（XAC）与西北工业大学 合作，运用CE模式对其所生产的新舟60 飞机内装饰部分进行改进设计与制造。
现代设计
第 3 章 并行工程
∧
∨ 12
3.2 CE的原理
实施并行设计的系统结构
⑶管理与质量分系统。 该分系统包括开发过程管理、产品模型管理、资源 管理等，并在质量要求的约束下，完成产品开发工 作的规划，任务的分配，资源的配置，进度的调整， 冲突的协调等。过程管理框架见图3-7。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
集成。
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
并行产品开发流程
第九章 并行设计
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
并行工程具有的特点
定义二：并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关
过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。 这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考 虑产品在全寿命周期中从概念形成到产品报废 处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划 和用户要求。
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
第九章 并行设计
本章主要内容: 9.1 并行设计的基本概念 9.2 并行设计的关键技术 9.3 并行设计实例
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
传统的串行工程方法，每个部门都根据各自需要进行修改， 不能全面地考虑后续过程的多种需要，使所制造的产品存在许 多缺点。
一、串行设计过程
从需求分析、产品结构设计、工艺设计一直到加工 制造和装配是—步步在各部门之间顺序进行。
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
设计
分析
工艺
工艺装备
制造 检验
装配
分析
检验
设计
工艺装备
装配
工艺
制造
制造
检验
装配
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
§9.2 并行设计的关键技术
1、产品并行设计的建模及优化 2、支持并行设计的计算机信息系统 3、模拟仿真技术
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
§9.2 并行设计的关键技术
2、各部门对其它部门的需求和能力缺乏理解，目标和评价标 准的差异和矛盾降低了产品整体开发过程的效率。
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
四、并行工程（ Concurrent Engineering ——CE）
定义一：是对产品及其相关过程，包括制造 过程和支持过程，进行并行、一体 化设计的一种系统化方法。
4、产品性能综合评介和决策系统 5、并行设计中的产品管理技术
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
并行设计的技术经济效益
1、提高企业对市场需求的响应速度 2、提高产品开发的一次成功率 3、降低产品的开发成本
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、串行产品开发存在的问题
第九章 并行设计
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
1、各下游开发部门所具有的知识难以加人早期设计。越是设 计的早期阶段，降低费用的机会越大；而发现问题的时间 越晚，修改费用越大。费用随时间成指数增加。
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
并行工程的核心内容
3、数字化产品定义 包括两方面内容，即：数字化产品模型和
PDM；数字化工具和信息集成，如CAD／ CAE/CAM 、 DFA、DFM。
4．协同工作环境 用于支持IPT协同工作的网络与计算机平台。
Wuhan University of Technology
将传统的部门制或专业组变成以产品(型号)为主线的多 功能集成产品开发团队（IPT ) 。
2、过程重构
从传统的串行产品开发流程转变成集成的、并行的产品 开发过程。不仅是活动的并行，更主要的是下游过程在产品 开发的早期即参与设计过程；另一方面则是过程的精简，以 使信息流动与共享的效率更高。
Wuhan University of Technology
现代设计技术
第九章 并行设计
Wuhan University of Technology
并行工程的组成及信息流
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
研究范围：并行工程是一种经营哲理，一种工作模式，其
研究范围包括产品全生命周期（从概念形成到
产品报废）中的所有因素，如企业文化、管理
以及各种用于设计、制造和支持的方法与技术。
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
二、串行产品开发的工作流程
产品开发的工作流程：首先由熟悉顾客需求的市场人员提出产 品构想，在由产品设计人员完成产品的精确定义之后，交制造 工程师确定工艺工程计划，确定产品总费用和生产周期，质量 控制人员作出相应的质量保证计划
Wuhan University of Technology
第九章 并行设计
1、强调团队工作（Team work），团队精神和工 作方式
2、强调设计过程的并行性
3、强调设计过程的系统性。
4、强调设计过程的快速反馈
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
并行工程的核心内容
1．产品开发队伍重构
对原设计必须进行必要的修改，因此传统的设计方法无法 适应激烈市场竞争的需要，研究探索产品开发新方法是当务之 急。
Wuhan University of Technology
并行工程和可制造性设 计已成为新产品开发不
可缺少的手段。
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
§9.1 并行设计的基本概念
Wuhan University of Technology
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第九章 并行设计
并行工程所要考虑的因素
并行工程的主要思想有：
1、设计时同时考虑产品生命周期的所有因素(可靠性、可制造性)。作为设计 结果，同时产生产品设计规格和相应的制造工艺和生产准备文件。
2、产品设计过程中各活动并行交叉进行。 3、与产品生命周期有关的不同领域技术人员的全面参与和协同工作，实现生