4568

Использование параллелизма процессора для повышения эффективности программ

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Использование параллелизма процессора для повышения эффективности программ Цель работы: научить студента самостоятельно разрабатывать максимально эффективные программы. Материал для изучения. Рассмотрим задачу умножения двух n ...

Русский

2012-11-22

35.5 KB

6 чел.

Использование параллелизма процессора для повышения эффективности программ

Цель работы: научить студента самостоятельно разрабатывать максимально эффективные программы.

Материал для изучения.

Рассмотрим задачу умножения двух n n квадратных  матриц: С = АВ.

Элементы матриц хранятся по строкам, а именно сначала хранятся элементы первой строки, затем второй и т.д.

Таким образом. Последовательнее элементы строки матрицы лежат друг за другом и доступ к ним будет максимально быстрым. Так как стратегия предвыборки элементов в кэш (т.е. чтение каждый раз целого блока оперативной памяти, равного по размеру строке кэша) себя полностью оправдывает. С другой стороны, последовательные элементы столбца матрицы лежат на расстоянии n* sizeof(double) байт друг от друга и доступ к ним будет максимально медленным (поскольку строка кэш-памяти существенно меньше расстояния между элементами).

Вычислим произведение матриц несколькими способами.

1. Стандартный способ. Цикл проведем по строкам матрицы.

для всех   m = 1, 2,…,n

для всех i = 1, 2,,n

 вычислить

В цикле по j (вычисление суммы) элементы одной строки матрицы А (к которым быстрый доступ) будут использованы многократно (в цикле по i), элементы же столбцов матрицы В (к которым относительно медленный доступ) повторно (в цикле по i) не используются. Тем самым при доступе к элементам В кэш-память  практически ничего не дает.

2. Цикл по столбцам матрицы.

для всех   m = 1, 2,…,n

для всех i = 1, 2,…,n

 вычислить

В цикле по j  (вычисление суммы) элементы матрицы А повторно (в цикле по i) не используются. Элементы же столбцов матрицы В используются много кратно (в цикле по i). Кэш память ускоряет доступ к элементам А за счет предвыборки подряд идущих элементов, и ускоряет доступ к элементам В, если столбец целиком поместился в кэш память (тогда в цикле по i обращение к элементам В в оперативной памяти будет только на первом шаге). Отметим, что если размер кэш памяти недостаточен (например n велико), то этот способ может оказаться хуже предыдущего, т.к. ухудшился способ доступа  к А и не получен выигрыш при доступе к В.

3. Третий метод.

Цикл проведем по N N, N=10 блокам матрицы С, внутри блока идем по столбцам.

для всех  bm = 1, 1+N, 1+2N, … ,    bm < n 

для всех bi = 1, 1+N, 1+2N, … ,    bi < n 

 для всех m= bm, bm+1, …, bm+N-1, m<n

   для всех i=bi, bi+1, … , bi+N-1, i < n

   вычислять  

В этом случае большой выигрыш в скорости получаем в том случае если используемые в циклах по m, i, j N строк матрицы А и N столбцов матрицы В поместились в кэш память. Если n  настолько велико что даже один столбец матрицы В не поместился целиком в кэш, то этот способ может оказаться хуже самого первого.

4.  Зададим параметр N таким, что n делится на N нацело. Тогда всякая матрица М может быть представлена:


Где  Mij – NN матрица, k=n/N. Тогда каждый блок Cim произведения С=АВ матриц А и В может быть вычислен через блоки матриц А и В.

 

В вычислении произведения NN матрица матриц Aij  и Bjm участвует только подмножество их N2 элементов матриц А и В . При небольшом N  это подмножество полностью поместится в кэш-памяти и каждое слагаемое послежней суммы быдет вычислено максимально быстро.

5. В предыдущих вариантах преимущества кэш-памяти почти уже были исчерпаны. Для получения дальнейшего прироста производительности вспомним о конвейерной организации процессора (современные процессоры имеют конвейер инструкций, достаточно глубокий). Для его заполнения длина линейного участка программы должна быть как минимум больше глубины конвейера (желательно в несколько раз ). Во всех предыдущих вариантах в самом внутреннем цикле (по j) находится оператор языка, который, в зависимости от целевого процессора, транслируется компилятором в 7 … 12 инструкций (включая операторы обслуживания цикла).  Для увеличения линейного участка программы в предыдущем варианте реализуем цикл следующим образом:

За один проход цикла по j будем вычислять сразу 4 элемента матрицы С – ci,m, ci,m+1, ci+1,m, ci+1,m+1. Поскольку при их вычислении используются повторяющиеся элементы матриц А и В, то также появляются дополнительные резервы для ускорения работы за счет оптимизации компилятора и кэш памяти.

Задание к лабораторной работе.

1. Запрограммировать алгоритмы умножения матриц.

2. Повести эксперименты на ЭВМ  с разными процессорами.

3. Построить таблицу соотношения скорости работы различных алгоритмов умножения матриц. (матрицы брать размерностью 10001000, 50005000, 1000010000 ). В таблицу заносить значения: отношения времени работы первого варианта к времени работы каждого из пяти вариантов.

4. Написать отчет.

5. Защитить у преподавателя.

Дополнительная литература:

Богачёв К.Ю. Основы параллельного программирования / К.Ю. Богачев. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 342 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52799. СЦЕНАРІЙ ЛІТЕРАТУРНО-МИСТЕЦЬКОГО ЗАХОДУ «ДЖЕРЕЛО ТВОРЧОСТІ» 176.5 KB
  Якою джерельною чистою мовою говориш ти сьогодні. 1ша ведуча Звичайно джерельною А ти взагалі бачив джерельце Ти бачив те маленьке диво чудо природи Як воно ніжне але таке сильне виплескує на землю воду потім утворює струмок напуває річку несе воду до моря А море живить океан океан життя океан творчості 2й ведучий Твоя розповідь нагадала мені як у нашому житті зявляється творча особистість як проходить її становлення як вона самореалізується. 2й ведучий Ласкаво просимо з нами побувати у мандрівці Разом з...
52800. Сценарій свята Останнього дзвоника 96 KB
  Ведучий 1: Увага Увага Увага Учень: День сьогодні такий незвичний Сонце встало умите в росі Скликав в школу нас дзвоник останній І зібрались на свято усі. Ведучий 2: Але стривайте Яке ж свято без випускників початкової школи Тож давайте запросимо їх на урочисту лінійку Ведучий 1: Злинь же музико в небо гучніше В добру пору лунай в добрий час Вище голови Йдіть веселіше Бо усі вже чекають на вас Звучить музика. Ведучий 2: Свято...
52802. Свято Першого дзвоника 51 KB
  Ведучий Знову свята радісні хвилини Безліч вересневих привітань. Ведучий Заходьте дружно та сміливо Маленькі школярі до нас. Ведучий Увага Зустрічайте 1 клас. Ведуча Нехай на нас чекають добрі зміни У наших свят традиція одна: Хай майорить над нами прапор України Стояти струнко Гімн держави пролуна Ведучий Школо До слухання Державного Гімну України стояти струнко.
52805. EASTER 85.5 KB
  Jesus Christ, the Son of God, was resurrected (воскрес) and the Cross is a very important symbol. The egg is a symbol of a new life. Easter eggs are mostly red and are very beautiful. People decorate eggs in many ways.
52806. Використання методу проектів на уроках біології 2.75 MB
  Учитель повинен розвивати в учнів навички які потрібні людині ХХІ століття: відповідальність та адаптивність критичне та системне мислення вміння працювати з інформацією та медіазасобами ставити та вирішувати проблеми направленість на саморозвиток творчість і допитливість та інші. Сьогодні більшість учнів мотивована на стійке незалежне цілеспрямоване і самостійне навчання. Метод проектів вимагає ретельної підготовки вчителя оскільки від того наскільки він зможе зацікавити учнів темою проекту буде залежати і результативність роботи...
52807. Менеджмент у підприємницькій діяльності 2.44 MB
  Мета: познайомити з функціями менеджменту складанням бізнесплану; розвиватися вміння практикуватися в прийнятті управлінських рішень організаційній структурі підприємства. Знаючи сильні і слабкі боки свого підприємства економіст може запропонувати найефективнішу стратегію розвитку. Наприклад розпочати кар'єру з позиції рядового бухгалтера і поступово дорости до фінансового директора підприємства. Аналізуючи дані бухобліку економіст шукає шляхи оптимізації бізнесу вираховує слабкі місця у роботі підприємства: фонд...