Chương 1: Tìm hiểu lập trình song song, tính toán song song. Chương này giới thiệu một cách tổng quan về lập trình và tính toán song song như sự phân chia cấu trúc tính toán song song, các mô hình lập trình tính toán song song. Chương 2: Giới thiệu về thư viện mã nguồn mở OpenMP. Chương này sẽ đi sâu, nghiên cứu cấu trúc, các thành phần của thư viện mã nguồn mở OpenMP như các chỉ thị biên dịch, các hàm thư viện runtime và các biến môi trường.
Chương 3: Phát biểu, mô tả và cài đặt thực nghiệm bài toán tính giai thừa và bài toán tìm số nguyên tố có số chữ số lớn. Chương này sẽ đi vào mô tả, phân tích và cài đặt bài toán tính giai thừa của một số nguyên lớn và bài toán tìm số nguyên tố có số chữ số lớn theo cả hai hướng tuần tự và song song. Từ đó đưa ra sự so sánh, đối chiếu về mặt thời gian của hai bài toán theo hai hướng thực hiện. Kết luận: Nêu lên những vấn đề đã nghiên cứu và kết quả đạt được, những hạn chế, thiếu sót và phương hướng phát triển trong tương lai.
Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng CHƢƠNG 1: Tổng quan về lập trình song song, tính toán song song.1 Thế nào là lập trình, tính toán song song ? Tính toán song song là sự thực hiện một cách đồng thời hai hoặc nhiều phép toán, công việc vào một thời điểm, được thực hiện bởi các bộ xử lý khác nhau.2 Tại sao phải lập trình, tính toán song song ? Theo xu hướng phát triển của công nghệ thông tin, các bộ xử lý đa nhân, đa lõi (multiple processor) đang dần dần thay thế các bộ xử lý đơn lõi (single processor) tuy nhiên với lối lập trình truyền thống (lập trình tuần tự), các câu lệnh, các quá trình xử lý được thực hịên một cách lần lượt, tuần tự như vậy sẽ không phát huy hết công năng, hiệu năng của bộ vi xử lý đa nhân, đa lõi (multiple processor). Lập trình, tính toán song song ra đời như một lời giải cho yêu cầu, thách thức đặt ra là làm thế nào để phát huy công năng, hiệu năng của bộ đa xử lý (multiple processor). Trên thực tế, có rất nhiều bài toán với dữ liệu lớn, độ phức tạp tính toán cao mà đòi hỏi thời gian xử lý ngắn, độ chính xác cao. Vd: các bài toán liên quan tới xử lý ảnh, xử lý tín hiệu, dự báo thời tiết, mô phỏng giao thông, mô phỏng sự chuyển động của các phân tử, nguyên tử, mô phỏng bản đồ gen, các bài toán liên quan đến cơ sở dữ liệu và khai thác cơ sở dữ liệu.
với bộ xử lý đơn lõi thì khó có thể thực hiện và cho kết quả như mong muốn được. Lập trình, tính toán song song là lời giải đáp cho bài toán tăng hiệu năng xử lý đồng thời rút ngắn thời gian xử lý tính toán của người dùng.3 Sử dụng lập trình, tính toán song song để làm gì ? Phát huy công năng, hiệu năng của bộ xử lý đa nhân, đa lõi. Giải quyết một số bài toán lớn mà bộ xử lý đơn lõi (single processor) không thực hiện được Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng Tăng hiệu quả tính toán đồng thời giảm thời gian tính toán.4 So sánh lập trình tính toán tuần tự và lập trình tính toán song song. Lập trình tính toán tuần tự Lập trình tính toán song song Chương trình ứng dụng chạy trên bộ xử lý đơn (single Chương trình ứng dụng chạy processor).
trên hai hoặc nhiều bộ xử lý. Các chỉ thị lệnh được bộ xử lý Các chỉ thị lệnh được các bộ vi (CPU) thực hiện một cách lần xử lý thực hiện một cách song lượt, tuần tự. song, đồng thời. Mỗi chỉ thị lệnh chỉ thực thiện Mỗi chỉ thị lệnh có thể thao tác trên duy nhất một thành phần trên hai hoặc nhiều thành phần dữ liệu.
dữ liệu khác nhau. Lập trình viên chỉ cần đảm Ngoài việc đảm bảo viết đúng bảo viết đúng mã lệnh theo mã lệnh theo giải thuật, lập giải thuật chương trình là trình viên còn phải chỉ ra trong chương trình có thể dịch, chạy chương trình đoạn mã nào được và cho ra kết quả. thực hiện song song, đồng thời. Thường được áp dụng đối với Thường được áp dụng đối với các bài toán có dữ liệu nhỏ, độ các bài toán có dữ liệu lớn, độ phức tạp bình thường và thời phức tạp cao và thời gian ngắn.
gian cho phép. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng 1.2 Sự phân chia cấu trúc tính toán song song.1 Phân chia dựa trên quan hệ giữa chỉ thị lệnh và dữ liệu Dựa vào mối quan hệ giữa chỉ thị lệnh và dữ liệu chia làm các loại : Đơn chỉ thị lệnh, đa dữ liệu SIMD (Single Instruction, Multiple Data). Đa chỉ thị lệnh, đơn dữ liệu MISD (Multiple Instruction, Single Data). Đa chỉ thị lệnh, đa dữ liệu MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).1 Đơn chỉ thị lệnh, đa dữ liệu SIMD (Single Instruction, Multiple Data).1 Cấu trúc đơn chỉ thị lệnh, đa dữ liệu Là một loại của bộ xử lý song song.
Khi một chỉ thị phát ra, tất cả các quá trình xử lý được thực hiện. Mỗi quá trình xử lý sẽ thực hiện trên một thành phần dữ liệu khác nhau của cùng một cấu trúc dữ liệu. Được chia làm hai loại: Vector SIMD. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng 1.1 Vector SIMD Hình 1.2 Mô hình vector SIMD Một chỉ thị lệnh phát ra, nhiều thao tác bắt đầu cập nhật.
Chuẩn tuần tự thao tác, xử lý trên một thành phần dữ liệu, vector SIMD thao tác, xử lý trên vector, nhóm dữ liệu.3 Mô hình parallel SIMD Khi một chỉ thị lệnh phát ra, tất cả các bộ vi xử lý thực hiện thao tác trên các dữ liệu khác nhau. Các bộ xử lý chạy đồng bộ trên một nhịp của đồng hồ hệ thống. Người sử dụng không phải chịu trách nhiệm về vấn đề đồng bộ. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng 1.2 Đa chỉ thị lệnh, đơn dữ liệu MISD (Multiple Instruction, Single Data).4 Mô hình đa chỉ thị đơn dữ liệu Một dòng dữ liệu được cung cấp cho nhiều quá trình xử lý.
Mỗi quá trình xử lý sẽ thao tác trên dữ liệu một cách độc lập bằng chỉ thị lệnh khác nhau. Chuẩn này thường ít được sử dụng.3 Đa chỉ thị lệnh, đa dữ liệu MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).5 Mô hình đa chỉ thị, đa dữ liệu Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng Đây là cấu trúc phổ biến nhất của máy tính song song Cấu trúc này thực hiện dựa trên sự kết nối của nhiều bộ vi xử lý khác nhau. Mỗi bộ xử lý sẽ thực thi trên các chỉ thị lệnh khác nhau. Mỗi bộ xử lý sẽ thực hiện trên các dòng dữ liệu khác nhau.
Quá trình thực hiện có thể là đồng bộ hoặc không đồng bộ. Thuận lợi: Các bộ xử lý có thể thực hiện xử lý một cách đồng thời. Mỗi bộ xử lý thực hiện một cách độc lập mà không quan tâm tới bộ xử lý khác đang làm gì. Khó khăn: Khó khăn trong quá trình đồng bộ và cân bằng tải (Load banacing) Khó khăn cho thiết kế chương trình.2 Sự phân chia dựa trên mối quan hệ giữa bộ xử lý và bộ nhớ.
Dựa trên mối quan hệ giữa bộ xử lý và bộ nhớ được chia làm các loại : Dùng chung bộ nhớ (Shared Memory). Phân bổ bộ nhớ (Distributed Memory). Kết hợp cả hai (Hybrid Distributed – Shared Memory).1 Dùng chung bộ nhớ (Shared Memory). Dùng chung bộ nhớ (Shared memory) là tất cả các bộ xử lý đều có thể truy cập bộ nhớ và gọi là bộ nhớ toàn cục.
Các bộ xử lý có thể thao tác, hoạt động một cách độc lập nhưng dùng chung tài nguyên bộ nhớ. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng Sự thay đổi trong bộ nhớ của một bộ vi xử lý sẽ thông báo cho tất cả các bộ vi xử lý khác biết. Cấu trúc dùng chung bộ nhớ (Shared memory) được chia làm hai loại. Truy cập bộ nhớ đồng bộ (Uniform Memory Access).
Truy cập bộ nhớ không đồng bộ (Non Uniform Memory Access).1 Truy cập bộ nhớ đồng bộ (Uniform Memory Access).6 Mô hình truy cập bộ nhớ đồng bộ. Thường được gọi là SMP Có các bộ vi xử lý giống nhau. Bằng nhau về tốc độ truy cập bộ nhớ và thời gian truy cập bộ nhớ. Thỉnh thoảng còn được gọi là CC – UMA (Cache Coherent UMA).
CC – UMA nghĩa là nếu một vi xử lý cập nhật vị trí trong bộ nhớ dùng chung thì tất cả các bộ vi xử lý khác sẽ biết được thông tin cập nhật. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng 1.2 Truy cập bộ nhớ không đồng bộ (Non Uniform Memory Access) Hình 1.7 Mô hình truy cập bộ nhớ không đồng bộ. Thường là sự kết nối mạng của hai hay nhiều SMP Mỗi SMP không thể truy cập trực tiếp bộ nhớ từ các SMP khác. Không phải tất cả các bộ xử ký đều có thời gian truy cập tất cả bộ nhớ dùng chung như nhau.
Sự truy cập bộ nhớ thông qua kết nối sẽ chậm hơn. Các SMP trao đổi thông qua truyền và nhận thông điệp (Message Passing).2 Phân bổ bộ nhớ (Distributed Memory).8 Mô hình phân bổ bộ nhớ. Phạm Hải Hưng - Lớp CT902 Trang 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt nghiệp Tìm hiểu OpenMP và ứng dụng Phân bổ bộ nhớ (Distributed Memoy) là sự kết nối mạng nhiều bộ nhớ của các bộ vi xử lý.