并行计算题目答案汇总
第１题（1）什么是并行计算？（2）它的优点有哪些？（3）可以通过哪些结构完成并行计算？
1．并行计算就是在并行计算或分布式计算机等高性能计算系统上所做的超级计算。（P3）
2．计算极大地增强了人们从事科学研究的能力，大大地加速了把科技转化为生产力的过程，深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径。计算科学的理论和方法，作为新的研究手段和新的设计与创造技术的理论基础，正推动着当代科学与技术向纵深发展。（P4）
3．单指令多数据流SIMD、对称多处理机SMP、大规模并行处理机MPP、工作站机群COW、分布共享存储DSM多处理机。（P22）
第2题什么是网络计算？它的特点？它与分布式计算、集群计算的关系？（P104）
网络计算：在工作站机群COW环境下进行的计算称为网络计算。
特点：网络计算结合了客户机/服务器结构的健壮性、Internet面向全球的简易通用的数据访问方式和分布式对象的灵活性，提供了统一的跨平台开发环境，基于开放的和事实上的标准，把应用和数据的复杂性从桌面转移到智能化的网络和基于网络的服务器，给用户提供了对应用和信息的通用、快速的访问方式。
与分布式计算、集群计算的关系：
分布式计算是一门计算机科学，它研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。
集群计算是使用多个计算机，如典型的个人计算机或UNIX工作站；多个存储设备；冗余互联，来组成一个对用户来说单一的高可用性的系统。
因此，网络计算与分布式计算和集群计算都是属于计算密集型，数据密集型和网络密集型应用。
第3题表征并行系统的性能指标有哪些？并行系统的加速比如何定义？它能否完全确定系统的性能？为什么？
a.表征并行系统的性能指标主要有：CPU和存储器的基本性能指标，通信开销以及系统机器的成本、价格与性价比，
还有系统加速比和系统可扩放性（p88页3.3）；其中CPU和存储器的基本性能指标包括：工作负载，并行执行时间，存储器的层次结构和存储器的带宽。
b.并行系统的加速比，是指对于一个给定的应用，并行算法的执行速度相对于串行算法的执行速度另快了多少倍。
c.加速比并不能完全确定系统的性能；因为评价并行计算性能的指标，除了加速比外，并行计算的可扩放性也是主要
性能指标之一即并行系统性能随处理器数的增加而按比例提高的能力。（个人理解的，大家参考第三章吧~）
第4题节点度的定义？它在并行计算中的作用。（第9页）作用：百度也没找到答案。
定义：射入或射出一个节点的边数称为节点度。在单向网络中，入射和出射边之各称为节点度。
第5题等效率函数的定义、作用及应用。（P89）
参考答案：为了维持一定的效率E（介于0与1之间），当处理器数p增大时，需要相应地增大问题规模
W的值。由此定义函数为问题规模W随处理器数P变化的函数，称此函数为等效率函数。等效率函数是等效率度量标准，而等效率度量是并行计算可扩放性评测的依据之一。应用举例：按照等效率函数的定义，对于某一并行算法（或并行程序），为了维护运行效率保持不变，随着处理器数目的增加，若只需增加较小的工作量（即问题规模），比如说W随p呈线性或亚线性增长，则表示该算法具有良好的可扩放性；若需要增加非常大的问题规模，比如说W随p呈指数级增长，则表示该算法是不可扩放的。第6题
6.1 等速度函数的定义，作用及应用？答：该题的答案在课本P90-P91面。可以自行参考课本复习。
6.2 表面-容积效应的定义及应用？答：该题答案在课本P168面（2，3，4段）。同学们可以参考复习。
第7题页数：P164
全局通信：是指有很多任务参与交换数据的一种通信模式，全局通信中，每个任务与很多别的任务通信。局部通信：局部通信时，每个任务只与较少的几个近邻通信。
结构化通信：结构化通信值，一个任务和其近邻形成规整结构（如树、网格等）。
非结构化通信：非结构化通信中，通信网则可能是任意图。
第8题表面—容积效应的定义、应用？（P168）
答：定义是一个任务的通信需求比例于它所操作的子域的表面积，而计算需求却比例于子域的容积。其应用是：表面—容积效应启发我们，在其他条件等同的情况下，高维分解一般更有效，因为相对于一个给定的容积（计算）它减少的表面积（通信），因此从效率的角度，增加力度的最好办法是在所有的维组合任务。
第9题mpi编程模型中的基本通信概述
MPI(Message Passing Interface)定义：MPI是94年5月发布的一种消息传递接口。它实际上是一个消息传递函数库的标志说明，吸取了众多消息传递系统的优点，是目前国际上最流行的并行编程环境之一。
具有的优点：具有可移植性和易用性，有完备的异步通信功能；有正式和详细的精确定义。
何为通信体：在基于MPI编程模型中，计算是由一个或多个彼此调用库函数进行消息收、发通信的进程所组成。所谓通信体，就是一个进程组加上进程活动环境，其中进程组就是一组有限和有序的进程的集合。
最基本的MPI：
MPI_INIT:启动MPI计算；MPI_FINALIZE:结束MPI计算；MPI_COMM_SIZE：确定进程数；
MPI_COMM_RANK：确定自己的进程的标识符；MPI_SEND:发送一条消息；MPI_RECV:接受一条消息；
群体通信：
群体通信提供了MPI中独立的安全的消息传递。不同的通信库使用了独立的通信体，它隔离了内部和外部的通信，避免了在通信库被调用的和退出时的同步，也保证了在同一通信体的通信操作胡不干扰。
点到点通信的数据传送有阻塞和非阻塞两者机制；阻塞和非阻塞有四种通信模式：
1、标准模式；
2、缓冲模式；
3、同步模式；
4、就绪模式；
第10题什么事共享存储并行编程?P323 第二段
在共享存储的编程模式中,各个处理器可以对共享存储器中的数据进行存取,数据对每个处理器而言都是可访问到的,不需要在处理器之间进行传送,即数据通信时通过读/写共享存储单元来完成.
它的基本思路是什么? P323 第三段粗体字
1任务划分; 2任务调度2.1静态调度2.1.1确定模式 2.1.2非确定模式 2.2动态调度3．任务同步4任务通信. 第11题MPI基本函数有哪些？每一个函数的作用及使用？
参考：352页。每一函数的作用：参考352～353页
①有六个基本函数
MPI_INIT ：启动MPI计算；MPI_FINALIZE：结束MPI计算；MPI_COMM_SIZE：确定进程数；
MPI_COMM_RANK：确定自己的进程标识符；MPI_SEND：发送一条消息；MPI_RECV：接收一条消息；
第12题找不到
第13题MPI的基本函数有哪些？每个函数的作用及使用？
MPI 中有
1.double MPI_Wtime(void) 取得当前时间，计时的精度有double MPI_Wtick(void) 取得
C/C++ time.h 有clock_t clock(void) 取得当前时间，计时的精度有常数CLOCKS_PER_SEC 定义。
2.Int MPI_Init(int *argc ,char ***argv)
MPI的初始化例行函数，用于初始化MPI运行的环境，必须调用，还是首先调用，仅调用一次。
3.MPI_Finalize(void) 结束MPI执行的环境，该函数一旦被调用，就不能调用MPI的其它的函数（包括MPI_init）
4.MPI_Send(void *buf,int count,MPI_Datatype datatype,int dest,int tag,MPI_Comm comm)
将缓冲区的count个datatype数据类型的数据发送到目的进程阻塞型：
需要等待指定的操作的实际完成，或至少所涉及的数据被MPI系统
完全的备份后才返回如：MPI_Send和MPI_Recv都是阻塞型的。
5.MPI_Recv(void *buf,int count,MPI_Datatype datatype,int source,int tag,MPI_Comm comm.,MPI_Status *status)
从指定进程source接收信息，并且该数据的类型和本接收进程指定的数据类行一样
6.MPI_Isend(void *buf,int count,MPI_Datatype datatype,int dest,int tag,MPI_Comm comm.,MPI_Requst *request)
非阻塞地发送信息。在发送数据完成之前，对数据操作是把安全的，因为随时可能与正
在后台执行的MPI操作发生冲突。所以用户使用非阻塞型发送数据必须调用其他函数
来等待或查询操作完成的情况。
该函数递交一个信息发送的请求MPI系统在后台完成消息的发送，请求的句柄通过
Request变量返回给MPI进程，供随后查询/等待消息的完成用
注意：阻塞型和非阻塞型相差一个I。
7.MPI_Wait(MPI_Request *request,MPI_Status *status)
通信请求的完成与检测
MPI_Wait是阻塞型函数，必须等待通信的完成才返回。该检测函数等待，检测一个通信器请求的完成
成功返回时，status中包含关于所完成的通信的信息，相应的通信请求被释放，request被程MPI_REQUST_NULL。8.MPI_Tes t(MPI_Request *request,int *flag,MPI_Status *status)
MPI_TEST 与MPI_Wait刚好相反的。MPI_TEST是非阻塞函数
该函数检测指定的通信请求，不论通信是否完成都立刻返回
9.MPI_Iprobe(int source ,int tag,MPI_Comm comm.,int *flag,MPI_Status *status)
消息的探测函数是属于非阻塞函数，它不论是否有符合条件的消息都立刻返回
10.MPI_Probe(int source ,int tag,MPI_Comm comm.,MPI_Status *status) 消息的探测
检查要接收的信息是否到达信息到达了才能返回
MPI_Probe属于阻塞型函数，它等待直到一个符合条件的消息到达后才返回
如果探测到符合条件的消息flag=true，否则flag=false
11.MPI_Get_count(MPI_Status *status,MPI_Datatype datatype,int *count) 该函数返回以指定的数据类型为单位，接收到数据的个数，接收信息是使用的是最大个数，搞函数准确地知道接收信息的个数
12.MPI_Type_contiguous(int count,MPI_Datatype oldtype,MPI_Datatype *newtype)
新数据类型newtype由count个老数据类型olodtype按域（extent）连续存放构成
.新定义数据类型函数。如：count=5，OLDTYPE=INYTRGER，则新的数据类型NEWTYPE为5个整数
13.MPI_Type_vector(int count,int blocklength,int stride,MPI_Datatype oldtype,MPI_Datatype *newtype)
新数据类型newtype由count个数据块构成。每个数据块由blockelength个连续存放的oldtype构成。相邻的两个数据块的位移相差stride x extent（oldtype）个字节
新定义数据类型如：count=3，BLOCKLENGTH=2，STRIDE=3，OLDTYPE=INTEGER，则调用此函数后得到的新的数据类型NEWTYPE为6个整数组成，其中在原始数组中从开始取2个隔1隔再取2个，再隔一个取2个构成14..MPI_Type_indexed(int count,int array_of_blocklengths,int *array_of_displacements,MPI_Datatype, oldtype,MPI_Datatype *newtype)
新的数据类型newtype由count个数据块构成，第i个数据块包含arry_of_blocklengths(i)个连续存放的oldtype，字节位移为arry_of_displacements(i)*extent(oldtype)。
ARRAY_OF_BLOCKLENTHS和ARRAY_OF_DLSPLACEMENRS由OLDTYPE定义的元素个数来度量
注意：MPI_Type_indexed与MPI_Type_vector的区别在每个数据块的长度可以不同，数据块间也可以不等距
15..MPI_Type_commit(MPI_Datatype *datatype)
提交数据类型，一个数据类型被提交之后就可以和MPI的原始数据类型完全一样地在消息传递中使用
使用自定义的数据类型之前，必须调用此函数
16..MPI_Type_free(MPI_Datatype *datatype)
释放指定的数据类型。函数返回后。Datatype将被置成MPI_DA TA TYPE_NULL。
17..MPI_Barrier(MPI_Comm comm)
该函数用于进程间的同步。一个进程调用该函数后将等待直到通信器comm中的所有进程都调用了该函数才返回18..MPI_Bcast(void *buffer,int count,MPI_Datatype datatype,int root,MPI_Comm comm)
广播数据通信器comm中进程号为root的进程（根进程）将自己buffer中的内容同时发送给通信器的所有其他的进程。
19..MPI_Gather(void *sendbuf,int sendcount,MPI_Datatype sendtype,void *recvbuf,int recvcount,MPI_Datatype recvtype,int root,MPI_Comm comm)
收集数据所有进程（包括根进程）将sendbuf中的数据发送给根进程。根进程将这些数据按进程号的顺序依次接收到recvbuf中，发送数据和接收的数据类型与长度必须相匹配。即发送的类型必须具有相同的序列。
20..MPI_Scatter(void *sendbuf,int sendcount,MPI_Datatype sendtype,void *recvbuf,int recvcount,MPI_Datatype recvtype ,int root, MPI_Comm comm)
分散数据。指根进程将一个大的数据块分成小块分别散发给各个进程（包括根进程自己）
它是数据收集的逆操作
21.MPI_Allgather(void *sendbuf,int sendcount,MPI_Datatype sendtype,void *recvbuf,int recvcount,MPI_Datatype recvtype ,MPI_Comm comm)
22.MPI_Alltoall(void *sendbuf,int sendcount,MPI_Datatype sendtype,void *recvbuf,int recvcount,MPI_datatype recvtype ,MPI_Comm comm)
全部到全部每个进程散发自己的一个数据块，并且收集并装所有进程散发过来的数据块，我们称该操作为数据的“全散发收集”，它既被认为是数据的全收集的扩展，也可以被认为是数据的散发扩展。
23.MPI_Reduce(void *sendbuf ,void *recvbuf,int count,MPI_Datatype datatype,MPI_Op op ,
Int root,MPI_Comm comm)
在组内所有的进程中，执行一个规约操作，并把结果存放在指定的进程中
24.MPI_Allreduce(void *sendbuf ,V oid *recvbuf,int count,MPI_Datatype datatype,MPI_Op op,MPI_Comm comm)
全规约
25.MPI_Comm_size(MPI_Comm comm.,int *size) 该函数返回与该组通信因子相关的进程数
26.MPI_Comm_rank(MPI_Comm comm.,int *rank)
该函数返回该进程在指定通信因子中的进程号，每个进程在不同的通信因子中的进程号可能不同。
27.MPI_Comm_dup(MPI_Comm comm.,MPI_Comm * newcomm)
复制通信因子到newcomm，若复制comm被破坏，原来的comm仍然保存
28.MPI_Comm_split(MPI_Comm comm.,int color,int key,MPI_Comm* newcomm)
该函数划分comm所对应的进程组为不相交的字进程组，每个进程组中包含color相同的所有的进程
29.MPI_Comm_free(MPI_Comm *comm) 释放通信因子
30.MPI_Intercomm_create(MPI_Comm local_comm,int local_leader.MPI_Comm peer_comm,int remote_leader,int tag,MPI_Comm *newintercomm)
第14题倍增设计技术与流水线设计技术的定义和异同？P151
倍增技术又叫指针跳跃技术，特别适合处理以链表或有向有根数之类表示的数据结构。每当递归调用时，所要处理的数据之间的距离将逐步加倍，经过K步后就可完成距离2的k次方的所有数据的计算。
流水线技术基本思想是将一个计算任务t分成一系列子任务t1，t2，···，tm使得一旦t1完成，后继的子任务就可立即开始，并以同样的速率进行计算。
第15题什么是PVP、MPP、COW？它们的异同点。
PVP——并行向量处理机
MPP——大规模并行处理机，它是指由成百上千乃至上万个处理器组成的大型计算机系统。COW——工作站机群，指的是并行计算系统将一群工作站用某种结构的网络互连起来，充分利用各工作站的资源，统一调度、协调处理，以实现高效并行计算。
答：共享存储的SMP 系统结构具有如下特怀：对称性、单地址空间 、高速缓存及其一致性、低通信延迟 缺点：欠可靠、可观的延迟、慢速增加的带宽、不可扩放性
应用结构：P24
SMP 系统使用商品微处理器（具有片上或外置高速缓存），它们经由高速总线（或交叉开关）连向共享存储器。其系统是对称的，每个处理器可等同地访问共享存储器、I/O 设备和操作系统服务！结构如下所示：P23
第17题：Amdahl 定律主要内容？ 应用范围及主要结论？
Gustafson 定律主要内容？ 应用范围及主要结论？
Sun 和Ni 定律主要内容？ 应用范围及主要结论？
以上三个定律之间的异同点？
解：(P83 至 P88)
1）Amdah1定律主要内容：P83
固定负载的加速公式： ……
应用范围及主要结论：
应用范围：
对于很多科学计算，实时性要求很高，即在有些类应用中时间是个关键因素，而计算负载是固定不变的。 主要结论：
意味着随着处理器数目的无限增大，并行系统所能达到的加速之上限为1/f.
2）Gustafson 定律： P85
……
应用范围及主要结论：
对于很多大型计算，精度要求很高，即在此类应用中精度是个关键因素，而计算时间是固定不变的。
它意味着随着处理器数目的增加，加速几乎与处理器数成比例的线性增加，串行比例f 不再是程序的瓶颈，这对并行系统的发展是个非常乐观的结论。
2）Sun 和Ni 定律: P86
…… 应用范围及主要结论：
只要存储空间许可，应尽量增大问题规模以产生更好和更精确的解（此时可能使执行时间略有增加）。
主要结论：
p W Ws Wp Ws S P / P
S S S S W W pWp W p Wp p W pWp W S
/' p
W
p G f fW W p G f fW S /11''
G（p）=1时就是Amdahl加速定律；G（p）=p 变为f + p（1-f），就是Gustafson加速定律
G（p）>p，相应于计算机负载比存储要求增加得快，此时Sun和N i 加速均比Amdahl 加速和Gustafson 加速为高。第18题并行编程模型有哪些？它们中每一种模型的特点？应用范围？
PRAM模型P109-110 异步PRAM模型P110-111 BSP模型P111-113 logP模型P113-115
第19题什么是并行计算的系统结构模型？他的分类？每一种系统结构模型的主要特点？比较它们的异同点？目前常用的有哪些结构模型？为什么？
1．什么是并行计算的系统结构模型？答：没有找到
2．他的分类？(P22)
答：并行计算的系统结构分两大类：单指令多数据流SIMD和多指令多数据流MIMD；其中多指令多数据流MIMD包括：并行向量处理机PVP、对称多处理机SMP、大规模并行处理机MPP、工作站机群COW和分布共享存储DSM多处理机。
3．每一种系统结构模型的主要特点？(P22-P24)
PVP：课本没有讲到（平行向量处理机最大的特点是系统中的CPU是专门定制的向量处理器（VP）。系统还提供共享存储器以及与VP相连的高速交叉开关——维基百科）
SMP：课本没有讲到（对称多处理机最主要的特征是系统的对称性，即每个处理器可以以同等代价访问各个共享存储器——维基百科）
MPP：（P24第二段）它具有如下特性：a. 处理节点采用商用处理器；b. 系统中有物理上的分布式存储器；c. 采用高通信带宽和低延迟的互联网络（专门设计和定制的）；d. 能扩放至成百上千乃至上万个处理器。e. 它是一种异步的ＭＩＭＤ机器，程序系由多个进程组成，每个都有其私有地址空间，进程间采用传递消息互相作用。
DSM：课本没有讲到，网络没找到
COW：（P24第四段）COW的重要界限和特征是：a. COW的每个节点都是一个完整的工作站，这样的节点有时叫作“无头工作站”，一个节点也可以是一台PC或SMP；
ｂ．各节点通过一种低成本的商品（标准）网络（如以太网、FDDI和ＡＴＭ开关等）互连（有的商用机群也使用定做的网络）；ｃ．给节点内总是有本地磁盘，而ＭＰＰ节点却没有；ｄ．节点内的网络接口是松散耦合到IO总线上的，而MPP内的网络接口是连到处理器节点的存储总线上的，因而可以是紧耦合式的；ｅ．一个完整的操作系统驻留在每个节点中，而MPP中通常只是个微核，COW的操作系统是工作站ＵＮＩＸ，加上一个附加的软软件层，以支持单一系统镜像、并行度、通信和负载平衡等。
４．目前常用的有哪些结构模型？为什么？
答：课本没讲（Ｐ２４最后一段，机群相对于ＭＰＰ有性能／价格比高的优势，所以在发展可扩放并行计算机方面呼声很高。）
第20题什么是串行程序设计？（286页，第二段）
它的优缺点？（286页，第三段，①②③④点）
并行程序设计与串行程序设计的异同点？（287页，表12.1）
为什么从串行程序设计会发展到并行程序设计？（没找到）能否以一个样例程序来分析？（没找到）第21题并行计算的性能评测分类与作用：P78全页，P88第二段
第22题试分析在现今科技及经济社会发展中，有哪些并行需求的模型1计算密集型 2 数据密集型 3 网络密集型第23 题什么是并行计算的性能评测？它有什么作用？分作哪几类？说说每一类性能测评的思路、特点。
答：并行计算的性能评测与并行计算机体系结构、并行算法和并行程序设计一道构成了并行研究的四大分支。它是指依据某些性能指对并行计算的性能进行评估和测试。并行计算的性能与所使用的并行计算机本身的性能有关。大致可分为机器级的性能评测、算法级的性能评测和程序级的性能评测。机器机的性能评测主要包括CPU和存储器的成本、价格和性/价比等；算法级的性能评测主要包括加速、效率和可扩放性等；程序级的性能评测主要包括基本测试程序、数学库测试程序和并行测试程序等。（77页）
第24题并行算法的基本设计技术？它又如何分类？每一类的定义？特点和思路？（P140）
基本技术：划分设计技术，分治设计技术，平衡树设计技术，倍增设计技术，流水线设计技术
如何分类：从使用并行处理操作最朴素的思想出发，就可以导出所谓划分设计技术，
它是将一原始问题分成若干个部分，然后各部分由响应的处理器同时执行。从求解问题的方法
学和求解策略出发，则可导出所谓分治设计技术，它是将是一个大而复杂的问题分解成若干个特性
相同的子问题，然后使用各个击破的方法求解之。从针对求解问题的特性出发，也可导出一些有效的并行算法
设计技术，包括平衡树技术和倍增技术等。
每一类的定义、特点、思路：
划分设计技术：P140，分治设计技术：P144，平衡树设计技术：P149，倍增设计技术：P151 流水线设计技术：P153 第25题概括ＣＰＵ对共享存储单元间的读/写的限制。可以如何对并行存储访问模型分类？各类模型的主要特点？答：高速缓存目录DIR用以支持分布高速缓存的一致性，ＤＮＳ在物理上有分布在各节点的局存，从而形成了一个共享的存储器。对用户而言，系统硬件和软件提供了一个单地址的编程空间。
模型分类：ＵＭＬ（ＵｎｉｆｏｒｍＭｅｍｏｒｙＡｃｅｅｓ）均匀存储访问。
特点：
1、物理存储器被所有处理器均匀共享
2、所有处理器访问任何存储单元取相同的时间
3、每台处理器可带私有高速缓存
4、外围设备也可以以一定形式共享
ＮＵＭＬ（ＮｏｎｕｎｉｆｏｒｍＭｅｍｏｒｙＡｃｅｅｓ）非均匀存储访问
特点：
1、被共享的存储器在物理上是分布在所有的处理器中的，其所有本地存储器的集合就组成了全局地址空间
2、处理器访问存储器的时间是不一样的
3、每台处理器照例可私带有高速缓存，且外设也可以以某种形式共享。COMA（Cache—Only Memory Access）全高速缓存访问
特点
1）各处理器节点没有存储层次结构，全部高速缓存组成了全局地址空间
2）利用分布的高速缓存目录D进行远程高速缓存的访问3）ＣＯＭＡ中的高速缓存容量一般都大于２级高速缓存容量４）使用COMA时，数据开始时可任意分配，因为在运行时它最终会被迁移到要用它的地方。
CC—NUMA（Coherent—CacheＮｏｎｕｎｉｆｏｒｍＭｅｍｏｒｙＡｃｅｅｓ）高速缓存一致性非均匀存储访问特点：
（１）绝大多数商用CC—NUMA多处理机系统都使用基于目录的高速缓存一致性协议
（２）它在保留SMP结构易于编程的优点的同时，也改善了常规SMP的可扩放性问题
（３）CC—NUMA实际上是一个分布共享存储的ＤＭＳ多处理机系统
（４）它最显著的优点是程序员无需明确地在节点上分配数据。
ＮＯＲＭＡ（Ｎｏ—ＲｅｍｏｔｅＭｅｍｏｒｙＡｃｃｅｓｓ）非远程存储访问
特点1.所有存储器均是私有的 2.绝大多数ＮＵＭＡ都不支持远程存储器的访问 3.在ＤＳＭ中，ＮＯＲＭＡ就消失了。页码：２６—２８页
第26题并行算法的基本设计技术？它又如何分类？每一类的定义？特点与思路？
并行算法的基本设计技术：从使用并行处理操作最朴素的思想出发，就可导出所谓划分设计技术，它是将一问题分成若干个部分，然后各部分由相应的处理器同时执行，这就是最基本的设计技术。
它的分类：均匀划分技术、方根划分技术、对数划分技术、功能划分技术。
均匀划分技术定义、特点与思路（140页 6.1.1）方根划分技术定义、特点与思路（141页 6.1.2）
对数划分技术定义、特点与思路（142页 6.1.3）功能划分技术定义、特点与思路（143页 6.1.4）
第27题如何对并行算法的设计过程分步？每一步的主要内容是什么？P161—162
答：首先尽量开拓算法的并行性和满足算法的可扩放性；然后着重优化算法的通信成本和全局执行时间，同时通过必要的整个过程的反复回溯，以期最终达到一个满意的设计选择。也即分为四步：任务划分、通信分析、任务组合和处理器映射。
划分：将整个计算分解成一些小的任务，其目的是尽量开拓并行执行的机会
通信：确定诸任务执行中所需交换的数据和协调诸任务的执行，由此可检测上述划分的合理性
组合：按性能要求和实现的代价来考察前两阶段的结果，必要时可将一些小的任务组合成更大的任务以提高性能或减少通信开销
映射：将每个任务分配到一个处理器上，其目的是最小化全局执行时间和通信成本以及最大化处理器的利用率
第28题在矩阵划分中，有哪些划分方法？每一方法的细节内容？(课本202页)
答：（1）在矩阵划分中，有两种常见的划分方法：带状划分（又称行列划分）和棋盘划分（又称块状划分）。
（2）①带状划分的细节内容：带状划分分为块带状划分和循环带状划分。所谓块状带状划分，就是将矩阵整行或整列地分成若干个组，每组指派给一个处理器。所谓循环带状划分，就是将若干行或若干列指派给一个处理器，而且这些行和列可以是连续的，也可以是等距相间。
②棋盘划分的细节内容：所谓棋盘划分，就是将方阵划分成若干个子方阵，每个子方阵指派给一个处理器，此时任一处理器均不包含整行或整列。棋盘划分分为块棋盘划分和循环棋盘划分。矩阵划分成棋盘状可和处理器连成二维网孔相对应。和带状划分相比，棋盘划分可开发更高的并行度。
第29题并行计算中，点到点通信的含义？测量方法及方法的内容？
点到点通信是指两台计算机之间相互交换信息，它具有安全、快捷、直观、同步和经济的特点（网上概念）P359
第30题系统的可扩放性与算法的可扩放性的定义是？特点是？
评价并行计算性能的指标之一，在确定的应用背景下，计算机系统性能随处理器数的增加而按比例提高的能力。一般情况下，增加处理器数，是会增大额外开销和降低处理器的利用率的，所以对于一个特定的并行系统、并行算法货并行程序，它们能否有效利用不断增加的处理器的能力影视受限的，度量这种能力就是可扩放性。可扩放性是算法和结构的组合。p86
第31题什么是并行算法的复杂度？复杂度作用？可以通过哪些指标来分析？
（复杂度的概念在课本并没有找到，以下为百度并个人总结后的答案）
概念：并行算法复杂度指执行并行算法时计算机所需占用消耗的资源。
作用：复杂度用来衡量一个算法的优劣，以便选择合适算法和改进算法。
通过以下几个指标（第106页）
1、运行时间t(n)：即算法运行在给定模型上求解问题所需的时间，通常包含计算时间和通信时间。
2、处理器数p(n)：求解给定问题所用的处理器数目
3、并行算法的成本c(n)：定义为算法运行时间t(n)与所需处理器数p(n)的乘积，即c(n)=t(n)*p(n)
4、总运算量W(n)：即并行算法所完成的总的操作数量。
第32题在并行计算中，有哪些方法可以实现同步？什么是同步？它有什么作用？
参考答案：有同步（Synchronization）是在时间上强使各执行进程在某一点必须相互等待。在并行计算的各进程异步执行过程中为了确保各处理器的正确工作顺序以及对共享可写数据的正确访问（互斥访问），程序员需在算法的适当点设置同步点。同步可用软件、硬件和固件的办法来实现，如，在logP模型中的路障是由硬件支持的；在MIMD-SM多处理器系统中用同步语句lock和unlock来确保对共享可写数据的互斥访问。（P107）
第33题现有哪些并行编程的风格？每一种特点？
答：本人认为该题答案在课本P290面。不过不是十分的肯定。共有五种并行编程的风范：
第一：相并行；第二：分治并行；第三：流水线并行；第四：主-从并行；第五：工作池并行
每一种的特点书里面P290 面有详细的解释，可以参考复习。
第34题论述并行软件与并行硬件发展的关系？（P286）
答：关系：1、并行软件的发展落后于并行硬件；2、和串行系统的应用软件相比，现今的并行系统甚少且不成熟；3、并行软件的缺乏是发展并行计算的主要障碍；4、不幸的是，这种状态似乎仍在继续着。
第35题现有哪些并行编程风范每一种的特点
现在主要有以下机制并行编程规范：
一：OpenMP编程是基于线程的并行编程模型；一个共享存储的进程由多个线程组成，OpenMP就是基于已有的线程共享编程模型；其次OpenMP是一个外部的编程模型，而不是自动编程的模型。特点是:简单，移植性好，可扩展性好等；二：MPI并行编程；特点以下：具有可移植性和易用性；具有完备的异步通信功能；有正式和详细的精确地定义。三：PVM（parallel virtual machine)并行编程:较为容易修改。
四：基于数据并行的并行编程：能对大量的数据进行相同的，彼此独立的操作。
五：HPF（high performance Fortran）并行编程；特点：1、数据并行制导，2、数据映射制导，3、新内部函数和库函数；第36题找不到
第37题什么是PCAM设计方法学？它包括哪些内容？参考：160页
PCMA：从给定问题的描述出发，通过四个步骤，即任务划分、通信分析、任务组合和处理器映射，最终设计出一个能展示出并发性、可扩放行、局部性和模块性的并行算法。此过程简称为PCAM设计过程，它是一种设计方法学。
内容参考书本：第七章
第38题网络结构的对称与非对称判定？各自特点？（找不到）
第39题什么是PCAM设计方法学，它包括哪些内容？不同阶段，主要完成的任务？P160—P161 答：PCAM设计方法学是实际设计并行算法的自然过程。其基本要点是：首先尽量开拓算法的并发性和满足算法的可扩放性，然后着重优化算法的通信成本和全局执行时间，同时通过必要的整个过程的反复回溯，以期最终达到一个满意的设计选择。
PCAM是Partitioning 、Communication 、Agglomeration 和Mapping首字母的拼写，它们代表了使用此法设计并行算法的四个阶段！这四个阶段包括：划分、通信、组合、映射。
在设计的第一和第二阶段，关注的是并发性和可扩放性，并寻求开发出具有这些特性的并行算法。
在设计的第三和第四阶段，把注意力转移到局部和别的与性能有关的问题上。
第４０题并行编程工具与串行编程工具的发展关系？答：没有找到。
第41题
一到一传输：是指开始时p（处理器）中保存的信包m，只能按照播送路线发送到临近的一个处理器，然后再通过该处理器发送到下一个处理器，最后将信包m传送到终点处理器。
一到多播送：是指开始时p（处理器）中保存有信包m，播送后所有其它处理中均得到信包m。
第42题MPP系统的特点？设计时应考虑的因素？与其它的系统相比，它的优势？P48
特点：每个节点有一个或多个处理器和高速缓存（P/C）、一个局部存储器（M）、有或没有磁盘和网络接口电路NIC，它们均连向本地互连网络，而节点间通过高速网络HSN相连。
考虑的问题：可扩放性，系统成本，通用性和可放性，通信要求，存储器和I/O能力。
与其他系统相比，它的优势：MPP系统不共享资源，因此对它而言，资源比SMP要多，当需要处理的事务达到一定规模时，MPP的效率要比SMP好。由于MPP系统因为要在不同处理单元之间传送信息，在通讯时间少的时候，那MPP系统可以充分发挥资源的优势，达到高效率。
也就是说：操作相互之间没有什么关系，处理单元之间需要进行的通信比较少，那采用MPP系统就要好。
因此，MPP系统在决策支持和数据挖掘方面显示了优势。
第43题有哪些并行程序设计模型？它们的特点？P311—317
答：设计模型有：隐式并行模型、数据并行模型、消息传递模型、共享变量模型。
特点：隐式并行模型：程序员未作明确地制定并行性，而让编译器和运行支持系统自动地开拓它。
第44题MPP系统的特点？设计时应考虑的因素？与其他系统相比它的优势？
P24 MPP（Massively Parallel Processor大规模并行处理机）是指超大型计算机系统，它具有以下特性：
1、处理节点采用商品微处理器；
2、系统中有无理想的分布式存储器；
3、采用高通信带宽和低延迟的互联网络（专门设计和定制的）；
4、能扩放至成百上千乃至上万个处理器
5、是一种异步的MIMD机器，程序系由多个进程组成，每个都有其私有地址空间，进程间采用传递消息相互作用。
第45题《78页》
工作负载（荷），就是计算操作的数目，通常可用执行时间、所执行的指令数目和完成的浮点运算数三个物理量来度量把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。（这是百科的解释，书上没有）
什么是负载平衡？负载平衡：计算任务、通信任务对每个处理器大致相当。《老师课件》
第46题并行计算优劣与粗度的关系？（P160-P164）
在进行并行计算设计时，通过PCAM设计方法学可将整个过程分为四步：任务划分、通信分析、任务组合和处理器映射。划分指将整个计算分解成一些小任务，其目的是尽量开拓并行执行的机会，划分的粗度直接影响并行计算的优劣：
1. 划分的任务数如果高于目标机上处理器数目一个量级，则在接下来的设计步骤中将更灵活；
2. 合适的划分粗度可以避免冗余计算和存储，增加可扩放性；
3. 合适的划分粗度使得在分配处理器时做到工作量平衡；
4. 合适的划分粗度使与任务数与问题尺寸成比例；
第47题（P184）并行计算基本操作中，有哪些数据交换方式？
答：大多数并行算法均会涉及到处理器间的暑假交换，数据交换方式可归结为处理器间的通信操作，而通信操作各式各样，有以下方法：
1，选路方法：包括二维网孔上的X-Y选路算法，超立方网络上的E立方选路算法，
2，开关技术：包括存储转发（SF）选路，切通（CT）选路。
3，单一信包一到一传输。
4，一到多播送：包括使用(SF)进行一到多播送，使用（CT）进行一到多播送，
多到多播送：包括使用（SF）进行多到多播送，使用（CT）进行多到多播送。
第48题Cannon、Fox、DNS乘法的基本思路及实现的平行算法思路？Cannon：P214 Fox：P217 DNS：P217
多核编程与并行计算实验报告 (1)
多核编程与并行计算实验报告 姓名： 日期：2014年 4月20日 实验一 // exa1.cpp : Defines the entry point for the console application.
// #include"stdafx.h" #include 实验二 // exa2.cpp : Defines the entry point for the console application. // #include"stdafx.h" #include 并行计算综述 姓名：尹航学号：S131020012 专业：计算机科学与技术摘要：本文对并行计算的基本概念和基本理论进行了分析和研究。主要内容有：并行计算提出的背景，目前国内外的研究现状，并行计算概念和并行计算机类型，并行计算的性能评价，并行计算模型，并行编程环境与并行编程语言。 关键词：并行计算；性能评价；并行计算模型；并行编程 1. 前言 网络并行计算是近几年国际上并行计算新出现的一个重要研究方向，也是热门课题。网络并行计算就是利用互联网上的计算机资源实现其它问题的计算，这种并行计算环境的显著优点是投资少、见效快、灵活性强等。由于科学计算的要求，越来越多的用户希望能具有并行计算的环境，但除了少数计算机大户（石油、天气预报等）外，很多用户由于工业资金的不足而不能使用并行计算机。一旦实现并行计算，就可以通过网络实现超级计算。这样，就不必要购买昂贵的并行计算机。 目前，国内一般的应用单位都具有局域网或广域网的结点，基本上具备网络计算的硬件环境。其次，网络并行计算的系统软件PVM是当前国际上公认的一种消息传递标准软件系统。有了该软件系统，可以在不具备并行机的情况下进行并行计算。该软件是美国国家基金资助的开放软件，没有版权问题。可以从国际互联网上获得其源代码及其相应的辅助工具程序。这无疑给人们对计算大问题带来了良好的机遇。这种计算环境特别适合我国国情。 近几年国内一些高校和科研院所投入了一些力量来进行并行计算软件的应用理论和方法的研究，并取得了可喜的成绩。到目前为止，网络并行计算已经在勘探地球物理、机械制造、计算数学、石油资源、数字模拟等许多应用领域开展研究。这将在计算机的应用的各应用领域科学开创一个崭新的环境。 2. 并行计算简介[1] 2.1并行计算与科学计算 并行计算（Parallel Computing），简单地讲，就是在并行计算机上所作的计算，它和常说的高性能计算（High Performance Computing）、超级计算（Super Computing）是同义词，因为任何高性能计算和超级计算都离不开并行技术。 汽车成功案例 安全性问题 竞争优势 全球汽车工业对汽车安全性越来越重视，与安全强制法规相关的试验也在大量增加。目前碰撞安全问题在碰撞前、碰撞中和碰撞后阶段同时展开研究。在碰撞前阶段利用主动避撞系统；在碰撞中阶段利用车身结构、气囊展开、安全带张紧等措施减小伤害；在碰撞后阶段，主要关心油箱是否破裂以防止爆炸或起火。MSC.Software虚拟产品开发设计能够对每一个阶段进行设计研究。 碰撞前阶段 避免碰撞发生当然是车辆交通中最有效的降低伤亡的方法。而车辆的行为，例如车辆打滑、侧翻、或者车轮遇到冰路面将会发生何种状况等等可以利用虚拟样机来预测。在ADAMS/Car中结合多刚体和控制的仿真可以模拟从主动悬架到ABS制动器等系统的试验来增加主动安全性。通过同步调整机械、控制系统对车辆进行优化，可以大大缩短设计周期。 碰撞中阶段 一旦碰撞不可避免，气囊展开和座椅安全带的预张紧就成为减小伤害的关键因素，虚拟产品开发能够对这些系统进行优化。气囊展开可以利用SimOffice中的MSC Dytran，安全带约束系统的力可以利用多体仿真分析软件。在样车建造和法规试验之前进行虚拟试验可以大大地降低开发费用。法规试验中车辆各种性能可以用SimOffice中提供的有限元方法来进行精确地预测和研究。 碰撞仿真流程通常需要大量人力，管理仿真产生的海量数据也是一个挑战。模型组装、质量检查、定义工况、报告准备等方面如果引入流程自动化和数据管理则可以节省大量的人力。MSC.Software是领先的流程管理和自动化工具供应商，其产品MSC SOFY 和MSC SimManager都提供了汽车碰撞流程自动化的环境。将工作流程确定下来并进行客户化配置后，软件工具可以自动地生成代码来指导用户完成工作流程。例如，德国宝马(BMW)公司利用MSC SimManager建立碰撞仿真自动化流程，管理海量仿真数据，并且可以和供应商合作，使供应商可以上载各自相关的部件。 LSTC公司的领先的碰撞求解器LS-Dyna可以通过MSC Nastran（Sol700）的标准格式来调用。因此，适撞性和显著非线性问题都可以采用和NVH部门同样的模型，这样通过不同部门的协作可以节省大量的时间和费用。 碰撞后阶段 避免碰撞后起火取决于供油系统的完整性，该项安全要求 已在美国安全法规FMVSS301中有明确规定。车辆碰撞 后的燃油泄漏必须避免，MSC.Dytran采用拉格朗日和欧 拉技术，可以模拟碰撞中和碰撞后油箱的液固作用、结构 大变形、结构接触等问题。 MSC.SimManager也可以集成到碰撞后开发流程中，一 级供应商TI汽车公司采用MSC.SimManager管理油箱 开发过程中的冲击、压力真空、跌落、下陷等试验。 车辆动力学问题 矛盾 汽车工业需要在开发过程中减少时间和费用，同时推出创 新的产品。当前比较通用的策略是利用通用的开发平台、 共享部件开发众多系列车型。这就导致出现两个相互矛盾 的目标：一个是新系统的开发，另一个是通过共用平台和 零部件减少系统的变型。借助于虚拟产品开发可以有效地 满足这两个目标。 2014年《并行计算系统》复习题 1.（15分）给出五种并行计算机体系结构的名称，并分别画出其典型结构。 ①并行向量处理机（PVP） ②对称多机系统（SMP） ③大规模并行处理机（MPP） ④分布式共享存储器多机系统（DSM） ⑤工作站机群（COW） 2.（10分）给出五种典型的访存模型，并分别简要描述其特点。 ①均匀访存模型（UMA）： 物理存储器被所有处理机均匀共享 所有处理机访存时间相同 适于通用的或分时的应用程序类型 ②非均匀访存模型（NUMA）： 是所有处理机的本地存储器的集合 访问本地LM的访存时间较短 访问远程LM的访存时间较长 ③Cache一致性非均匀访存模型（CC-NUMA）： DSM结构 ④全局Cache访存模型（COMA）： 是NUMA的一种特例，是采用各处理机的Cache组成的全局地址空间 远程Cache的访问是由Cache目录支持的 ⑤非远程访存模型（NORMA）： 在分布式存储器多机系统中，如果所有存储器都是专用的，而且只能被本地存储机访问，则这种访问模型称为NORAM 绝大多数的NUMA支持NORAM 在DSM中，NORAM的特性被隐匿的 3. （15分）对于如下的静态互连网络，给出其网络直径、节点的度数、对剖宽度，说明该网络是否是一个对称网络。 网络直径：8 节点的度数：2 对剖宽度：2 该网络是一个对称网络 4. （15分）设一个计算任务，在一个处理机上执行需10个小时完成，其中可并行化的部分为9个小时，不可并行化的部分为1个小时。问： （1）该程序的串行比例因子是多少，并行比例因子是多少？ 串行比例因子：1/10 并行比例因子:9/10 （2）如果有10个处理机并行执行该程序，可达到的加速比是多少？10/(9/10 + 1) = 5.263 （3）如果有20个处理机并行执行该程序，可达到的加速比是多少？10/(9/20 + 1)= 6.897 5.（15分）什么是并行计算系统的可扩放性？可放性包括哪些方面？可扩放性研究的目的是什么？ 一个计算机系统（硬件、软件、算法、程序等）被称为可扩放的，是指其性能随处理机数目的增加而按比例提高。例如，工作负载能力和加速比都可随处理机的数目的增加而增加。 可扩放性包括: 1.机器规模的可扩放性 高性能计算（并行计算）复习提纲 第一章并行计算机系统及其结构模型 1．了解并行计算机系统互联网络及其分类 不同带宽与距离的互连技术: 总线、SAN、LAN、MAN、WAN 1，静态互联网络：是指处理单元之间有着固定连接的一类网络，在程序执行期间，这种点到点的连接不变。典型的静态网络有一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等。2，动态互联网络：是用开关单元构成的，可按应用程序的要求动态的改变连接组态。典型的动态网络包括总线、交叉开关和多级互连网络等,3，标准互联网络 2.并行计算机系统结构，参见图1.20（P23）五种结构，要求理解这几种结构的硬件组成及工作方式。 2，并行计算机系统结构： 行向量处理机pvp ：硬件：向量处理机vp、共享存储器SM。工作方式：高带宽的交叉开关网络将vp连向共享存储模块，存储器可以以兆字节每秒的速度想处理器提供数据。通常使用向量寄存器和指令缓冲器。 对称多处理机SMP：硬件：商品微处理器（具有片上或外设高速缓存）、共享存储器、 I/O设备。工作方式：微处理器由总线或交叉开关连向共享存储器。每个处理器可同等的访问共享存储器、I/O设备和操作系统 服务。 ＭPP一般是指超大型计算机系统，它具有如下特性：①处理节点采用商品微处理器；②系统中有物理上的分布式存储器；③采用高通信带宽和低延迟的互连网络；④能扩放至成百上千乃至上万个处理器；⑤它是一种异步的MIMD机器，程序系由多个进程组成，每个都有其私有地址空间，进程间采用传递消息相互作用DSM分布式共享存储多处理机 高速缓存目录DIR用以支持分布高速缓存的一致性。ＤＳＭ和ＳＭＰ的主要差别是，ＤＳＭ在物理上有分布在各节点中的局存从而形成了一个共享的存储器。对用户而言，系统硬件和软件提供了一个单地址的编程空间. COW工作站机群 机群往往是低成本的变形的MPP。COW的重要界线和特征是：①每个节点都是一个完整的工作站(不包括监视器、键盘、鼠标等），一个节点也可以是一台PC或SMP；②各节点通过一种低成本的商品（标准）网络互连（；③各节点内总是有本地磁盘④节点内的网络接口是松散耦合到I/O 总线上的，⑤一个完整的操作系统驻留在每个节点中，而MPP中通常只是个微核，COW 的操作系统是工作站ＵＮＩＸ，加上一个附加的软件层以支持单一系统映像、并行度、通信和负载平衡等。 3并行计算机的几种访问存储模型。 访问存储模型： 并行计算 实 验 报 告 学院名称计算机科学与技术学院专业计算机科学与技术 学生姓名 学号 年班级 2016年5 月20 日 一、实验内容 本次试验的主要内容为采用多线程的方法计算pi的值，熟悉linux下pthread 形式的多线程编程，对实验结果进行统计并分析以及加速比曲线分析，从而对并行计算有初步了解。 二、实验原理 本次实验利用中值积分定理计算pi的值 图1 中值定理计算pi 其中公式可以变换如下： 图2 积分计算pi公式的变形 当N足够大时，可以足够逼近pi，多线程的计算方法主要通过将for循环的计算过程分到几个线程中去，每次计算都要更新sum的值，为避免一个线程更新sum 值后，另一个线程仍读到旧的值，所以每个线程计算自己的部分，最后相加。三、程序流程图 程序主体部分流程图如下： 多线程执行函数流程图如下： 四、实验结果及分析 令线程数分别为1、2、5、10、20、30、40、50和100，并且对于每次实验重复十次求平均值。结果如下： 图5 时间随线程的变化 实验加速比曲线的计算公式类似于 结果如下： 图5 加速比曲线 实验结果与预期类似，当线程总数较少时，线程数的增多会对程序计算速度带来明显的提升，当线程总数增大到足够大时，由于物理节点的核心数是有限的，因此会给cpu带来较多的调度，线程的切换和最后结果的汇总带来的时间开销较大，所以线程数较大时，增加线程数不会带来明显的速度提升，甚至可能下降。 五、实验总结 本次试验的主要内容是多线程计算pi的实现，通过这次实验，我对并行计算有了进一步的理解。上学期的操作系统课程中，已经做过相似的题目，因此程序主体部分相似。不同的地方在于，首先本程序按照老师要求应在命令行提供参数，而非将数值写定在程序里，其次是程序不是在自己的电脑上运行，而是通过ssh和批处理脚本等登录到远程服务器提交任务执行。 在运行方面，因为对批处理任务不够熟悉，出现了提交任务无结果的情况，原因在于windows系统要采用换行的方式来表明结束。在实验过程中也遇到了其他问题，大多还是来自于经验的缺乏。 在分析实验结果方面，因为自己是第一次分析多线程程序的加速比，因此比较生疏，参考网上资料和ppt后分析得出结果。 从自己遇到的问题来看，自己对批处理的理解和认识还比较有限，经过本次实验，我对并行计算的理解有了进一步的提高，也意识到了自己存在的一些问题。 六、程序代码及部署 程序源代码见cpp文件 部署说明： 使用gcc编译即可，编译时加上-pthread参数，运行时任务提交到服务器上。 编译命令如下： gcc -pthread PI_3013216011.cpp -o pi pbs脚本(runPI.pbs)如下： #!/bin/bash #PBS -N pi #PBS -l nodes=1:ppn=8 #PBS -q AM016_queue #PBS -j oe cd $PBS_O_WORKDIR for ((i=1;i<=10;i++)) do ./pi num_threads N >> runPI.log 有限元仿真技术的发展及其应用 许荣昌 孙会朝(技术研发中心) 摘 要:介绍了目前常用的大型有限元分析软件的现状与发展,对其各自的优势进行了分析,简述了有限元软件在冶金生产过程中的主要应用领域及其发展趋势,对仿真技术在莱钢的应用进行了展望。 关键词:有限元仿真 冶金生产 发展趋势 0 前言 自主创新,方法先行,创新方法是自主创新的根本之源,同时,随着市场竞争的日益激烈,冶金企业的产品设计、工艺优化也由经验试错型向精益研发方向发展,而有限元仿真技术正是这种重要的创新方法。近年来随着计算机运行速度的不断提高,有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用,比如,有限元分析在冶金、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域正在发挥着重要的作用,主要表现在以下几个方面:增加产品和工程的可靠性;在产品的设计阶段发现潜在的问题;经过分析计算,采用优化设计方案,降低原材料成本;缩短产品研发时间;模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试验成本。与传统设计相比,利用仿真技术,可以变经验设计为科学设计、变实测手段为仿真手段、变规范标准为分析标准、变传统分析技术为现代的计算机仿真分析技术,从而提高产品质量、缩短新产品开发周期、降低产品整体成本、增强产品系统可靠性,也就是增强创新能力、应变能力和竞争力(如图1、2) 。 图1 传统创新产品(工艺优化)设计过程为大循环 作者简介:许荣昌(1971-),男,1994年毕业于武汉钢铁学院钢铁冶金专业,博士,高级工程师。主要从事钢铁工艺技术研究工 作。 图2 现代CA E 创新产品(工艺优化)设计过程为小循环 1 主要有限元分析软件简介 目前,根据市场需求相继出现了各种类型的应用软件,其中NASTRAN 、ADI N A 、ANSYS 、 ABAQUS 、MARC 、MAGSOFT 、COS MOS 等功能强大的CAE 软件应用广泛,为实际工程中解决复杂的理论计算提供了非常有力的工具。但是,各种软件均有各自的优势,其应用领域也不尽相同。本文将就有限元的应用范围及当今国际国内C AE 软件的发展趋势做具体的阐述,并对与冶金企业生产过程密切相关的主要有限元软件ANSYS 、AB AQUS 、MARC 的应用领域进行分析。 M SC So ft w are 公司创建于1963年,总部设在美国洛杉矶,M SC M arc 是M SC Soft w are 公司于1999年收购的MARC 公司的产品。MARC 公司始创于1967年,是全球首家非线性有限元软件公司。经过三十余年的发展,MARC 软件得到学术界和工业界的大力推崇和广泛应用,建立了它在全球非线性有限元软件行业的领导者地位。随着M arc 软件功能的不断扩展,软件的应用领域也从开发初期的核电行业迅速扩展到航空、航天、汽车、造船、铁 道、石油化工、能源、电子元件、机械制造、材料工程、土木建筑、医疗器材、冶金工艺和家用电器等,成为许多知名公司和研究机构研发新产品和新技术的重要工具。在航空业M SC N astran 软件被美国联邦航空管理局(F AA )认证为领取飞行器适 13 Reviews on parallel programming并行计算英文班复习考试范围及题型：（1—10章） 1 基本概念解释；Translation (Chinese) 2 问答题。Questions and answer 3 算法的画图描述。Graphical description on algorithms 4 编程。Algorithms Reviews on parallel programming并行计算 1 基本概念解释；Translation (Chinese) SMP MPP Cluster of Workstation Parallelism, pipelining, Network topology, diameter of a network, Bisection width, data decomposition, task dependency graphs granularity concurrency process processor, linear array, mesh, hypercube, reduction, prefix-sum, gather, scatter, thread s, mutual exclusion shared address space, synchronization, the degree of concurrency, Dual of a communication operation, 2 问答题。Questions and answer Chapter 1 第1章 1) Why we need parallel computing? 1）为什么我们需要并行计算？ 答： 2) Please explain what are the main difference between parallel computing and sequential computing 2）解释并行计算与串行计算在算法设计中的主要不同点在那里？ 答： Chapter 2 第2章 1) What are SIMD, SPMD and MIMD denote? 1）解释SIMD, SPMD 和 MIMD是什么含义。 答： 2) Please draw a typical architecture of SIMD and a typical architecture of MIMD to explan. 2）请绘制一个典型的SIMD的体系结构和MIMD的架构。 答： 小学数学简便运算专项练习400题 第一部分(1-50题) 12.06＋5.07＋2.94 30.34＋9.76－10.34 83 ×3÷83 ×3 25 ×7×4 34÷4÷1.7 1.25÷32×0.8 102×7.3÷5.1 17 73+174-773 195－137－95 11 32+752+353 933-15.7-4.3 41.06 －19.72－20.28 752－383+83 8 74+295-95 700÷14÷5 18.6 ÷2.5÷0.4 1.96÷0.5÷4 1.06 ×2.5×4 13×1917÷1917 29÷2713×2713 19.68－（2.68＋2.97） 5.68＋（5.39＋4.32） 19.68－（2.97＋9.68） 7 172+(185-172) 576-(83-71 ) 0.74 ÷(71×10074) 1.25×（ 8 ÷0.5） 0.25 ×（ 4 × 1.2） 1.25×（ 213×0.8） 9.3 ÷(4÷93100) 24×(1211-83-61+31) (12+ 72) ×7 0.92×1.41＋0.92×8.59 516×137-53×137 1.3×11.6－1.6×1.3 59 ×11.6＋18.4×59 9999+999+99+9 4821-998 3.2×12.5×25 1.25×88 7.6÷0.25 3.5÷0.125 1.8×99＋1.8 3.8 ×9.9＋0.38 257×103-257×2-25 7 1.01×9.6 102×0.87 2.6 ×9.9 327 ×31+327 1712×32+32÷517 第二部分（51-100题） 3733 ×36 3733×38 《计算方法》上机实验报告 班级：XXXXXX 小组成员：XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX 任课教师：XXX 二〇一八年五月二十五日 前言 通过进行多次的上机实验，我们结合课本上的内容以及老师对我们的指导，能够较为熟练地掌握Newton 迭代法、Jacobi 迭代法、Gauss-Seidel 迭代法、Newton 插值法、Lagrange 插值法和Gauss 求积公式等六种算法的原理和使用方法，并参考课本例题进行了MATLAB 程序的编写。 以下为本次上机实验报告，按照实验内容共分为六部分。 实验一： 一、实验名称及题目： Newton 迭代法 例2.7(P38):应用Newton 迭代法求 在 附近的数值解 ，并使其满足 . 二、解题思路： 设'x 是0)(=x f 的根,选取0x 作为'x 初始近似值,过点())(,00x f x 做曲线)(x f y =的切线L ,L 的方程为))((')(000x x x f x f y -+=,求出L 与x 轴交点的横坐标) (') (0001x f x f x x - =,称1x 为'x 的一次近似值,过点))(,(11x f x 做曲线)(x f y =的切线,求该切线与x 轴的横坐标) (') (1112x f x f x x - =称2x 为'x 的二次近似值,重复以上过程,得'x 的近似值序列{}n x ,把 ) (') (1n n n n x f x f x x - =+称为'x 的1+n 次近似值，这种求解方法就是牛顿迭代法。 三、Matlab 程序代码： function newton_iteration(x0,tol) syms z %定义自变量 format long %定义精度 f=z*z*z-z-1; f1=diff(f);%求导 y=subs(f,z,x0); y1=subs(f1,z,x0);%向函数中代值 x1=x0-y/y1; k=1; while abs(x1-x0)>=tol x0=x1; y=subs(f,z,x0); y1=subs(f1,z,x0); x1=x0-y/y1;k=k+1; end x=double(x1) K 四、运行结果： 实验二： 淮阴工学院 毕业设计外文资料翻译 学院：建筑工程学院 专业：土木工程房建方向 姓名：王玮 学号：1091401422 外文出处：MBTC DOT 3022 August 16 2012 附件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年月日 以纳米技术为基础对硅酸盐 水泥混凝土的性能改进——第一阶段 Dr. R. Panneer Selvam ，Dr. Kevin Hall ，Sayantan Bhadra 摘要：对硅酸盐水泥混凝土(PCC)的纳米结构的基本认识是实现高性能和可持续性相关重大突破的关键。MBTC-研究(MBTC 2095/3004)使用分子动力学(MD)提供了对于水化硅酸钙(CSH)结构的新的理解(提供PCC强度和耐久性的主要成分);然而，由于MD方法能够考虑的原子数量，这项研究是有局限性的，特别是关于PCC中纳米水平上的力学性能。在这篇论文中为了断定CSH凝胶结构提出了离散元素法(DEM)，报告了三个阶段中第一阶段所取得的进展。给出了DEM研究所用的现有的免费软件和商法典。制定了一种内部的DEM规范，对粘性材料采用压痕式加载。样本模型计算合理的说明了DEM规范的发展及应用。 关键词：纳米技术，硅酸盐水泥混凝土，离散单元法 第一章：引言 混凝土是使用最多的建筑材料，同时也是科学了解最少的材料。混凝土的寿命由于收缩裂缝、拉伸裂缝等受到限制。这主要是由于水泥浆复杂的无定形的结构。对于铜或铁来说很容易从实验中发现原子结构。由于超过5个不同的原子结合在一起形成水泥浆或CSH(Murray等人，2010& Janikiram Subramaniam等人2009)，很难从实验来了解原子结构。对硅酸盐水泥混凝土(PCC)的纳米结构的基本认识是实现高性能和可持续性相关重大突破的关键。最近通过MBTC 2095/3004项目，使用分子动力学(MD)得出CSH原子结构的一些理解。Selvam教授和他的团队(2009 -2011)使用分子动力学(MD)建模提出了可能的CSH原子结构。从纳米水平到宏观水平进一步的相关性能的研究由于考量纳米长度变化时需要考虑的原子数量的限制而受到局限。 Nonat(2004)和Gauffinet(1998)等人观察到C-S-H凝胶有片晶型形态，薄片的大小约为60 ×30×5nm。从Dagleish拍摄的AFM图像（如图1.1）看出，CSH纤维可能的大小为60 nm x 300μm。为了理解这些纤维之间的相互作用，需要的计算尺 《并行算法设计与分析》考题与答案 一、1.3，处理器PI的编号是： 解：对于n ×n 网孔结构,令位于第j行，第k 列（0≤j，k≤n-1）的处理器为P i（0≤i≤n2-1）。以16处理器网孔为例,n=4（假设j、k由0开始）： 由p0=p(j,k)=p(0,0) P8=p(j,k)=p(2,0) P1=p(j,k)=p(0,1) P9=p(j,k)=p(2,1) P2=p(j,k)=p(0,2) P10=p(j,k)=p(2,2) P3=p(j,k)=p(0,3) P11=p(j,k)=p(2,3) P4=p(j,k)=p(1,0) P12=p(j,k)=p(3,0) P5=p(j,k)=p(1,1) P13=p(j,k)=p(3,1) P6=p(j,k)=p(1,2) P14=p(j,k)=p(3,2) P7=p(j,k)=p(1,3) P15=p(j,k)=p(3,3) 同时观察i和j、k之间的关系，可以得出i的表达式为：i= j * n+k 一、1.6矩阵相乘（心动算法） a)相乘过程 设 A 矩阵= 121221122121 4321 B 矩阵=1 23443212121121 2 【注】矩阵元素中A(i,l)表示自左向右移动的矩阵，B(l,j)表示自上向下移动的矩阵，黑色倾斜加粗标记表示已经计算出的矩阵元素,如12, C(i,j)= C(i,j)+ A(i,l)* B(l,j) 1 2、 4、 6、 8、 10 计算完毕 b)可以在10步后完成，移动矩阵长L=7，4*4矩阵N=4,所以需要L+N-1=10 运算定律练习题 （1）乘法交换律：a×b＝b×a 乘法结合律：（a×b）×c＝a×（b×c） 38×25×4 42×125×8 25×17×4 （25×125）×（8×4） 49×4×5 38×125×8×3 (125×25)×4 5 ×289×2 （125×12）×8 125×（12×4） (2) 乘法交换律和结合律的变化练习 125×64 125×88 44×25 125×24 25×28 （3）加法交换律：a＋b＝b＋a 加法结合律：（a＋b）＋c＝a＋（b＋c） 357＋288＋143 158＋395＋105 167＋289＋33 129＋235＋171＋165 378＋527＋73 169＋78＋22 58＋39＋42＋61 138＋293＋62＋107 （4）乘法分配律：（a＋b）×c＝a×c＋b×c 正用练习 （80＋4）×25 （20＋4）×25 （125＋17）×8 25×（40＋4）15×（20＋3） （5）乘法分配律正用的变化练习： 36×3 25×41 39×101 125×88 201×24 （6）乘法分配律反用的练习： 34×72＋34×28 35×37＋65×37 85×82＋85×18 25×97＋25×3 76×25＋25×24 （7）乘法分配律反用的变化练习： 38×29＋38 75×299＋75 64×199＋64 35×68＋68＋68×64 ☆思考题：（8）其他的一些简便运算。 800÷25 6000÷125 3600÷8÷5 58×101－58 74×99 【思路导航】在除法里，被除数和除数同时乘或除以一个相同的数，商不变。 325÷25 =（325×4）÷（25×4） =1300÷100 =13 【练一练1】（1）450÷25（2）525÷25 （3）3500÷125 江苏科技大学 计算机科学与工程学院 实验报告 实验名称：Java多线程编程 学号：姓名：班级： 完成日期：2014年04月22日 1.1 实验目的 (1) 掌握多线程编程的特点； (2) 了解线程的调度和执行过程； (3)掌握资源共享访问的实现方法。 1.2 知识要点 1.2.1线程的概念 (1)线程是程序中的一个执行流,多线程则指多个执行流; (2)线程是比进程更小的执行单位,一个进程包括多个线程; (3)Java语言中线程包括3部分:虚拟CPU、该CPU执行的代码及代码所操作的数据。 (4)Java代码可以为不同线程共享，数据也可以为不同线程共享； 1.2.2 线程的创建 (1) 方式1：实现Runnable接口 Thread类使用一个实现Runnable接口的实例对象作为其构造方法的参数，该对象提供了run方法，启动Thread将执行该run方法； (2)方式2：继承Thread类 重写Thread类的run方法； 1.2.3 线程的调度 (1) 线程的优先级 ●取值范围1～10，在Thread类提供了3个常量，MIN_PRIORITY=1、MAX_ PRIORITY=10、NORM_PRIORITY=5； ●用setPriority()设置线程优先级，用getPriority()获取线程优先级； ●子线程继承父线程的优先级，主线程具有正常优先级。 (2) 线程的调度：采用抢占式调度策略，高优先级的线程优先执行，在Java中，系统按照优先级的级别设置不同的等待队列。 1.2.4 线程的状态与生命周期 说明：新创建的线程处于“新建状态”，必须通过执行start()方法，让其进入到“就绪状态”，处于就绪状态的线程才有机会得到调度执行。线程在运行时也可能因资源等待或主动睡眠而放弃运行,进入“阻塞状态”,线程执行完毕，或主动执行stop方法将进入“终止状态”。 1.2.5 线程的同步--解决资源访问冲突问题 (1) 对象的加锁 所有被共享访问的数据及访问代码必须作为临界区，用synchronized加锁。对象的同步代码的执行过程如图14-2所示。 synchronized关键字的使用方法有两种： ●用在对象前面限制一段代码的执行，表示执行该段代码必须取得对象锁。 ●在方法前面，表示该方法为同步方法,执行该方法必须取得对象锁。 (2) wait()和notify()方法 用于解决多线程中对资源的访问控制问题。 ●wait()方法：释放对象锁，将线程进入等待唤醒队列； ●notify()方法：唤醒等待资源锁的线程，让其进入对象锁的获取等待队列。 (3)避免死锁 指多个线程相互等待对方释放持有的锁，并且在得到对方锁之前不会释放自己的锁。 1.3 上机测试下列程序 样例1：利用多线程编程编写一个龟兔赛跑程序。 乌龟：速度慢，休息时间短； Monte Carlo Methods in Parallel Computing Chuanyi Ding ding@https://www.360docs.net/doc/c69009843.html, Eric Haskin haskin@https://www.360docs.net/doc/c69009843.html, Copyright by UNM/ARC November 1995 Outline What Is Monte Carlo? Example 1 - Monte Carlo Integration To Estimate Pi Example 2 - Monte Carlo solutions of Poisson's Equation Example 3 - Monte Carlo Estimates of Thermodynamic Properties General Remarks on Parallel Monte Carlo What is Monte Carlo? ? A powerful method that can be applied to otherwise intractable problems ? A game of chance devised so that the outcome from a large number of plays is the value of the quantity sought ?On computers random number generators let us play the game ?The game of chance can be a direct analog of the process being studied or artificial ?Different games can often be devised to solve the same problem ?The art of Monte Carlo is in devising a suitably efficient game. (此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 多核编程与并行计算实验报告 姓名： 日期：2014年 4月20日 实验一 // exa1.cpp : Defines the entry point for the console application. // #include"stdafx.h" #include 实验二 // exa2.cpp : Defines the entry point for the console application. // #include"stdafx.h" #include 按照计算每一时刻动力反应是否需要求解线性方程组，可将直接积分法分为隐式积分方法和显式积分方法两类。 隐式积分法是根据当前时刻及前几时刻体系的动力反应值建立以下一时刻动力反应值为未知量的线性方程组，通过求解方程组确定下一时刻动力反应。隐式方法的研究和应用由来已久，常用的方法有线性加速度法、常平均加速度法、Newmark方法、Wilson-θ法、Houbolt 方法等。 显式积分法可由当前时刻及前几时刻的体系动力反应值直接外推下一时刻的动力反应值，不需要求解线性方程组，实现了时间离散的解耦。解方程组一般占整个有限元求解程序耗时的70％左右，因此，这一解耦技术对计算量的节省是可观的。 隐式方法大部分是无条件稳定的，显式方法为条件稳定。显式方法的稳定性可以按满足精度要求的空间步距确定满足数值积分稳定性要求的时问步距来实现。显式方法受条件稳定的限制，时间积分步长将取得较小，但计算经验表明，对于一些自由度数巨大且介质呈非线性的问题，显式法比隐式法所需的计算量要小得多。 因此，随着所考虑问题复杂性的增加，显式积分法得到重视。 对于显式与隐式有限元的理解 关键字: 有限元显式隐式 显式算法和隐式算法，有时也称为显式解法和隐式解法，是计算力学中常见的两个概念，但是它们并没有普遍认可的定义，下面只是我的一些个人理解。 一、两种算法的比较 1、显式算法 基于动力学方程，因此无需迭代；而静态隐式算法基于虚功原理，一般需要迭代计算。显式算法，最大优点是有较好的稳定性。 动态显式算法采用动力学方程的一些差分格式（如广泛使用的中心差分法、线性加速度法、Newmark法和wilson法等），不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，时间步长只要取的足够小，一般不存在收敛性问题。因此需要的内存也比隐式算法要少。并且数值计算过程可以很容易地进行并行计算，程序编制也相对简单。但显式算法要求质量矩阵为对角矩阵，而且只有在单元积分点计算尽可能少时速度优势才能发挥, 因而往往采用减缩积分方法，容易激发沙漏模式，影响应力和应变的计算精度。 静态显式法基于率形式的平衡方程组与Euler向前差分法，不需要迭代求解。由于平衡方程式仅在率形式上得到满足，所以得出的结果会慢慢偏离正确值。为了减少相关误差，必须每步使用很小的增量。 除了欧拉向前差分法外，其它的差分格式都是隐式的方法，需要求解线性方程组。 2、隐式算法 隐式算法中，在每一增量步内都需要对静态平衡方程进行迭代求解，并且每次迭代都需要求解大型的线性方程组，这以过程需要占用相当数量的计算资源、磁盘空间和内存。该算法中的增量步可以比较大，至少可以比显式算法大得多，但是实际运算中上要受到迭代次数及非线性程度的限制，需要取一个合理值。 二、求解时间 第二章习题（P69-70） 一、复习题 1．简述冯?诺依曼原理，冯?诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？ 答：冯?诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。这3条合称冯?诺依曼原理 冯?诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。 (P51-P54) 2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。 答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。 (P47-P48) 3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？ 答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。 (P55) 4．简述RISC技术的特点？ 答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点： (1) 精简指令系统。可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令; (2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种; (3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长; (4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。 (P57-58) 5．有人认为，RISC技术将全面替代CISC，这种观点是否正确，说明理由？ 答：不正确。与CISC 架构相比较，RISC计算机具备结构简单、易于设计和程序执行效率高的特点，但并不能认为RISC 架构就可以取代CISC 架构。事实上，RISC 和CISC 各有优势，CISC计算机功能丰富，指令执行更加灵活，这些时RISC计算机无法比拟的，当今时代，两者正在逐步融合，成为CPU设计的新趋势。 (P55-59) 6．什么是流水线技术？ 答：流水线技术，指的是允许一个机器周期内的计算机各处理步骤重叠进行。特别是，当执行一条指令时，可以读取下一条指令，也就意味着，在任何一个时刻可以有不止一条指令在“流水线”上，每条指令处在不同的执行阶段。这样，即便读取和执行每条指令的时间保持不变，而计算机的总的吞吐量提高了。 (P60-62) 7．多处理器结构包含哪几种主要的体系结构，分别有什么特点？ 答：多处理器系统：主要通过资源共享，让共享输入/输出子系统、数据库资源及共享或不共享存储的一组处理机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上相互作用，达到时间和空间上的异步并行。 SIMD计算机有多个处理单元，由单一的指令部件控制，按照同一指令流的要求为他们并行计算综述
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