Luận văn một số phương pháp thiết kế thuật toán cơ bản trong tính toán song song và ứng dụng

`ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Ngô Thị Minh Nguyệt

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THUẬT TOÁN CƠ
BẢN TRONG TÍNH TOÁN SONG SONG VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Hà Nội
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Ngô Thị Minh Nguyệt

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THUẬT TOÁN CƠ
BẢN TRONG TÍNH TOÁN SONG SONG VÀ ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán
Mã số: 62 46 01 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN HỮU ĐIỂN

2

Hà Nội

3


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình tìm hiểu nghiên cứu để hoàn thành luận văn, tôi gặp không ít
khó khăn, nhưng những lúc như vậy, tôi luôn nhận được sự động viên, khích lệ của
thầy giáo, PGS. TS. Nguyễn Hữu Điển. Thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng
cho tôi trong phương pháp nghiên cứu khoa học cũng như hỗ trợ tôi trong việc tìm
tài liệu.
Để có được những kết quả trong luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến thầy giáo, PGS. TS. Nguyễn Hữu Điển, Trung Tâm Tính Toán Hiệu Năng Cao
trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô của tôi về sự dạy dỗ ân cần trong
thời gian tôi học cao học tại trường Đại học KHTN - ĐHQGHN. Tôi xin cảm ơn
các thầy cô, các anh chị của Trung Tâm Tính Toán Hiệu Năng Cao đã tạo điều kiện
và giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của tôi những người
đã luôn bên cạnh, động viên và khích lệ tôi để có được kết quả như ngày hôm nay.

Người thực hiện, học viên

Ngô Thị Minh Nguyệt
Lớp Cao học BĐT 2008 – 2010.

4

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa..................................................................................................................
Mục lục...........................................................................................................................
Danh mục các ký hiệu....................................................................................................
Danh mục các bảng.........................................................................................................
Danh mục các hình vẽ....................................................................................................
.........................................................................................................................................
Danh mục các thuật toán................................................................................................
.....................................................................................................................................

MỞ ĐẦU.......................................................................................................14
Chương 1 – TÍNH TOÁN SONG SONG....................................................16
1.1. Tổng quan về xử lý song song................................................................16
1.2. Các mô hình lập trình song song............................................................24
1.3. Thiết kế và đánh giá thuật toán song song............................................27
1.4. Mô hình lập trình truyền thông điệp – MPI song song..........................33
Chương 2 – SONG SONG HÓA THUẬT TOÁN TÌM XÂU CON
CHUNG DÀI NHẤT.....................................................................................37
Chương 3 – KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM..................................................56
KẾT LUẬN...................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................69

5


BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
CPU
DNA

Tiếng Anh
Central Processing Unit
Deoxyribo nucleic acid

Nghĩa tiếng Việt
Bộ xử lý trung tâm

HPC

High Performance Computing

Tính toán/máy tính hiệu năng cao

LCS

Longest Common Subsequence

Dãy con chung dài nhất.

MIMD

Multiple Instruction multiple Data

Đa luồng lệnh đa luồng dữ liệu

MISD

Multiple Instruction Simple Data

Đa luồng lệnh đơn luồng dữ liệu

MPI

Message Passing Interface

Giao diện truyền thông điệp

NUMA

Non-Uniform Memory Access

Truy cập bộ nhớ không đồng thời

RNA

Ribo nucleic acid

Axít ribonucleic

SIMD

Simple Instruction Multiple Data

Đơn luồng lệnh đa luồng dữ liệu

SISD

Simple Instruction simpleData

Đơn luồng lệnh đơn luồng dữ liệu

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền thông

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói người dùng

UMA

Uniform Memory Access

Truy cập bộ nhớ đồng thời

Axít deoxyribosenucleic

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Trang

7
7

Bảng 2.1 Độ dài xâu ký tự của một số dữ liệu tin sinh học...........................39
Bảng 2.2 Ví dụ về các điểm trội trong ma trận phương án............................45
Bảng 2.3. Ví dụ về việc xây dựng lại ma trận phương án với các phần tử trội.
.........................................................................................................47
Bảng 2.4. Ví dụ về việc tìm các phần tử trội độc lập trên hai vùng khác nhau.
.........................................................................................................49
Bảng 2.4. Chia ô vùng tìm kiếm và xác định các vùng tìm kiếm đồng thời.. .50
Bảng 3.1. Dữ liệu thực nghiệm thuật toán......................................................57
Bảng 3.2. Bảng thống kê các loại amino axit [28]..........................................57
Bảng 3.3. Số phần tử trội trung bình đối với số xâu khác nhau trên bảng chữ
cái 4 ký tự và độ dài xâu bằng 64:...................................................58
Bảng 3.4. Số phần tử trội trung bình đối với số xâu khác nhau trên bảng chữ
cái 20 ký tự và độ dài xâu bằng 64:.................................................59
Bảng 3.5. Thời gian chạy thuật toán với độ dài xâu là 64 trên bảng chữ cái 4
ký tự (giây).....................................................................................59
Bảng 3.6. Thời gian chạy thuật toán với độ dài xâu là 64 trên bảng chữ cái 20
ký tự (giây):.....................................................................................60
Bảng 3.7. Thời gian chạy thuật toán với độ dài xâu là 128 trên bảng chữ cái 4
ký tự (giây):.....................................................................................61
Bảng 3.8. Thời gian chạy thuật toán với độ dài xâu là 128 trên bảng chữ cái
20 ký tự (giây):................................................................................61

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1. Mô tả kiến trúc Von Neumann........................................................17
Hình 1.2: Mô hình máy SISD..........................................................................19
Hình 1.3: Mô hình máy tính SIMD.................................................................21
Hình 1.4: Mô hình máy MIMD.......................................................................22
Hình 1.5: Máy tính chia sẻ bộ nhớ..................................................................22
Hình 1.6: Máy tính bộ nhớ phân tán...............................................................23
Hình 1.8: Mô hình truyền thông điệp..............................................................26
Hình 1.9: Mô hình lập trình phân hoạch dữ liệu.............................................27
Hình 1.10 Luật Amdahl...................................................................................33
Hình 1.11: Sự trao đổi thông điệp giữa hai tiến trình......................................33
Hình 1.12: Cấu trúc chương trình MPI...........................................................37
Hình 3.1. Thời gian chạy của thuật toán với 8 xâu độ dài 64 trên bảng chữ cái
4 và 20 ký tự......................................................................................64
Hình 3.2. Thời gian chạy của thuật toán với 2 xâu độ dài 4096 trên bảng chữ
cái 20 ký tự........................................................................................65
Hình 3.3. Hệ số tăng tốc của thuật toán với 2 xâu độ dài 4096 trên bảng chữ
cái 20 ký tự........................................................................................66
Hình 3.4. Hệ số tăng tốc của thuật toán với 8 xâu độ dài 64 trên bảng chữ cái
4 và 20 ký tự......................................................................................67
Hình 3.5. Hệ số hiệu quả của thuật toán với 8 xâu độ dài 64 trên bảng chữ cái
4 và 20 ký tự......................................................................................67

8


DANH MỤC CÁC THUẬT TOÁN

Trang

Thuật toán 2.1. Thuật toán tuần tự tìm dãy con chung dài nhất......................42
A......................................................................................................................42
G......................................................................................................................42
G......................................................................................................................42
T......................................................................................................................42
G......................................................................................................................42
C......................................................................................................................42
T......................................................................................................................42
G......................................................................................................................42
0.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
C......................................................................................................................42
0.......................................................................................................................42

9


1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
C......................................................................................................................42
0.......................................................................................................................42

1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
T......................................................................................................................42
0.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
3.......................................................................................................................42
A......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
10


1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42
3.......................................................................................................................42
C......................................................................................................................42
0.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
1.......................................................................................................................42
2.......................................................................................................................42

2.......................................................................................................................42
3.......................................................................................................................42
3.......................................................................................................................42
A......................................................................................................................43
G......................................................................................................................43
G......................................................................................................................43
T......................................................................................................................43
G......................................................................................................................43
C......................................................................................................................43
T......................................................................................................................43
G......................................................................................................................43
0......................................................................................................................43

11


Õ 1...................................................................................................................43
¬ 1...................................................................................................................43
¬ 1...................................................................................................................43
¬ 1...................................................................................................................43
¬ 1...................................................................................................................43
¬ 1...................................................................................................................43
C......................................................................................................................43
0......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
Õ 2...................................................................................................................43
1......................................................................................................................43

C......................................................................................................................43
0......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
2.......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
T......................................................................................................................43

12


0......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
Õ 2...................................................................................................................43
¬ 2...................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
Õ 3...................................................................................................................43
A......................................................................................................................43
Õ 1...................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
3......................................................................................................................43
C......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43

1......................................................................................................................43
1......................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
2......................................................................................................................43
Õ 3...................................................................................................................43
3......................................................................................................................43

13


Thuật toán 2.2. Thuật toán tuần tự in ra dãy con chung dài nhất....................43
Thuật toán 2.3. Thuật toán tìm phần tử trội....................................................48
Thuật toán 2.4. Thuật toán song song tìm xâu con chung dài nhất................54

MỞ ĐẦU
Nhân loại 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 các thiết bị phần
cứng cũng như phần mềm tiện ích. Từ những máy tính đơn giản, tốc độ xử lý chậm,

14


và chỉ được sử dụng trong một số lĩnh vực kỹ thuật nhất định, thì ngày nay chúng
đã có khả năng tính toán và tốc độ xử lý vượt trội trở thành một công cụ không thể
thiếu trong mọi lĩnh vực của đời sống.
Những máy tính ra đời đầu tiên, do hạn chế về tốc độ xử lý và cơ chế vào ra dữ
liệu nên việc lập trình rất khó khăn. Điều này làm cho máy tính không có khả năng
sử dụng dễ dàng và phổ cập, nó chỉ được ứng dụng trong một số lĩnh vực khoa học
đặc biệt.

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị lưu trữ, bộ nhớ, tốc độ
xử lý và các thiết bị ngoại vi,… máy tính đã trở nên thân thiện hơn với người sử
dụng, cũng như tốc độ tính toán nhanh hơn rất nhiều. Nhờ đó mà rất nhiều bài toán
lớn đã có khả năng thực thi và nhiều ứng dụng được đưa ra.
Tuy nhiên, một thực tế là còn rất nhiều vấn đề lớn với số lượng cần tính toán
khổng lồ mà một máy tính thông thường không thể giải quyết được. Vào thập kỷ
70, các nhà khoa học đã đưa ra ý tưởng về cấu trúc song song nhằm kết hợp sức
mạnh của nhiều bộ xử lý trên một máy tính, hoặc kết hợp nhiều máy tính với nhau
thông qua mạng máy tính tạo thành máy song song ảo. Ngoài việc tính nhanh, các
máy tính song song có độ an toàn cao hơn máy tính đơn, khi một vài bộ xử lý hỏng
thì máy tính song song vẫn có thể hoạt động được trong khi máy tính đơn thì không
làm được điều đó.
Hiện nay trên thế giới đã có những máy tính song song chứa đến hàng nghìn
bộ xử lý. Để khai thác tiềm năng và sức mạnh của máy tính song song, cùng với
việc thiết kế kiến trúc song song ta còn phải nghiên cứu những vấn đề quan trọng
khác như hệ điều hành hỗ trợ xử lý song song, các ngôn ngữ lập trình và thuật toán
song song.
Việc nghiên cứu thiết kế các máy tính song song, và các thuật toán song song
cũng như các ngôn ngữ lập trình hỗ trợ lập trình song song bắt đầu được quan tâm
từ những năm 70, cho đến nay các ứng dụng của chúng đã lan rộng khắp các lĩnh
vực của đời sống như đánh giá khả năng rủi ro về tài chính: dùng để mô hình hoá

15


các xu hướng trên thị trường… Hỗ trợ quyết định như phân tích thị trường, dự báo
thời tiết… Trí tuệ nhân tạo như thiết kế robot… Xử lý ảnh ứng dụng trong công
nghệ nhận dạng… Điều khiển tự động… Trong đó bài toán có liên quan tới sắp xếp
đóng một vai trò quan trọng, hay gặp trong các lời giải các bài toán tìm kiếm, tra
cứu, … Do vậy việc nghiên cứu các thuật toán sắp xếp cơ bản, đặc biệt là các thuật

toán song song trên bài toán sắp xếp là rất cần thiết.
Trong phạm vi luận văn này trình bày ba phần chính, Chương 1 trình bày tổng
quan về xử lý song song, thuật toán song song và giới thiệu lập trình song song với
MPI , Chương 2 trình bày về phương pháp thiết kế thuật toán tìm dãy con chung
dài nhất trong tính toán song song; Chương 3 trình bày một số kết quả thực nghiệm
trên dữ liệu cho chương trình song song tìm dãy con chung dài nhât. Với thời gian
tiếp cận vấn đề và lượng thông tin còn hạn chế, luận văn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất
mong nhận được sự góp ý của các thầy, các cô và các anh/chị để có thể tiếp tục phát
triển đề tài đã nghiên cứu và đạt được kết quả.

Chương 1 – TÍNH TOÁN SONG SONG
1.1. Tổng quan về xử lý song song
Trong những thập niên 60, nền tảng để thiết kế máy tính đều dựa trên mô hình

16


của John Von Neumann (Hình 1.1), với một đơn vị xử lý được nối với một vùng lưu
trữ làm bộ nhớ và tại một thời điểm chỉ có một lệnh được thực thi. [14]
Bộ nhớ

Câu lệnh

Ghi dữ liệu

Đọc dữ liệu

Bộ xử lý

Hình 1.1. Mô tả kiến trúc Von Neumann

Với những bài toán yêu cầu về khả năng tính toán và lưu trữ lớn thì mô hình
kiến trúc này còn hạn chế. Để tăng cường sức mạnh tính toán giải quyết các bài toán
lớn có độ tính toán cao, người ta đưa ra kiến trúc mới, với ý tưởng kết hợp nhiều bộ
xử lý vào trong một máy tính, hay gọi là xử lý song song hoặc kết hợp sức mạnh
tính toán của nhiều máy tính dựa trên kết nối mạng (máy tính song song).
Kể từ lúc này, để khai thác được sức mạnh tiềm tàng trong mô hình máy tính
nhiều bộ xử lý song song, cũng như trong mô hình mạng máy tính xử lý song song
thì việc xây dựng thiết kế giải thuật song song là điều quan trọng. Giải thuật song
song có thể phân rã công việc trên các phần tử xử lý khác nhau
1.1.1. Một số khái niệm về xử lý song song
Định nghĩa về xử lý song song
Tính toán song song hay xử lý song song: là quá trình xử lý thông tin trong đó
nhiều đơn vị dữ liệu được xử lý đồng thời bởi một hay nhiều bộ xử lý để giải quyết
một bài toán. [1]
Máy tính song song là tập hợp các bộ xử lý kết nối với nhau theo một kiến trúc
xác định để cùng hợp tác hoạt động và trao đổi dữ liệu. [1]
Phân biệt xử lý song song và xử lý tuần tự
Trong tính toán tuần tự với một bộ xử lý thì tại mỗi thời điểm chỉ được thực
hiện một phép toán. Trong tính toán song song thì nhiều bộ xử lý cùng kết hợp với

17


nhau để giải quyết cùng một bài toán cho nên giảm được thời gian xử lý vì mỗi thời
điểm có thể thực hiện đồng thời nhiều phép toán.
Mục đích của xử lý song song
Thực hiện tính toán nhanh trên cơ sở sử dụng nhiều bộ xử lý đồng thời. Cùng
với tốc độ xử lý nhanh, việc xử lý song song cũng sẽ giải được những bài toán phức
tạp yêu cầu khối lượng tính toán lớn.

Vấn đề xử lý song song
Liên quan trực tiếp đến kiến trúc máy tính, phần mềm hệ thống (hệ điều hành),
giải thuật và ngôn ngữ lập trình, …
Độ phức tạp
Độ phức tạp của tính toán song song không chỉ phụ thuộc vào kích cỡ của dữ
liệu đầu vào mà còn phụ thuộc vào kiến trúc máy tính song song và số lượng các bộ
xử lý được phép sử dụng trong hệ thống.
Cài đặt giải thuật song song
Để cài đặt các giải thuật song song trên các máy tính song song, phải sử dụng
những ngôn ngữ lập trình song song như: OpenMP với C/C++, MPI với C/C++,
v.v..
1.1.2. Phân loại các kiến trúc của máy tinh song song
1.1.2.1.

Phân loại theo kiến trúc máy tính của Flynn.

Một trong những phân loại hay được nhắc tới là của Flynn – 1966 [6]. Michael
Flynn phân các kiến trúc máy tính thành bốn loại dựa vào sự phân phối luông dữ
liệu (data stream ) và phân phối các luồng lệnh ( instruction stream) trên mỗi bộ
xử lý.

•

Mô hình SISD (đơn luồng lệnh, đơn luồng dữ liệu)
Đây chính là kiến trúc tuần tự Von Neuman , máy tính SISD chỉ có một CPU,

các dòng lệnh được thực hiện một cách tuần tự. Hệ thống SISD (hình 1.2: trong đó
tại mỗi thời điểm chỉ thực hiện một lệnh trên một mục dữ liệu)

18

Hình 1.2: Mô hình máy SISD

•

Mô hình SIMD (Đơn luồng lệnh, đa dữ liệu )
Máy tính loại SIMD có một đơn vị điều khiển để điều khiển nhiều đơn vị xử lý

thực hiện theo một luồng các câu lệnh. CPU phát sinh tín hiệu điều khiển tới tất cả
các phần tử xử lý, những bộ xử lý này cùng thực hiện một phép toán trên các mục
dữ liệu khác nhau.

19


20


Hình 1.3: Mô hình máy tính SIMD

•

Mô hình MISD (Đa luồng lệnh, đơn dữ liệu)
Máy tính MISD có thể thực hiện nhiều nhiều lệnh trên cùng một mục dữ liệu,
- Các máy tính yêu cầu mỗi đơn vị xử lý (PU) nhận những lệnh khác nhau để

thực hiện trên cùng một mục dữ liệu.
- Các máy tính có các luồng dữ liệu được chuyển tuần tự theo dãy các CPU
liên tiếp gọi là kiến trúc hình ống xử lýtheo vector thông qua một dãy các bước,

trong đó mỗi bước thực hiện một chức năng và sau đó chuyển kết quảcho PU thực
hiện bước tiếp theo
•

Mô hình MIMD (đa luồng lệnh, đa luồng dữ liệu)
Máy tính loại MIMD còn gọi là đa bộ xử lý, trong đó mỗi bộ xử lý có thể thực

hiện những luồng lệnh khác nhau trên các luồng dữ liệu riêng.
Hầu hết các hệ thống MIMD đều có bộ nhớ riêng và cũng có thể truy cập vào
được bộ nhớ chung khi cần, do vậy giảm thiểu được sự trao đổi giữa các bộ xử lý
trong hệ thống.

21


Hình 1.4: Mô
hình máy
MIMD

Đây

là

kiến trúc phức
tạp

nhất,

nhưng nó là
mô hình hỗ trợ

xử

lý

song

song cao nhất,
bởi chúng có thể thực thi các lệnh khác nhau trên nhiều dòng dữ liệu khác nhau tại
một thời điểm.
Theo Flynn: có hai họ kiến trúc quan trọng cho các máy tính song song: SIMD
và MIMD. Những kiến trúc khác có thể xếp theo hai mẫu đó. Mục tiêu của xử lý
song song là khai thác đến mức tối đa các khả năng sử dụng của các thiết bị phần
cứng nhằm giải quyết nhanh những bài toán đặt ra trong thực tế.
1.1.2.2.
•

Phân loại theo mô hình bộ nhớ

Mô hình bộ nhớ chia sẻ
Đặc điểm của máy tính song song loại này là các nút tính toán đều có thể truy

nhập vào bộ nhớ dùng chung như là bộ nhó toàn cục. Nhiều bộ xử lý hoạt động độc
lập nhưng cùng sử dụng chung một bộ nhớ, mỗi sự thay đổi nội dung các ngăn nhớ
đều được các bộ xử lý biết.
Ưu điểm chính của mô hình này là cung cấp một vúng nhớ toàn cục do đó dễ
dàng cho việc lập trình về mặt sử dụng bộ nhớ đồng thời việc trao đổi thông tin
giữa các modul tính toán là tương đối nhanh chóng và dễ dàng.

Hình 1.5: Máy
tính chia sẻ bộ

nhớ

22


Nhược điểm của mô hình này chính là sự mất cân đối giữa CPU và bộ nhớ.
Việc tăng CPU làm tăng thêm lưu lượng trên đường dẫn từ bộ nhớ tới CPU.
•

Mô hình bộ nhớ phân tán
Mô hình này yêu cầu một mạng truyền thông để kết nối các bộ nhớ của các bộ

vi xử lý. Mỗi CPU đều gắn với một bộ nhớ riêng và các thao tác của mỗi CPU trên
bộ nhớ của mình thì không được các CPU khác biết tới.
Ưu điểm của mô hình này là kích thước bộ nhớ cân bằng với số lượng các bộ
xử lý.

Hình 1.6: Máy tính bộ nhớ phân tán

Nhược điểm chính của mô hình này chính là người lập trình phải tự thiết lập
lấy phương thức trao đổi thông tin giữa các CPU trong quá trình tính toán mà việc
này đôi khi là rất khó khăn.
•

Mô hình bộ nhớ lai.
Hầu hết các máy tính nhanh và lớn ngày nay đều xây dựng dựa trên sự kết hợp

giữa kiến trúc chia sẻ bộ nhớ chung và bộ nhớ phân tán. Sự kết hợp đó tạo nên một
máy tính với tên gọi máy tính có bộ nhớ lai
1.1.3. Song song hóa máy tính tuần tự

Trong kiến trúc tuần tự có thể tận dụng tốc độ cực nhanh của bộ xử lý để thực
hiện xử lý song song theo nguyên lý chia sẻ thời gian và chia sẻ tài nguyên.
Các thanh ghi được sử dụng trực tiếp cho ALU. Bộ nhớ cache được xem như
vùng đệm giữa bộ xử lý chính. Sự song song hóa trong sự trao đổi dữ liệu theo cấu

23


trúc phân cấp là cách khai thác chung để cải tiến hiệu quả xử lý của hệ hống. Các hệ
điều hành của máy tính đơn bộ xử lý cho phép thực hiện song song dựa vào cách
tiếp cận phần mềm.
Trong cùng một khoảng thời gian, có nhiều tiến trình cùng truy cập vào dữ iệu
từ những thiết bị vào/ra chung. Phần lớn các chương trình đều có hai phần: phần
vào/ra và các thành phần tính toán trong quá trình xử lý. Các hệ điều hành đa
chương trình luân phiên thực hiện các chương trình khác nhau.
Để thực hiện việc này hệ điều hành sử dụng Bộ lập lịch chia sẻ thời gian làm
nhiệm vụ phân chia CPU cho mỗi tiến trình một khoảng thời gian cố định theo
phương pháp quay vòng tròn. Bằng cách đó, tất cả các tiến trình đều được sẵn sàng
để thực hiện trên cơ sở được phép sử dụng CPU và những tài nguyên khác của hệ
thống.
Do vậy, về nguyên tắc việc phát triển những chương trình song song trên máy
đơn bộ xử lý thực hiện được nếu có hệ điều hành cho phép nhiều tiến trình thực
hiện, nghĩa là có thể xem hệ thống như là đa bộ xử lý.

1.2. Các mô hình lập trình song song
Việc đưa ra một mô hình máy tính chung cho việc lập trình giúp cho việc thiết
kế giải thuật giải thuật trở nên đơn giản hơn. Lập trình song song đưa thêm những
khó khăn mới vào mô hình lập trình tuần tự. Nếu chương trình được thực hiện ở
mức thấp nhất thì không những số lệnh thực hiện là rất lớn mà nó còn phải quản lý
trực tiếp quá trình thực hiện song song của hàng nghìn bộ xử lý và kết hợp hàng

triệu tương tác liên bộ xử lý. Bởi vậy khả năng trừu tượng và tính toán module là
các đặc tính rất quan trọng trong lập trình song song. Các mô hình thông dụng bao
gồm:
- Mô hình chia sẻ bộ nhớ.
- Mô hình luồng.
- Mô hình truyền thông điệp.

24


- Mô hình song song dữ liệu.
1.2.1. Mô hình chia sẻ bộ nhớ
Trong mô hình này, nhiệm vụ cùng chia sẻ một không gian địa chỉ chung có
thể được truy cập đọc ghi theo phương thức không đồng bộ.Các cơ chế khác nhau
như khóa (locks) và semaphore được điều khiển để truy cập đến bộ nhớ toàn cục.
Nhược điểm của mô hình này là khó giữ lại được tính nguyên thủy của dữ liệu
khi mà nhiều bộ xử lý dùng cùng dữ liệu này.
Lợi thế của mô hình là người lập trình không cần chỉ định việc truyền sữ liệu
giữa các task; chương trình được phát triển thường được đơn giản hóa.
1.2.2. Mô hình luồng
Trong mô hình luồng chương trình chính được chia thành các nhiệm vụ. Mỗi
nhiệm vụ được thực hiện bởi các luồng một cách đồng thời. Mỗi một luồng có dữ
liệu riêng của nó và chia sẻ dữ liệu toàn cục của chương trình chính. Các nhiệm vụ
đưa cho mỗi luồng là các thủ tục con của chương trình chính. Và bất kì luồng nào
cũng có thể thực hiện bất kì thủ tục con nào tại cùng thời điểm với các luồng
khác.Trong mô hình luồng các luồng kết nối với nhau thông qua bộ nhớ toàn cục
với việc kết nối này thì chương trình phải được xây dựng một cách đồng bộ để tránh
cùng một lúc có nhiều luồng cùng cập nhập một vị trí trong bộ nhớ toàn cục .

Hình 1.7:

Mô tả chương
trình trong tệp
a.out,

chương

trình khởi động
chạy như một
tiến trình đơn,
sau đó các tiến trình được khởi tạo để chạy đồng thời, các tiến trình có thể sử dụng
tài nguyên của a.out và có thể kết thúc riêng rẽ.

25