本文關鍵詞：一種平臺無關的并行編程模型的設計與實現

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【摘要】：并行計算機體系結構的發(fā)展,帶來了并行計算機性能的快速提升和并行計算平臺的多樣化,同時也對研究和應用人員提出挑戰(zhàn)：(1)如何降低并行編程難度,使不具有并行計算知識背景的用戶能夠快速有效的開發(fā)并行程序,充分發(fā)揮并行計算機在不同應用領域的計算能力；(2)如何使現有的大量串行程序以一種穩(wěn)健可靠的、非顛覆式的方式并行化；(3)如何使并行編程不依賴于硬件平臺,當底層計算平臺發(fā)生變化時仍可以有效運行。目前,設計合理有效的并行編程模型是解決多種并行程序開發(fā)難題的主要手段。 本文設計并實現了一種基于并行函數庫的并行編程模型。編程模型的設計思路和方法為：(1)為簡化并行編程,支持串行軟件的非顛覆式并行化,以并行函數庫的方式隱藏底層并行化細節(jié),并提供與傳統(tǒng)串行編程相似的編程接口。用戶依照傳統(tǒng)串行軟件的開發(fā)邏輯,通過API調用即可開發(fā)并行程序。(2)為實現并行編程的平臺無關性,將平臺相關的并行函數庫向上封裝為統(tǒng)一的API接口,用戶通過調用平臺無關接口開發(fā)并行程序,程序可無修改地運行于多種計算平臺。(3)為提高程序性能,提供任務調度和數據分配功能,使系統(tǒng)在處理較為復雜的多任務計算問題時,仍能達到較好的負載均衡和較低的并行開銷。(4)在系統(tǒng)可擴展性方面,具備功能可擴展性和計算平臺可擴展性。功能可擴展是指可擴展應用函數庫和運行時函數庫,可針對具體應用領域開發(fā)專業(yè)型編程模型；計算平臺可擴展是指可以支持新的底層計算平臺。本文利用矩陣乘法算法和頻率統(tǒng)計算法設計了三組實驗,分別驗證編程模型的平臺無關性,多任務調度系統(tǒng)的有效性,并測試了編程模型對程序性能的影響。實驗表明該編程模型能夠有效簡化并行程序開發(fā),基于該編程模型的程序可在多種計算平臺上有效地編譯運行；系統(tǒng)的任務調度功能能夠提高多任務計算問題的總體性能；編程框架可能會造成一定的開銷,但不影響程序的總體性能。 本文在編程模型原型系統(tǒng)的基礎上擴展和設計了面向遙感圖像處理的并行編程模型。擴展的并行編程模型保留了原型系統(tǒng)的易用性和平臺無關性,擴展了適合遙感數據特點的數據結構,增加了地理空間數據格式支持庫,并且根據遙感圖像處理算法的特點對函數庫做分層設計,最大限度地減少代碼冗余。通過在擴展的并行編程模型上進行遙感圖像非監(jiān)督分類的實驗,驗證了該編程模型的有效性。
【關鍵詞】：并行計算 并行編程模型 平臺無關性 遙感圖像處理
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP338.6;TP311.11
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目錄9-12
• 表格12-13
• 插圖13-14
• 第一章 緒論14-26
• 1.1 研究背景14-16
• 1.1.1 并行計算的發(fā)展14-16
• 1.1.2 并行程序設計面臨的挑戰(zhàn)16
• 1.2 并行編程模型的概念和研究現狀16-22
• 1.2.1 并行編程模型的概念16-18
• 1.2.2 主流并行編程模型介紹18-21
• 1.2.3 并行編程模型的研究現狀21-22
• 1.3 本文研究內容22-24
• 1.3.1 平臺無關的并行編程模型設計22-24
• 1.3.2 并行編程模型在遙感圖像處理中的應用24
• 1.4 論文組織結構24-26
• 第二章 相關并行編程模型介紹26-40
• 2.1 OpenMP并行編程模型26-31
• 2.1.1 共享變量并行模型26
• 2.1.2 OpenMP編程模型26-28
• 2.1.3 OpenMP程序結構28-31
• 2.2 MPI并行編程模型31-33
• 2.2.1 消息傳遞模型31
• 2.2.2 MPI概述31-32
• 2.2.3 MPI程序結構32-33
• 2.3 CUDA并行編程模型33-38
• 2.3.1 CUDA編程模型33-36
• 2.3.2 CUDA硬件架構36
• 2.3.3 CUDA程序結構36-38
• 2.4 本章小結38-40
• 第三章 跨平臺并行編程模型的設計與實現40-60
• 3.1 背景分析40-42
• 3.1.1 傳統(tǒng)并行編程模型的局限性40-41
• 3.1.2 基于并行函數庫的編程模型41-42
• 3.2 設計原則42-43
• 3.3 并行編程模型設計與實現43-47
• 3.3.1 編程模型的系統(tǒng)結構43-46
• 3.3.2 編程模型的運行時庫46
• 3.3.3 編程模型的數據結構46-47
• 3.3.4 混合編程支持47
• 3.4 運行時調度系統(tǒng)47-53
• 3.4.1 任務調度48-51
• 3.4.2 數據調度51-52
• 3.4.3 小結52-53
• 3.5 實驗驗證53-58
• 3.5.1 平臺無關性實驗驗證53-54
• 3.5.2 任務調度系統(tǒng)實驗驗證54-56
• 3.5.3 系統(tǒng)性能測試56-58
• 3.6 本章小結58-60
• 第四章 并行編程模型在遙感圖像處理中的應用60-72
• 4.1 研究背景60-63
• 4.1.1 遙感圖像處理的并行化趨勢60-62
• 4.1.2 遙感圖像處理并行編程的研究現狀62-63
• 4.2 并行編程模型的擴展設計63-66
• 4.2.1 編程模型的應用優(yōu)勢與擴展思路63-64
• 4.2.2 并行函數庫的擴展設計64-65
• 4.2.3 其他擴展65-66
• 4.3 實驗驗證66-69
• 4.4 本章小結69-72
• 第五章 總結與展望72-76
• 5.1 工作總結72-73
• 5.2 存在問題與展望73-76
• 參考文獻76-80
• 致謝80-82
• 在讀期間參加的科研項目82-84
• 在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的研究成果84

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本文編號：671810