Программная система ПараЛаб для изучения и исследования методов параллельных вычислений

12.3. Формирование модели вычислительной системы

Для формирования модели вычислительной системы необходимо определить топологию сети, количество процессоров, производительность каждого процессора и характеристики коммуникационной среды ( латентность, пропускную способность и метод передачи данных). Следует отметить, что в рамках системы ПараЛаб вычислительная система полагается однородной, т.е. все процессоры обладают одинаковой производительностью, а все каналы связи имеют одинаковые характеристики.

12.3.1. Выбор топологии сети

Топология сети передачи данных определяется структурой линий коммутации между процессорами вычислительной системы. В системе ПараЛаб обеспечивается поддержка следующих типовых топологий:

• полный граф ( completely-connected graph или clique ) – система, в которой между любой парой процессоров существует прямая линия связи; как результат, данная топология обеспечивает минимальные затраты при передаче данных, однако является сложно реализуемой при большом количестве процессоров;
• линейка ( linear array или farm ) – система, в которой каждый процессор имеет линии связи только с двумя соседними (с предыдущим и последующим) процессорами; такая схема является, с одной стороны, просто реализуемой, с другой стороны, соответствует структуре передачи данных при решении многих вычислительных задач (например, при организации конвейерных вычислений);
• кольцо ( ring ) – данная топология получается из линейки процессоров соединением первого и последнего процессоров линейки;
• решетка ( mesh ) – система, в которой граф линий связи образует прямоугольную двумерную сетку; подобная топология может быть достаточно просто реализована и, кроме того, может эффективно использоваться при параллельном выполнении многих численных алгоритмов (например, при реализации методов блочного умножения матриц);
• гиперкуб ( hypercube ) – данная топология представляет частный случай структуры N -мерной решетки, когда по каждой размерности сетки имеется только два процессора (т.е. гиперкуб содержит 2^N процессоров при размерности N ); данный вариант организации сети передачи данных достаточно широко распространен на практике и характеризуется следующим рядом отличительных признаков:

• два процессора имеют соединение, если двоичное представление их номеров имеет только одну различающуюся позицию;
• в N -мерном гиперкубе каждый процессор связан ровно с N соседями;
• N -мерный гиперкуб может быть разделен на два (N-1) -мерных гиперкуба (всего возможно N различных таких разбиений);
• кратчайший путь между двумя любыми процессорами имеет длину, совпадающую с количеством различающихся битовых значений в номерах процессоров (данная величина известна как расстояние Хэмминга).

Правила использования системы ПараЛаб

1. Запуск системы. Для запуска системы ПараЛаб выделите пиктограмму системы и выполните двойной щелчок левой кнопкой мыши (или нажмите клавишу Enter ). Далее выполните команду Выполнить новый эксперимент (пункт меню Начало ) и нажмите в диалоговом окне Название эксперимента кнопку ОК (при желании до нажатия кнопки ОК может быть изменено название создаваемого окна для проведения экспериментов).
2. Выбор топологии вычислительной системы. Для выбора топологии вычислительной системы следует выполнить команду Топология пункта меню Система. В появившемся диалоговом окне (рис. 12.2) щелкните левой клавишей мыши на пиктограмме нужной топологии или внизу в области соответствующей круглой кнопки выбора (радиокнопки). При нажатии кнопки Помощь можно получить справочную информацию о реализованных топологиях. Нажмите кнопку ОК для подтверждения выбора и кнопку Отмена для возврата в основное меню системы ПараЛаб.

Рис. 12.2. Диалоговое окно для выбора топологии

12.3.2. Задание количества процессоров

Для выбранной топологии система ПараЛаб позволяет установить необходимое количество процессоров. Выполняемый при этом выбор конфигурации системы осуществляется в соответствии с типом используемой топологии. Так, например, число процессоров в двумерной решетке должно являться полным квадратом (размеры решетки по горизонтали и вертикали совпадают), а число процессоров в гиперкубе – степенью числа 2.

Под производительностью процессора в системе ПараЛаб понимается количество операций с плавающей запятой, которое процессор может выполнить за секунду (floating point operations per second – flops). Важно отметить, что при построении оценок времени выполнения эксперимента предполагается, что все машинные команды являются одинаковыми и соответствуют одной и той же операции с плавающей точкой.

Правила использования системы ПараЛаб

1. Задание количества процессоров. Для выбора числа процессоров необходимо выполнить команду Количество Процессоров пункта меню Система. В появившемся диалоговом окне (рис. 12.3) вам предоставляется несколько пиктограмм со схематическим изображением числа процессоров в активной топологии. Для выбора щелкните левой клавишей мыши на нужной пиктограмме. Пиктограмма, соответствующая текущему числу процессоров, выделена ярко-синим цветом.

Рис. 12.3. Диалоговое окно для задания числа процессоров

Нажмите кнопку ОК для подтверждения выбора или кнопку Отмена для возврата в основное меню системы ПараЛаб без изменения числа процессоров.

2. Определение производительности процессора. Для задания производительности процессоров, составляющих многопроцессорную вычислительную систему, следует выполнить команду Производительность Процессора пункта меню Система. Далее в появившемся диалоговом окне (рис. 12.4) при помощи бегунка нужно задать величину производительности. Для подтверждения выбора нажмите кнопку ОК (или клавишу Enter ). Для возврата в основное меню системы ПараЛаб без изменений нажмите кнопку Отмена (или клавишу Escape ).

Рис. 12.4. Диалоговое окно для задания производительности процессора