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第1章 引言 1

1.1 概述 1

1.2 自动并行编程 1

1.3 算法 3

1.3.1 算法的有向图 3

1.3.2 算法的邻接矩阵A 4

1.3.3 基于子任务的依赖关系对算法进行分类 5

1.3.4 串行算法 6

1.3.5 并行算法 6

1.3.6 SPA 6

1.3.7 NSPA 7

1.3.8 RIA 8

1.3.9 并行算法实现 8

1.4 设计并行计算系统 9

1.5 并行算法和并行体系结构 10

1.6 并行算法与并行体系结构相关 10

1.7 算法的实现：两个方面的问题 11

1.8 衡量并行计算的优势 11

1.8.1 加速比 11

1.8.2 通信开销 12

1.8.3 计算加速比和通信开销 12

1.9 针对多处理器系统的Amdahl法则 14

1.10 Gustafson-Barsis法则 15

1.11并行计算的应用 16

1.11.1 气象建模 16

1.11.2 CT 17

1.11.3 计算机流体力学（CFD） 18

1.12 习题 18

第2章 增强单处理器的性能 21

2.1 概述 21

2.2 提高处理器的时钟频率 21

2.3 ALU的并行化 22

2.4 使用分级存储器体系 24

2.4.1 内存-高速缓存之间的操作 25

2.4.2 高速缓存的设计 26

2.4.3 分层高速缓存 26

2.4.4 将内存块映射到高速缓存行 26

2.4.5 关联映射 27

2.4.6 组相关映射 28

2.4.7 缓存容量对缓存命中率的影响 28

2.5 流水线作业 28

估算流水线作业的速度 29

2.6 超长指令字（VLIW）处理器 32

2.7 指令级并行（ILP）和超标量处理器 33

2.7.1 真实数据依赖：写后读（RAW） 34

2.7.2 程序的依赖关系 35

2.7.3 资源冲突 35

2.7.4 输出依赖性：写后写（WAW） 35

2.7.5 反依赖：读后写（WAR） 36

2.8 多线程处理器 36

2.9 习题 37

第3章 并行计算机 39

3.1 概述 39

3.2 并行计算 39

3.3 共享内存的多处理器（统一内存访问UMA） 40

3.4 分布式内存多处理器（非统一内存访问NUMA） 41

3.5 SIMD处理器 41

3.6 脉动式处理器 42

3.7 集群计算 44

3.8 网格计算（云计算） 44

3.9 多核系统 44

3.10 流多处理器 46

3.11并行处理器之间的通信 48

3.11.1 通信类型 48

3.11.2 消息传递（MP）通信机制 49

3.12 并行体系结构总结 50

3.13 习题 50

第4章 共享内存多处理器 52

4.1 概述 52

4.2 高速缓存一致性和内存一致性 53

4.2.1 目录协议 56

4.2.2 Snoopy协议 57

4.3 同步和互斥 57

4.3.1 同步：锁机制 58

4.3.2 同步：互斥量 59

4.3.3 同步：栅栏 60

4.3.4 同步原语的对比 61

4.4 习题 62

第5章 互连网络 63

5.1 概述 63

5.2 逻辑拓扑结构中互连网络的分类 63

5.2.1 总线型 63

5.2.2 星型 64

5.2.3 环型 64

5.2.4 网型 64

5.2.5 交叉开关网络 65

5.2.6 交叉开关网络的连接及仲裁 66

5.2.7 多级互连网络 66

5.2.8 榕树（Banyan）网络 66

5.2.9 树型网络 67

5.2.10 随机拓扑网络 68

5.3 互联网络交换架构 68

5.3.1 输入队列交换器 69

5.3.2 输出队列交换器 70

5.3.3 共享缓冲区交换器 71

5.3.4 多输入队列交换器 73

5.3.5 多输出队列交换器 73

5.3.6 多输入输出队列交换器 74

5.3.7 VRQ交换器 75

5.4 习题 76

第6章 并发平台 78

6.1 概述 78

6.2 并发平台 78

6.3 Cilk++ 78

6.3.1 Cilk+++并行循环：cilk_for 79

6.3.2 数据竞争和程序不确定性 80

6.3.3 将串行代码并行化的Cilk+++组件 82

6.3.4 使用Cilk+++实现矩阵乘法 82

6.4 OpenMP 84

6.4.1 OpenMP编译指导语句 85

6.4.2 编译指导语句子句 86

6.4.3 OpenMP负载分配 87

6.4.4 循环指导语句：for 87

6.4.5 循环指导语句：sections 89

6.4.6 运行时库函数 90

6.4.7 环境变量 90

6.4.8 OpenMP同步 90

6.5 统一计算设备架构（CUDA） 91

6.5.1 定义CUDA中的线程、块和网格 93

6.5.2 将函数交付内核执行 94

6.5.3 主机与CUDA设备间的通信 95

6.5.4 CUDA线程的同步与通信 95

6.5.5 内核和网格 95

6.5.6 块 97

6.5.7 线程 97

6.5.8 CUDA C语言扩展 97

第7章 针对并行算法的特别技术 98

7.1 概述 98

7.2 定义算法变量 99

7.3 独立循环调度 99

7.4 依赖循环 100

7.5 针对简单依赖循环的循环分发方法 100

7.6 循环展开 101

7.7 问题划分 101

7.8 分而治之（递归划分）策略 102

7.9 流水线 104

7.1 0习题 106

第8章 非串行-并行算法 107

8.1 概述 107

8.2 并行化用DAG表示的NSPA算法 108

8.3 分析NSPA的形式化方法 109

矩阵的幂的意义：矩阵的连通性 110

8.4 辨别算法中的环 112

8.5 提取串行及并行算法的性能参数 113

8.6 相关定理 114

8.7 串行和并行算法在并行计算机上的性能 116

8.8 习题 116

第9章 z-变换分析 118

9.1 概述 118

9.2 z-变换的定义 118

9.3 一维有限脉冲响应滤波器算法 119

9.4 z-变换的软件硬件实现 119

9.5 设计1：用霍纳法则实现广播输入管道输出 120

9.6 设计2：管道输入广播输出 121

9.7 设计3：管道输入管道输出 122

9.8 习题 123

第10章 依赖关系图分析 124

10.1 概述 124

10.2 一维有限冲击响应滤波算法 124

10.3 算法的依赖关系图 124

10.4 计算算法的依赖关系图 125

定义D中的变量 125

10.5 一维有限冲击响应滤波的调度函数 127

10.5.1 将依赖关系图转换为有向无环图或串行-并行算法 127

10.5.2 广播变量 128

10.5.3 流水变量 128

10.5.4 确定调度函数 129

10.5.5 线性线程／任务调度的限制 130

10.5.6 非线性调度操作 131

10.6 结点投影操作 131

10.7 非线性投影操作 132

使用并发平台 133

10.8 有向无环图分析的软件和硬件实现 133

10.8.1 设计方案1：投影方向d1=[1 0]t 133

10.8.2 设计方案2：投影方向d2=[0 1]t 134

10.9 习题 135

第11章 计算几何分析 136

11.1 概述 136

11.2 矩阵乘算法 136

11.3 3D依赖图和计算域D 136

3D域边界 137

11.4 D的面和顶点 138

11.5 算法变量的依赖矩阵 138

11.6 依赖矩阵的零空间：广播子域B 139

A的零空间 139

11.7 设计空间的探索：选择广播变量还是流水线变量 141

11.7.1 馈送／提取广播变量的点 141

11.7.2 变量流水线 143

11.8 数据调度 143

调度函数对数据时序的影响 146

11.9 使用线性投影算子进行投影操作 147

11.9.1 投影矩阵P 147

11.9.2 投影方向 148

11.9.3 投影方向d的选择 148

11.9.4 当投影方法d给定时，找出矩阵P 149

11.1 0投影操作对数据的影响 150

11.1 0.1 输出数据 150

11.1 0.2 输入数据M2 151

11.1 0.3 输入数据M3 151

11.1 1最终的多线程／多处理器体系结构 151

11.1 2本章总结 152

11.1 3 习题 152

第12章 实例：一维IIR数字滤波器 154

12.1 概述 154

12.2 一维IIR数字滤波器算法 154

12.3 IIR滤波器的依赖图 154

12.3.1 二维依赖图 154

12.3.2 一维滤波器的调度函数 155

12.3.3 投影方向和投影矩阵的选择 157

12.3.4 设计1：投影方向 157

12.3.5 设计2：投影方向 157

12.4 一维IIR数字滤波器算法的z域分析 159

12.4.1 设计3：广播输入和流水线输出 159

12.4.2 流水线输入和广播输出 159

12.4.3 设计4：流水线输入和输出 159

12.5 习题 161

第13章 案例分析：二维与三维数字滤波器 162

13.1 概述 162

13.2 行和帧环绕问题 162

13.3 二维递归滤波器 163

13.3.1 二维IIR设计1：广播XY输入、流水输出 163

13.3.2 二维IIR设计2：流水XY输入、广播输出 164

13.4 三维数字滤波器 165

13.4.1 三维IIR设计1：广播XY输入、流水输出 166

13.4.2 三维IIR设计2：流水化X和Y输入、广播输出 166

第14章 实例分析：多重速率的采样器和插值器 168

14.1 概述 168

14.2 采样器的架构 168

14.3 采样器的依赖关系图 169

14.4 采样器时序 170

14.5 在s1=[1 0］的情况下，采样器的有向无环图 171

14.6 在s2=［1 —1］的情况下，插值器的有向无环图 172

14.7 在s3=［1 1］的情况下，插值器的有向无环图 174

14.8 多相采样器的实现 174

14.9 插值器的架构 175

14.1 0插值器的依赖关系图 176

14.1 1插值器的调度 177

14.1 2在s1=［1 0］的情况下，插值器的有向无环图 178

14.1 3在s2=［1 —1］的情况下，插值器的有向无环图 179

14.1 4在s3=［1 1］的情况下，插值器的有向无环图 180

14.1 5多相插值器的实现 181

第15章 案例学习：模式匹配 182

15.1 概述 182

15.2 将算法表达为正则迭代算法（RIA） 182

15.3 得到算法依赖图 183

15.4 数据调度 183

15.5 DAG结点的投影 184

15.6 设计方案1：当s=[1 1]t时的设计空间 184

15.6.1 设计方案1.a：设s=[1 1]t,da=[0 1]t 185

15.6.2 设计方案1.b：设s=[1 1]t,db=[1 0]t 186

15.6.3 设计方案1.c：设s=[1 1]t,dc=[1 1]t 186

15.7 设计方案2：当s=[1 —1]t时的设计空间搜索 187

15.7.1 设计方案2.a：设s=[1 —1]t,da=[1 0］t 187

15.7.2 设计方案2.b：设s=[1 —1]t,db=[0 1]t 187

15.7.3 设计方案2.c：设s=[1 —1]t,dc=[1 —1]t 188

15.8 设计方案3：当s=[1 0]t时的设计空间搜索 188

设计方案3.a：设s=[1 0］t,da=[1 0]t 188

第16章 案例学习：用于视频压缩的运动估计 189

16.1 概述 189

16.2 FBMA 189

16.3 数据缓冲要求 190

16.4 FBMA的形式化 191

16.5 运动估计的分层形式化 191

16.5.1 第3层（最左层） 192

16.5.2 第2层 192

16.5.3 第1层 192

16.5.4 第0层（最右层） 192

16.6 层次化结构块的硬件设计 193

16.6.1 第3层的硬件设计 193

16.6.2 第2层的硬件设计 196

16.6.3 第1层的硬件设计 197

16.6.4 第0层的硬件设计 197

第17章 范例分析：2m阶伽罗瓦域乘法 198

17.1 概述 198

17.2 2m阶伽罗瓦域乘法算法 198

17.3 将域乘法表示为RIA 200

17.4 域乘法的依赖图 200

17.5 数据调度 201

17.6 DAG结点投影 203

17.7 设计1：使用d1=[1 0]t 204

17.8 设计2：使用d2=[1 1]t 204

17.9 设计3：使用d3=[1 —1]t 205

17.1 0有限域乘法器的应用 206

第18章 范例分析：2m阶伽罗瓦域的多项式除法 207

18.1 概述 207

18.2 多项式除法算法 207

18.3 LFSR依赖图 208

18.4 数据调度 209

18.5 DAG结点投影 210

18.6 设计1：s1=［1 —1］时的设计空间 211

18.7 设计2：s2=［1 0］时的设计空间 212

18.8 设计3：s3=［1 —0.5 ］时的设计空间 214

18.9 3种设计方案的比较 215

第19章 快速傅里叶变换 217

19.1 概述 217

19.2 时分FFT 218

19.3 流水线基2时分FFT处理器 221

19.4 频分FFT 221

19.5 流水线基2频分FFT处理器 224

第20章 求解线性方程组 225

20.1 概述 225

20.2 特别矩阵结构 225

20.2.1 平面旋转（吉文斯）矩阵 226

20.2.2 带状矩阵 226

20.2.3 对角矩阵 227

20.2.4 上三角矩阵 227

20.2.5 下三角矩阵 227

20.2.6 三对角矩阵 227

20.2.7 上Hessenberg矩阵 227

20.2.8 下Hessenberg矩阵 228

20.3 前向替代（直接技术） 228

20.3.1 前向替代依赖图 228

20.3.2 前向替代规划方程和有向无环图（DAG） 229

20.3.3 前向替代投影函数 230

20.4 回代 230

20.5 矩阵三角化算法 230

20.5.1 Givens旋转算法 232

20.5.2 矩阵三角化调度函数 233

20.5.3 矩阵三角化投影方向 234

20.6 连续超额松弛（SOR）（迭代法） 234

20.6.1 SOR算法 235

20.6.2 SOR算法调度算法 235

20.6.3 SOR算法的投影方向 236

20.7 习题 237

第21章 使用有限差分法求解偏微分方程 238

21.1 概述 238

21.2 1-D系统的FDM 239

21.2.1 1-D FDM的调度函数 240

21.2.2 投影方向 242

参考文献 243