Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM
HUỲNH BÁ THANH TÙNG - 0112079
TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ
THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN
LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ
KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. TRẦN ĐAN THƯ
Th.S NGUYỄN THANH SƠN
NIÊN KHÓA 2001-2005
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
- LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy Trần Đan
Thư và thầy Nguyễn Thanh Sơn, hai thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng
em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Chúng con xin gửi tất cả lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến ông
bà, cha mẹ, cùng toàn thể gia đình, những người đã nuôi dạy chúng con trưởng
thành đến ngày hôm nay.
Chúng em cũng xin chân thành cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công
nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình
giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt
luận văn này.
Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình
của các anh chị và tất cả các bạn, những người đã giúp chúng tôi có đủ nghị lực
và ý chí để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không khỏi những
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của
quý Thầy Cô và các bạn.
TP.HCM, 7/2005
Nhóm sinh viên thực hiện
Huỳnh Bá Thanh Tùng - Trần Việt Cường
- LỜI NÓI ĐẦU
Nhân lọai ngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành
Công nghệ Thông tin, một trong những ngành mũi nhọn của nhiều quốc gia
trên thế giới. Sự phát triển vượt bậc của nó là kết quả tất yếu của sự phát triển
kèm theo các thiết bị phần cứng cũng như phần mềm tiện ích.
Sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều các ngành khác phát triền theo,
trong đó có lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy công nghệ ngày càng phát triển,
tốc độ xử lý của các thiết bị cũng không ngừng tăng cao, nhưng nhu cầu tính
toán của con người vẫn còn rất lớn. Cho đến hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề
mà các nhà khoa học cùng với khả năng tính toán của các máy tính hiện nay
vẫn chưa giải quyết được hay giải quyết được nhưng với thời gian rất lớn.
Các vấn đề đó có thể là :
• Mô hình hóa và giả lập
• Xử lý thao tác trên các dữ liệu rất lớn
• Các vấn đề “grand challenge” (là các vấn đề không thể giải quyết
trong thời gian hợp lý)
Lời giải cho những vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ siêu
máy tính. Tuy nhiên việc đầu tư phát triển cho các thiết bị này gần như là điều
quá khó khăn đối với nhiều người, tổ chức, trường học…. Chính vì lẽ đó mà
ngày nay người ta đang tập trung nghiên cứu cách cách sử dụng các tài nguyên
phân bố một cách hợp lý để tận dụng được khả năng tính toán của các máy tính
đơn. Những giải pháp này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như meta-
computing, salable-computing, global- computing, internet computing và gần
nhất hiện nay là peer to peer computing hay Grid computing.
Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng của các máy tính trên toàn
mạng thành một máy tính “ảo” duy nhất, nhằm hợp nhất tài nguyên tính toán ở
nhiều nơi trên thế giới để tạo ra một khả năng tính toán khổng lồ, góp phần giải
- quyết các vấn đề khó khăn trong khoa học và công nghệ. Ngày nay nó đang
càng được sự hỗ trợ mạnh hơn của các thiết bị phần cứng, băng thông…
Grid Computing có khả năng chia sẻ, chọn lựa, và thu gom một số lượng
lớn những tài nguyên khác nhau bao gồm những siêu máy tính, các hệ thống
lưu trữ, cùng với những nguồn dữ liệu, các thiết bị đặt biệt… Những tài nguyên
này được phân bố ở các vùng địa lý khác nhau và thuộc về các tổ chức khác
nhau.
Nhận thấy được nhu cầu phát triển ấy, nhóm chúng em đã quyết định
chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một
số thuật toán lý thuyết đồ thị”
Mục tiêu của đề tài đề ra là tìm hiểu về tính toán lưới, và qua đó tận
dụng các kiến thức có được để có thể cài đặt một số thuật toán lý thuyết đồ thị,
nhằm có thể giải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn…
Các nội dung chính:
• Nghiên cứu tính toán lưới
- • Tìm hiểu các môi trường hỗ trợ
• Tìm hiểu lập trinh song song và phân tán
• Cài đặt một số thuật toán với kiến thức có được
Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương :
Chương 1. Giới thiệu : Giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, khái
niệm lịch sử phát triển.
Chương 2. Tính toán song song và phân bố : Trình bày về các kiến
trúc, mô hình xử lý song song và phân bố, cách thức xây dựng chương trình,
thiết kế thuật toán…
Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới : Tìm hiểu về các
môi trường đang được sử dụng và nghiên cứu hiện nay trên thế giới.
Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI : Mô hình cụ
thể được dùng để phát triển ứng dụng MPI.
Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị : Cách thức
xây dựng chương trình , các khái niệm lý thuyết, thực nghiệm thực tế …
Chương 6. Tổng kết : Nêu các kết quả đã đạt được, một số vấn đề còn
tồn tại, định hướng mục tiêu mở rộng phát triển đề tài trong tương lai.
- Mục lục
Danh sách hình ..................................................................................................... 11
Chương 1. Giới thiệu ........................................................................................... 13
1.1. Các khái niệm.......................................................................................... 13
1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới ................................................. 16
Chương 2. Tính toán song song và phân bố ...................................................... 17
2.1. Khái niệm ................................................................................................ 17
2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố ............................................... 18
2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố ..............................................18
2.2.2. Tổ chức vật lý của các nền tảng song song và phân bố ....................25
2.3. Một số mô hình lập trình song song thông dụng..................................... 26
2.3.1. Mô hình chia sẽ không gian bộ nhớ ..................................................26
2.3.2. Mô hình truyền thông điệp ...............................................................27
2.4. Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố ................ 29
2.4.1. Các thuật ngữ căn bản.......................................................................29
2.4.2. Thiết kế thuật toán song song ...........................................................31
2.4.3. Một số phương pháp tối ưu...............................................................43
2.4.4. Các mô hình thuật toán song song....................................................48
Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới ............................................. 52
3.1. Giới thiệu................................................................................................. 52
3.2. Các vấn đề khi lập trình luới ................................................................... 53
3.2.1. Tính mang chuyển, tính khả thi và khả năng thích ứng....................53
3.2.2. Khả năng phát hiện tài nguyên .........................................................54
3.2.3. Hiệu năng..........................................................................................54
3.2.4. Dung lỗi ............................................................................................55
3.2.5. Bảo mật .............................................................................................55
3.2.6. Các siêu mô hình...............................................................................55
3.3. Tổng quát về các môi trường hỗ trợ ........................................................ 56
3.3.1. Một số môi trường Grid....................................................................56
3.3.2. Những mô hình lập trình và công cụ hỗ trợ ......................................59
3.3.3. Môi trường cài đặt ............................................................................64
- 3.4. Những kỹ thuật nâng cao hỗ trợ lập trình ............................................... 75
3.4.1. Các kỹ thuật truyền thống.................................................................76
3.4.2. Các kỹ thuật hướng dữ liệu...............................................................76
3.4.3. Các kỹ thuật suy đoán và tối ưu........................................................77
3.4.4. Các kỹ thuật phân tán........................................................................77
3.4.5. Nhập xuất hướng Grid ......................................................................78
3.4.6. Các dịch vụ giao tiếp cấp cao ...........................................................78
3.4.7. Bảo mật .............................................................................................80
3.4.8. Dung lỗi ............................................................................................80
3.4.9. Các siêu mô hình và hệ thống thời gian thực hướng Grid................82
3.5. Tóm tắt .................................................................................................... 83
Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI ................................... 85
4.1. Các khái niệm cơ bản .............................................................................. 86
4.2. Cấu trúc chương trình MPI ..................................................................... 89
4.3. Trao đổi thông tin điểm-điểm ................................................................. 90
4.3.1. Các thông tin của thông điệp ............................................................90
4.3.2. Các hình thức truyền thông...............................................................91
4.3.3. Giao tiếp blocking.............................................................................92
4.3.4. Giao tiếp non-blocking .....................................................................96
4.4. Trao đổi thông tin tập hợp..................................................................... 101
4.4.1. Đồng bộ hóa....................................................................................101
4.4.2. Di dời dữ liệu trong nhóm ..............................................................101
4.4.3. Tính toán gộp ..................................................................................105
4.5. Các kiểu dữ liệu..................................................................................... 109
4.5.1. Những kiểu dữ liệu đã được định nghĩa .........................................109
4.5.2. Các kiểu dữ liệu bổ sung.................................................................110
4.5.3. Pack và UnPack ..............................................................................113
Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị ................................. 114
5.1. Các khái niệm cơ bản ............................................................................ 114
5.2. Dijkstra .................................................................................................. 115
5.2.1. Tuần tự ............................................................................................115
- 5.2.2. Song song........................................................................................119
5.2.3. Thực nghiệm chương trình .............................................................120
5.3. Prim ....................................................................................................... 122
5.3.1. Tuần tự ............................................................................................122
5.3.2. Song song........................................................................................124
5.3.3. Thực nghiệm chương trình .............................................................126
5.4. Bellman – Ford...................................................................................... 128
5.4.1. Tuần tự ............................................................................................128
5.4.2. Song song........................................................................................130
5.4.3. Thực nghiệm chương trình .............................................................132
5.5. Đánh giá chung...................................................................................... 134
Chương 6. Tổng kết ........................................................................................... 136
6.1. Kết luận ................................................................................................. 136
6.2. Hướng phát triển ................................................................................... 136
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 138
- Danh sách hình
Hình 1-1 : 3 tầng của Grid ................................................................................ 15
Hình 2-1 : Phân lọai hệ thống máy tính theo Flynn-Johnson ........................... 19
Hình 2-2 : Kiến trúc SISD ................................................................................ 19
Hình 2-3 : Kiến trúc SIMD ............................................................................... 20
Hình 2-4 : Kiến trúc MISD ............................................................................... 22
Hình 2-5 : Kiến trúc MIMD.............................................................................. 23
Hình 2-6 : Mô hình chía sẽ không gian bộ nhớ ................................................ 27
Hình 2-7 : Mô hình truyền thông điệp .............................................................. 28
Hình 3-1 : Mô hình NetSolve............................................................................ 56
Hình 3-2 : Các thành phần của Globus ............................................................. 59
Hình 4-1 : Các tiến trình tạo lập trên mô hình lập trình MPI ........................... 86
Hình 4-2 : Cách thức truyền thông của các process.......................................... 87
Hình 4-3 : Blocking và non-blocking ............................................................... 88
Hình 4-4 : Group, communicator và rank......................................................... 88
Hình 4-5 : Cấu trúc của chương trình MPI ....................................................... 89
Hình 4-6 : Giao tiếp blocking ........................................................................... 92
Hình 4-7 : Thứ tự các xử lý............................................................................... 95
Hình 4-8 : Cách thức xử lý tiến trình ................................................................ 95
Hình 4-9 : Giao tiếp non-blocking .................................................................... 96
Hình 4-10 : Broadcast dữ liệu ......................................................................... 102
Hình 4-11 : Ví dụ hàm Scatter ........................................................................ 103
Hình 4-12 : Hàm MPI_Gather ........................................................................ 103
Hình 4-13 : Hàm MPI_Allgather .................................................................... 104
Hình 4-14 : Hàm MPI_Alltoall ....................................................................... 104
Hình 4-15 : Hàm MPI_Reduce ....................................................................... 105
Hình 4-16 : Sử dụng 8 xử lý để tính giá trị tuyệt đối...................................... 107
Hình 4-17 Hàm Mpi-Allreduce....................................................................... 108
Hình 4-18 : Hàm MPI_Reduce_scatter........................................................... 108
Hình 4-19 : Hàm MPI_Scan ........................................................................... 109
Hình 4-20 : MPI_Type_contiguous ................................................................ 110
- Hình 4-21 : MPI_Type_vetor.......................................................................... 111
Hình 4-22 : MPI_Type_indexed ..................................................................... 112
Hình 4-23 : MPI_Type_struct......................................................................... 112
Hình 5-1. Thuật toán Dijkstra tuần tự ............................................................. 118
Hình 5-2 : Thuật toán Dijkstra song song....................................................... 119
Hình 5-3. Thuật toán Prim tuần tự .................................................................. 124
Hình 5-3 : Thuật toán Prim song song ............................................................ 125
Hình 5-4: Thuật toán Bellman-Ford tuần tự ................................................... 130
Hình 5-5 : Thuật toán Bellman-Ford song song ............................................. 132
Trang 12
- Chương 1. Giới thiệu
1.1. Các khái niệm
Trong những năm đầu thập niên 90, nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu
khai thác các nguồn tài nguyên tính toán phân tán trên Internet. Các nhà khoa
học đã tập trung và sử dụng hàng trăm các máy trạm để thực hiện các chương
trình song song như thiết kế phân tử và hiển thị đồ họa máy tính. Trong khi đó
các nhóm nghiên cứu khác đã kết hợp các siêu máy tính lớn lại với nhau thành
một siêu máy tính ảo duy nhất, rồi phân phối các phần của một ứng dụng rất
lớn cho các máy tính trên một mạng diện rộng, ví dụ như máy tính giả lập các
ứng dụng tương tác giữa chất lỏng và cánh quạt của chân vịt tàu…Thêm vào đó
phạm vi của các dự án nghiên cứu này đã nêu ra tiềm năng thực sự của mạng
máy tính, cùng với cơ sở phần mềm và tin học để phát triển nó xa hơn.
Hệ thống đa bộ xử lý (Multiprocessor Systems - MPs), Cluster, Grids là
các ví dụ của kiến trúc tính toán phân tán. Trong MPs, các bộ xử lý được kết
hơp chặt chẽ với nhau, thông qua bộ nhớ chia sẽ chung và đường truyền kết nối
rất cao. Ví dụ như là PVPs (Parallel Vector Processors), chúng hầu như rất
thích hợp cho tính toán hiệu năng cao, như là các ứng dụng song song dựa vào
trao đổi thông điệp tốc độ cao giữa các tiến trình song song.
Trang 13
- Trong khi đó Cluster lại là các máy tính đơn hay đa bộ xử lý được kết
hợp tương đối với nhau thông qua đường mạng, vì thế nó chậm hơn từ 1 đến 2
lần so với kết nối MP. Ví dụ như cluster Beowulf chạy Linux, hay TCF
(Technical Compute Farm) của Sun chạy hệ điều hành Solaris/TM, chúng được
sử dụng cho các tính toán số lượng lớn, phân phối các tác vụ tính toán (thường
là không song song) cho các bộ xử lý, rồi thu thập lại các kết quả tính toán vào
kết quả toàn cục. Các tính toán này có thể là việc hiển thị hàng ngàn khung
hình để làm phim hay là giả lập việc kiểm tra và thiết kế để xây dựng thế hệ
tiếp theo của chip VLSI, hay như trong công nghệ sinh học, đó là việc cắt lớp
hàng trăm ngàn chuỗi gen.
Trong khi MPs và Cluster chỉ là các hệ thống đơn, thường là trong một
domain đơn. Grid điện toán bao gồm các cluster của mạng các MPs hay/và
cluster, nằm trên nhiều domain khác nhau, phân bố ở nhiều phòng ban, xí
nghiệp hay thậm chí là trên mạng Internet. Về bản chất, những grid có một độ
phức tạp cao hơn, đặc biệt là ở tầng trung gian, trong việc thực thi, quản lý, và
sử dụng các tài nguyên tính toán phân tán, và ở tầng ứng dụng là việc thiết kế,
phát triển, chạy các phần mềm để triển khai grid một cách hiệu quả.
Tóm lại Grid là một kiến trúc tính toán phân tán cho phép chuyển giao
các tài nguyên lưu trữ và tính toán như thể là một dịch vụ trên Internet. Đây là
bước phát triển tiếp theo về cơ sở hạ tầng kỹ thuật, cho phép kết nối các máy
tính phân tán, các thiết bị lưu trữ, các thiết bị di động, các công cụ, cơ sở dữ
liệu, và các ứng dụng phần mềm, và cung cấp cách thức truy cập duy nhất đến
cộng đồng người dùng để cho phép tính toán, trao đổi thông tin và cộng tác.
Một số hệ thống grid hiện tại như là NASA Information Power Grid (IPG);
DoD Distance Computing và NetSolve cho chia sẽ và khai thác phần mềm toán
học; Nimrod cho chia sẽ tài nguyên trên phạm vi trường học; SETI@Home cho
tìm kiếm trí thông minh ngòai trái đất; hay là APGrid để kết nối các trung tâm
máy tính ở vành đai Châu Á Thái Bình Dương trong tương lai gần.
Trang 14
- Hình 1-1 : 3 tầng của Grid
Grid là một cơ sở hạ tầng về phần cứng lẫn phần mềm cung cấp truy cập
phụ thuộc, thích hợp, rộng khắp và chi phí thấp vào các khả năng tính toán.
Trong một tương lai không xa, những grid này sẽ được các kỹ sư, nhà khoa
học, khoa học thực nghiệm, công ty, tổ chức, môi trường, giáo dục và đào tạo,
khách hàng, … sử dụng rộng rãi. Chúng sẽ được dành riêng cho tính toán theo
yêu cầu, tính toán trên thông tin nhạy cảm, tính toán cộng tác, và siêu tính toán,
dựa trên cơ sở của khách hàng/nhà cung cấp.
Ngày nay chúng ta đang thấy những nỗ lực đầu tiên nhằm khai thác một
cách có hệ thống các nguồn tài nguyên tính toán lưới trên mạng Internet.
Những dự án này được gọi là peer-to-peer computing, như SETI@home,
Distributed.Net và Folderol, cho phép người dùng Internet tải về các dữ liệu
khoa học, chạy trên các máy cá nhân theo chu trình xử lý chia sẽ, và gửi lại kết
quả cho cơ sở dữ liệu trung tâm. Gần đây có một dự án ở một trường đại học,
được gọi là Compute Power Market, được xây dựng nên nhằm phát triển các kỹ
thuật phần mềm cho phép tạo lập những Grid, mà ở đó bất cứ ai cũng có thể
mua hay bán khả năng khả năng tính toán giống như cách mà người ta sử dụng
điện hiện nay.
Trang 15
- 1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới
Hầu hết các kỹ thuật phức tạp bên dưới dành cho Grid hiện nay đang
được tiếp tục phát triển. Các môi trường Grid mẫu tồn tại giống như các dự án
Globus và Legion. Đồ án EcoGrid thì đang nghiên cứu cách thức quản lý tài
nguyên, và các khối xây dựng như vậy đang tồn tại trong trình quản lý tài
nguyên mang tính thương mại của phần mềm Sun Grid Engine.
Diễn đàn Grid (GGF – Global Grid Forum), được thành lập vào năm
1998, đã tập hợp được hàng trăm các nhà khoa học để cùng nhau nghiên cứu và
thảo luận về một kiến trúc Grid chung. Trong đó vẫn còn tồn tại một số thách
thức sau:
• Phát triền phần mềm ứng dụng cho Grid
• Chỉ ra và truy cập các nguồn tài nguyên tính toán thích hợp trên môi
trường phân tán
• Định nghĩa những giao tiếp chuẩn cho phép giao tiếp giữa các khối
Grid với nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển ứng dụng.
• Bảo đảm các truy cập được xác nhận và truyền dữ liệu an toàn.
• Cung cấp các dịch vụ cho phép theo dõi, quảng cáo và kết xuất báo
cáo.
• Thiết kế các nghi thức mạng cho việc trao đổi và định dạng thông
điệp.
Trang 16
- Chương 2. Tính toán song song và phân bố
2.1. Khái niệm
Ngày nay trong khi công nghệ ngày một phát triển thì nhu cầu về tốc độ
tính toán của các hệ thống máy tính cũng ngày một tăng cao. Các lĩnh vực đòi
hỏi tính tóan hiệu năng cao như là mô hình số và giả lập các vấn đề của khoa
học và công nghệ.
Ngoài ra nó còn nhằm giải quyết các lọai vấn đề cần tốc độ xử lý cao
như:
• Mô hình hóa và giả lập
Mô hình các mẫu DNA
Mô hình hóa chuyển động của các phi hành gia
…
• Xử lý/Thao tác trên các dữ liệu rất lớn
Xử lý ảnh và tín hiệu
Khai thác dữ liệu và cơ sở dữ liệu
Xác định địa chấn
…
• Các vấn đề “grand challenge” (là những vấn đề không thể giải quyết
trong thời gian “hợp lý”, như cần 100, 1000,…năm để có đáp án)
Mô hình khí hậu
Sự chuyển động của chất lỏng
Bộ gene con người
Mô hình chất bán dẫn
…
Xuất phát từ nhu cầu đó đã dẫn đến sự cần thiết phải có những hệ thống
song song và phân bố nhằm tận dụng tối đa khả năng thực thi của các bộ xử lý,
và để giải quyết các vấn đề nan giải trên.
Trang 17
- 2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố
Trong phần này chúng ta sẽ xem xét cách tổ chức logic và vật lý của các
nền tảng song song và phân tán. Cách tổ chức logic liên quan đến quan điểm
của người lập trình (kiến trúc xử lý song song và phân bố) trong khi cách tổ
chức vật lý liên quan đến cách cơ cấu thực sự của các phần cứng bên dưới.
Trong tính toán song song thì từ quan điểm của người lập trình gồm 2 thành
phần chính quan trọng đó là cách thức thể hiện các tác vụ song song (cấu trúc
điều khiển) và những phương pháp xác định tương tác giữa các tác vụ này (mô
hình giao tiếp).
2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố
Máy tính song song có thể được chia theo 2 lọai chính là : dòng điều
khiển (control flow) và dòng dữ liệu (data flow). Máy tính song song dòng điều
khiển dựa chủ yếu theo các nguyên tắc của máy tính Von Neumann, ngọai trừ
nhiều dòng điều khiển có thể thực hiện vào bất cứ thời gian nào. Máy tính song
song dòng dữ liệu , đôi khi được biết đến là “phi Von Neumann”, thì hoàn toàn
khác biệt ở chỗ nó không có con trỏ trỏ tới các chỉ thị hiện hành hay trung tâm
điều khiển. Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các máy tính song song dòng điều
khiển.
Năm 1966, M.J.Flynn đã phân chia các hệ thống máy tính dựa trên dòng
chỉ thị và dòng điều khiển thành 4 loại sau:
• SISD (Single Instruction stream, a Single Data stream)
• SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data streams)
• MISD (Multiple Instruction streams, a Single Data stream)
• MIMD (Multiple Instruction streams, Multiple Data streams)
Phân theo mức độ hay được sử dụng:
MIMD > SIMD > MISD
Trang 18
- Data Stream(s)
Single Multiple
Single
SISD SIMD
Instruction Stream(s)
(Uniprocessors) (Array Processors)
Global
GMSV GMMP
Memory
Multiple
MISD MIMD
Distributed
DMSV DMMP
Shared Variables Message Passing
Communication
Hình 2-1 : Phân lọai hệ thống máy tính theo Flynn-Johnson
2.2.1.1. SISD
Hình 2-2 : Kiến trúc SISD
Kiến trúc này tương tự với kiến trúc Von Neumann. Một đơn vị điều
khiển tiếp nhận một chỉ thị đơn từ bộ nhớ, sau đó đưa vào cho bộ xử lý thực thi
trên một đơn vị dữ liệu được chỉ ra trong chỉ thị nhận được, và cuối cùng là đưa
kết quả nhận được vào bộ nhớ.
2.2.1.2. SIMD
Hầu hết các máy tính song song ban đầu đều được thiết kế theo kiến trúc
SIMD. Trong kiến trúc này, một đơn vị xử lý trung tâm sẽ thông dịch và quảng
bá các tín hiệu điều khiển thích hợp cho các bộ xử lý theo chiều kim đồng hồ.
Từng bộ xử lý sẽ thực thi các chỉ thị một cách đồng thời, và chúng cũng có
quyền không tiếp nhận trên các chỉ thị nào đó. Sự phổ biến của kiến trúc SIMD
là do tính năng của các ứng dụng song song ban đầu và từ yêu cầu của nền kinh
Trang 19
- tế. Theo quan điểm của người dùng thì các ứng dụng sử dụng kiến trúc SIMD
thì dễ dàng được lập trình hơn và tận dụng hiệu quả hơn các thiết bị phần cứng.
Hình 2-3 : Kiến trúc SIMD
Bên trong SIMD, tồn tại hai lựa chọn thiết kế cơ bản sau:
1. SIMD đồng bộ và bất đồng bộ. Trong một máy SIMD, từng bộ xử
lý có thể thực thi hay bỏ qua các chỉ thị được quảng bá dựa vào trạng
thái cục bộ của nó hay những điều kiện phụ thuộc vào dữ liệu. Tuy
nhiên điều này có thể dẫn đến xử lý một vài tính toán điều kiện
không hiệu quả. Một cách giải quyết khả thi là sử dụng phiên bản bất
đồng bộ của S1IMD, được biết đến là SPMD (Single Program
Multiple Data), trong đó từng bộ xử lý sẽ chạy một bản sao của
Trang 20
nguon tai.lieu . vn