一种多处理器并行计算机系统的设计
非冯·诺依曼式计算机的体系结构
非冯·诺依曼式计算机体系结构指的是不同于冯·诺依曼计算机体系结构的计算机系统设计。
以下是一些常见的非冯·诺依曼式计算机体系结构：
新型存储器层次结构体系结构：这种体系结构包括存储器层次结构的新形式，例如存储器堆栈体系结构和存储器多通道体系结构。
数据流体系结构：这种体系结构中，指令并不严格按照程序顺序执行，而是根据数据的可用性和依赖关系进行执行，从而提高了性能。
模拟计算机体系结构：这种体系结构利用物理模型来执行计算任务，例如电子电路仿真器。
并行计算机体系结构：这种体系结构将多个处理器连接在一起，以同时执行多个任务，例如多处理器体系结构和计算机集群。
量子计算机体系结构：这种体系结构利用量子力学原理来执行计算任务，例如量子比特计算机。
这些非冯·诺依曼式计算机体系结构在不同的场景下都有其独特的优势和应用。
计算机系统的可扩展性设计
计算机系统的可扩展性设计计算机系统的可扩展性设计是指对计算机系统进行设计和组织，以便在需要扩展功能或容量时，能够方便地进行扩展和升级。
随着科技的发展和计算机应用的不断深入，计算机系统的性能要求也越来越高，因此可扩展性设计变得尤为重要。
本文将从硬件和软件两个方面，探讨计算机系统的可扩展性设计。
一、硬件方面的可扩展性设计在计算机系统的硬件方面，可扩展性设计主要涉及到以下几个方面：1. 处理器设计：处理器是计算机系统的核心组件之一，对于处理器的可扩展性设计，主要包括增加处理器核心数目、提高处理器内部总线的带宽和改进指令流水线技术等。
通过增加处理器核心数目，可以提高计算机系统的并行计算能力，同时提高处理器内部总线的带宽可以提高数据传输速度，改进指令流水线技术可以提高指令的执行效率。
2. 存储器设计：存储器是计算机系统中存储数据和程序的主要设备，对于存储器的可扩展性设计，主要包括增加存储容量、提高存取速度和改进缓存技术等。
通过增加存储容量，可以满足大规模数据存储的需求，提高存取速度可以提高数据的读写效率，改进缓存技术可以提高数据的命中率，减少对主存的访问次数，从而提高计算机系统的性能。
3. 总线设计：总线是计算机系统中各个硬件设备之间通信传输数据的纽带，对于总线的可扩展性设计，主要包括提高总线的带宽、增加总线的连接数和改进总线协议等。
提高总线的带宽可以提高数据传输的速度，增加总线的连接数可以扩展更多的硬件设备，改进总线协议可以提高通信的效率和可靠性。
二、软件方面的可扩展性设计在计算机系统的软件方面，可扩展性设计主要涉及到以下几个方面：1. 操作系统设计：操作系统是计算机系统的核心软件，对于操作系统的可扩展性设计，主要包括提供良好的进程管理和资源分配机制、支持多核处理器的并行计算和优化调度算法等。
通过提供良好的进程管理和资源分配机制，可以合理分配计算机系统的资源，提高系统的利用率，支持多核处理器的并行计算可以充分发挥硬件的性能优势，优化调度算法可以提高系统的响应速度和任务处理效率。
基于多核的OpenMp并行程序设计
基 于 多核 的Ｏ ｐ ｅｎＭｐ并 行 程 序 设 计
彭 曦 顾炳根 李展 涛 （桂林理工大学 信 息科 学与工程 学院 广西 桂林 ５４１００４）
摘 要 ： 介绍 多核计算 的出现和 一种面 向共享存储 器的 多处理器 多线程并行 编程语 言ＯｐｅｎＭｐ，然后再 以一个 实例来说 ＂￣ＯｐｅｎＭｐ在多核 下如何进 行并行程 序设 计，通过计算 加速 比说 明使用ＯｐｅｎＭｐ编程后程序 执行效率得 到显著提 高
ＯｐｅｎＭＰ是 一种 面 向共 享存 储器 的多处 理器 多 线程 并行 编程 语 言 ，线 程 间通 过共 享变 量传 递数 据结 果 。ＯｐｅｎＭＰ标 准形 成 于１９９７年 ，它 是一 种ＡＰＩ， 用于 编 写可 移植 的 多线 程应 用 程序 。ＯｐｅｎＭＰ程 序 设计 模 型提 供 了一 组 与平 台无 关 的编 译指 令 、指 导命 令 、 函数 调用 和环 境变 量 ，可 以显 式地 指 导编 译器 如何 以及何 时利 用 应用 程 序 中的 并行 性 。ＯｐｅｎＭＰ通 过对 原有 的 串行 代 码 插 入 一 些 指 导 性 的注 释 ，并 进 行必 要 的修 改 ，可 以 快 速 的 实现 并 行 编 程 ，而 这些 注释 的解 析 由编译 器所 完成 。 目前 ，Ｃ，ｃ＋＋，Ｆｏｒｔｒａｎ语 言都 支 持ＯｐｅｎＭｐ，所 有ＯｐｅｎＭｐ的并 行化 都 是通 过使用 嵌 入到ｃ，ｃ＋＋或 Ｆｏｒｔｒａｎ源 代 码 中 的编 译制 导语 句来 达到 的 。
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ—ｂｌｏｃｋ
ＯｐｅｎＭＰ的所有 编 译指 导 语句 以＃ｐｒａｇｍａ ｏｍｐ开 始 ，其 中ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ部分 就 包 含 Ｏｐｅｎｌｌｅｌ ｆｏｒ、
ｓｅｃｔｉｏｎ、 ｓｅｃｔｉｏｎｓ、 ｓｉｎｇｌｅ、 ｍａｓｔｅｒ、 ｃｒｉｔｉｃａｌ、 ｆｌｕｓｈ、 ｏｒｄｅｒｅｄ，
并行不悖名词解释
并行不悖名词解释什么是并行不悖？并行不悖（Parallelism）是一个计算机科学的概念，指的是同时执行多个操作，使得任务可以更快地完成。
并行不悖的一种实现方式是使用多个处理器或计算机核心（cores）来同时处理多个任务或多个部分。
在计算机领域，常见的使用并行不悖的场景包括高性能计算（High-Performance Computing，HPC）、数据处理与分析、图形渲染、机器学习等领域。
并行不悖的优势并行不悖可以提升计算机系统的性能和效率。
相比于串行执行（Sequential Execution），并行不悖可以将任务划分成多个独立的子任务，分配到不同的处理器或计算机核心上同时执行。
这样做可以减少总体的执行时间，提高效率。
并行不悖还可以充分利用计算机系统的资源。
在多处理器系统中，每个处理器可以同时执行一个任务，因此可以同时处理更多的任务或更大的数据集。
这样一来，系统的整体吞吐量会得到提升，可以更好地满足对计算能力要求较高的应用程序的需求。
并行不悖还能够提高系统的可靠性和容错性。
在并行执行的过程中，每个处理器或计算机核心都是相对独立的。
如果其中某个处理器出现故障或错误，其他处理器还可以继续执行任务，保证整个系统的正常运行。
这种容错性可以在关键任务或高可靠性要求的系统中发挥重要作用。
并行不悖的实现方式并行不悖的实现方式有很多种。
常见的实现方式包括以下几种：1.任务并行（Task Parallelism）：将一个大任务划分成多个小任务，每个小任务由不同的处理器或计算机核心独立执行，最后将各个小任务的结果合并得到最终结果。
任务并行适用于任务之间相对独立的场景，如批量数据处理、图形渲染等。
2.数据并行（Data Parallelism）：将一个大数据集划分成多个小的数据子集，每个子集由不同的处理器或计算机核心独立处理，最后将各个子集的处理结果合并得到最终结果。
数据并行适用于对大数据集进行并行处理的场景，如机器学习中的分布式训练。
异构计算系统的优化与应用
异构计算系统的优化与应用随着科技的迅速发展，人们对计算能力的需求越来越大。
传统的计算机系统虽然速度和容量不断提高，但它们面临着瓶颈。
此时，一个新兴的技术异构计算系统应运而生。
异构计算系统利用不同类型的处理器构成计算节点，可以更好地利用计算单元，以提高计算性能。
本文将介绍异构计算系统的优化与应用。
一、异构计算系统异构计算系统是由不同种类的处理器组成的系统，它们可以同时处理不同类型的数据。
异构计算系统的核心思想是将不同种类的处理器组成异构节点，通过互相协作并行处理数据，以达到优化计算性能的效果。
异构计算系统的节点可以是中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、数字信号处理器（DSP）或其他类型的处理器。
传统的计算机系统主要使用CPU进行计算处理，但CPU的处理速度受到了各种因素的限制，如热量、封闭性和架构。
与CPU相比，GPU具有更高的并行处理能力。
GPU通常使用SIMD(Single Instruction, Multiple Data)架构和更高的时钟速度，以处理更大的数据集和更复杂的算法。
由此可见，GPU与CPU的相互补充和协作使得异构计算系统的性能得到了很大的提升。
二、优化异构计算系统异构计算系统在提高计算性能的同时，也带来了一些挑战。
这些挑战包括计算节点之间的数据通信、计算节点选择、仿真和编程等。
为了充分利用异构计算系统的计算能力，各种技术被开发出来，以优化这种系统的性能。
这些优化技术包括：1.任务分割和调度异构计算系统具有不同类型的处理器和内存层次结构。
在此基础上，将计算任务分割成更小的子任务，以利用系统中的每个处理器和内存层次结构。
最佳的任务分割和调度算法可以提高整个系统的各种性能，如计算效率、内存使用率和通信效率等。
这些算法通常基于任务或数据特征、节点资源状况和中断统计等参数来推断最佳的调度策略。
2.内存分层和管理异构计算系统的内存分层可以使数据存储的位置匹配不同处理器和其访问机制。
并行处理与体系结构
哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院
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其特点： 它有一个开放的体系结构以及与系统其他
部分衔接的标准接口。 它是市售产品，若它不具有版权则更好。 它有多家供应商，在公开市场大批量供应。 它相对成熟，已为许多人使用相当长时间，
且已完成必要的排错。
有效地利用更大并行性，即如何为扩大 的系统进行编程。
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（2）资源扩展
增加处理器数不是唯一方式。
保持处理器数不变；
通过增加更多存储容量、更大的芯 片外高速缓存以及更大容量磁盘等 方法来扩展系统。
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例题：IBM SP2中的存储器需求
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POE特点：
支持一个并行程序无需任何修改就能在 由RS6000结点机构成的任何网络中运行
结点可以是一个低端PowerPC工作站，可 以是一个高端SP2宽结点。
这些结点能由任何普通互联网络，从慢 速以太网到SP2的高性能开关(HPS)，加 以连接。
MPI基于4个相互正交的主要概念：
数据类型 通信操作 通信子 虚拟拓扑
4者的任何组合均是有效的。
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完全的独立起到了事半功倍效果：
少数简单概念，组合在一起时能提供许 多功能。
为较早期的超立方体计算机而开发的许 多并行算法显式地使用超立方体的互连 拓扑，但在网络连接系统中，它们并不 适用。
体系结构的拥有者(通常是供应商)允许 用户或第3方了解体系结构；
用户可自己制造与体系结构兼容的组件， 甚至修改或重新加以设计；
超级计算机的原理和架构
超级计算机的原理和架构超级计算机，又称为高性能计算机，是一种用于处理大量数据和计算复杂任务的计算机系统。
它具有极速的计算能力、高度的系统可靠性和部件容错性以及优异的性能表现，被广泛应用于科学、工程、医学研究，天气预报，金融分析等领域。
超级计算机的原理和架构是怎样的呢？本文将从硬件和软件两个方面着手，逐一简要介绍。
一、硬件架构超级计算机的硬件架构与一般的计算机不同，为了保证其高效率和高可靠性，超级计算机采用了以下特殊的硬件架构：1.并行架构并行处理是超级计算机的主要特点之一。
它采用多处理器系统，将任务分成若干个小部分，由多个处理器并行处理。
这种方式大大提升了计算效率。
超级计算机的核心部分是由成千上万个处理器和大量的存储器组成的，可以同时执行多个任务。
2.存储系统存储系统是超级计算机的核心部分之一。
传统的存储器由CPU 和存储媒介组成，超级计算机的存储系统则采用了分布式存储、高速缓存等多种技术。
超级计算机的存储器容量很大，以满足海量数据的需求。
3.互连网络超级计算机中的处理器和存储器构成一个巨大的网络，这个网络被称为互连网络。
互连网络采用高速公共总线、高速交换机等架构，以达到高带宽、低延迟、高吞吐量的数据传输。
二、软件架构超级计算机的软件架构是由操作系统和应用软件组成的。
在超级计算机上运行的应用程序与普通计算机是完全不同的，需要特殊的软件支持。
超级计算机采用了以下几种软件架构：1.操作系统超级计算机的操作系统是一个特殊的操作系统，它必须支持并行处理，并能在高速互连网络下提供高效传输服务。
同时，操作系统还必须能够有效管理大规模的任务和资源，保证高可靠性和高可用性。
2.应用软件超级计算机上运行的应用程序通常是科学计算、工程仿真等任务型应用。
这些应用程序通常需要十分严密的算法和数值计算，因此需要特殊的高性能计算库和数值分析库支持。
此外，应用程序还需要与计算机的硬件架构相适配，才能达到最优性能。
3.文件系统文件系统是超级计算机的重要组成部分。
并行计算的三种形式
并行计算的三种形式
随着计算机技术的发展和进步，计算任务的复杂度和数据规模不
断地增加，单台计算机无法满足高性能计算的需求，因此人们开始研
究并行计算。
并行计算是指多个计算任务在同一时间内同时进行的计
算方式，可以大幅提高计算效率和速度。
大体上有以下三种形式：
1. 分布式计算
分布式计算是指将一台大型计算机的计算工作分配给多台计算机
进行处理，让每个节点计算一部分数据。
多台计算机之间通过网络进
行通信和协同工作，最终将各自计算的结果进行合并得到最终结果。
这种形式的并行计算主要应用于分布式系统、云计算和大数据处理等
计算密集型任务。
2. 多核并行计算
多核并行计算是指将一台计算机上的多个核心同时运行同一程序，每个核心按照一定的分配规则处理不同的数据，最终得到全部结果。
这种形式的并行计算主要应用于计算密集型任务，例如图像处理、模
拟和物理计算等。
3. GPU并行计算
GPU并行计算是指利用图形处理器（GPU）对计算任务进行并行处理，使用GPU加速器进行高性能计算。
GPU并行计算主要应用于动画渲染、计算流体动力学（CFD）、加密和解密等计算密集型任务。
总之，并行计算已经被广泛应用于各个领域和行业，它提高了计算效率、降低了计算成本，并加速了科学技术的进步。
未来，随着技术的不断发展，相信并行计算将在更多的领域发挥更大的作用。
为了实现更好的并行计算，需要对并行计算技术进行深入的研究和探索。
计算机体系结构并行计算基础知识
计算机体系结构并行计算基础知识计算机体系结构是计算机硬件和软件的结构和组织方式。
而并行计算指的是在计算机中同时执行多个任务或指令的能力。
在本文中，我们将探讨计算机体系结构中的并行计算的基础知识。
一、并行计算的概念和原理并行计算是指同时使用多个处理器或计算单元来执行任务或指令。
与串行计算相比，它能够加快计算速度，提高系统的整体性能。
并行计算的原理是将一个大任务或指令分解成多个小任务或指令，并利用多个处理器或计算单元同时执行这些小任务或指令。
这样可以充分利用计算资源，提高系统的运行效率。
二、并行计算的分类并行计算可以按照不同的标准进行分类。
下面是几种常见的分类方式：1.按照并行计算的粒度，可以分为指令级并行、线程级并行、过程级并行、任务级并行等。
指令级并行是指同时执行多条指令，线程级并行是指同时执行多个线程，过程级并行是指同时执行多个独立的过程，任务级并行是指将一个大任务分解成多个小任务，并同时执行这些小任务。
2.按照并行计算的结构，可以分为共享内存并行计算和分布式并行计算。
共享内存并行计算是指多个处理器共享同一块内存，分布式并行计算是指每个处理器都有自己的内存，通过网络进行通信和协调。
3.按照并行计算的拓扑结构，可以分为串行结构、对称多处理结构、集群结构等。
串行结构是指只有一个处理器的结构，对称多处理结构是指多个处理器之间没有主从关系，集群结构是指多个处理器通过网络连接起来，具有主从关系。
三、并行计算的优势和应用并行计算具有以下优势：1.提高计算速度：通过同时执行多个任务或指令，可以加快计算速度，提高系统的整体性能。
2.提高系统的可靠性：当一个处理器出现故障时，其他处理器可以继续工作，保证系统的正常运行。
3.节省成本：通过并行计算，可以充分利用计算资源，减少计算机的数量和成本。
并行计算的应用非常广泛，包括科学计算、人工智能、图像处理、数据挖掘等领域。
在科学计算中，通过并行计算可以加快模拟和分析的速度；在人工智能中，通过并行计算可以提高机器学习和深度学习的效率；在图像处理和数据挖掘中，通过并行计算可以快速处理大量的数据。
并行计算与分布式算法设计
并行计算与分布式算法设计在信息技术的快速发展下，大规模数据的处理需求越来越高，传统的串行计算已经无法满足需求。
与此同时，分布式系统也不断发展壮大，由此产生了并行计算与分布式算法设计这个重要领域。
本文将介绍并行计算的概念、分布式算法设计的原则以及两者在实际应用中的案例。
一、并行计算的概念并行计算是指同时使用多个处理器或者计算机来解决一个问题的计算过程。
其基本思想是将一个大任务分解为多个小任务，每个处理器或计算机分别处理一个小任务，最后将结果进行合并。
并行计算的好处在于能够显著减少计算时间，提高计算效率。
在并行计算中，需要考虑的要素有任务的划分、任务之间的通信以及任务调度等。
任务划分是指将大任务划分为多个小任务，通信是指多个处理器或计算机之间传递数据和消息，调度则是决定每个处理器或计算机处理哪个任务的过程。
二、分布式算法设计的原则分布式算法设计是针对分布式系统环境下的算法设计与优化。
在设计分布式算法时，需要遵循以下原则：1. 分解：将问题分解为多个子问题，使各个子问题具有独立性；2. 合并：将子问题的解合并为原问题的解；3. 均衡：保证各个处理节点的负载均衡，避免出现单点延迟；4. 通信：设计高效的通信机制，减少通信开销；5. 容错：考虑系统中可能出现的故障情况，设计容错机制提高系统的稳定性和可靠性。
在进行分布式算法设计时，需要综合考虑以上原则，根据具体的应用场景灵活选择算法模型和数据结构。
三、并行计算与分布式算法设计的实际应用并行计算与分布式算法设计在现代科学与工程领域有着广泛的应用，下面将介绍几个实际案例：1. 图像处理图像处理是一个非常适合并行计算与分布式算法设计的领域。
在大规模图像处理中，可以将图像分割成多个小块，然后分配给不同的处理单元进行并行处理。
处理完毕后，再将各个小块合并得到最终结果。
这样可以大大提高图像处理的速度。
2. 数据挖掘数据挖掘是从大规模数据集中提取有用信息的过程，对计算资源需求较高。
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一种多处理器并行计算机系统的设计
1 引言
在信息技术高速发展的今天，对于计算机的使用可以说无处不在。特别是
在军工领域，计算机充当了军事控制和数据处理的核心，人们对计算机的性能
要求也越来越高。一些特殊领域，如雷达、导航等对计算机的处理速度、实时
性的要求不断提高。人们采用了多种方法来解决这些不断增长的技术指标要求，
本文介绍的多处理器并行计算机的软硬件设计，是采用多个 CPU 进行并行数
据处理的方法来提高单板的运算性能。
2 多处理器并行计算机系统的硬件设计
多处理器并行计算机系统是属于并行结构的系统模型，每一个处理器都需
要具有自己局部存储器，以存储自己的应用程序并能够独立高速并行计算；同
时，该系统需要具有高速通信的互连网络，可以把并行数据块高速分布在各个
处理器的局部存储器中，以提高并行系统的效率。该计算机结构设计可以采用
共享存储器（双端口 RAM）互连的松耦合不对称处理器配置。系统结构如图
1 所示，图中的各个处理器都具有自己的高速局部存储器，可高速独立的并行
进行计算，各个处理器之间由双端口存储器互连组成高速星型通信网络，由于
双端口存储器具有很高的通信速率，灵活的通信协议建立方式，因此双端口存
储器互连的松耦合多 CPU 并行计算机具有如下优点： ⑴ 通信带宽宽。CPU
访问双端口存储器可以采用字节/字/双字长度进行，数据读/写速度高。 ⑵ 结
构简单。处理器和双端口存储器直接相连，不需要其它接口电路，可实现可靠
的双向信息传送。 ⑶ 具有可剪裁性。根据需要可增加或减少处理器数量。
⑷ 扩展性强。该系统结构可适合各种处理器。
图 1 所示的多个处理器的计算机模型中，CPU 可以采用 Intel x86 系列、