Биография

Реферат

Библиотека

Ссылки

Отчет о поиске

Индивидуальное задание

Автореферат

по теме выпускной работы:

"Построение MIMD-решателей уравнений на базе

MPI и OpenMP стандартов"

(Руководитель: доцент кафедры ЭВМ Мальчева Р.В.

Консультант: ассистент кафедры ЭВМ Смагин А.Н.)

Введение. Обоснование актуальности темы

Моделирование динамических систем с концентрированными и распределенными  параметрами является актуальной проблемой для всех областей техники и технологий. В последние годы методы и средства моделирования интенсивно используются в реальных технических и технологических проектах для проверки достоверности проектных решений и выступают тем самым как важнейший фактор, который гарантирует качество проектирования, сокращение сроков внедрения проектов и освоение управляемых динамических систем обслуживающим персоналом. Играя настолько важную роль в техническом и технологическом прогрессе, моделирование как метод исследования выдвигает ряд требований к вычислительным системам и их программному обеспечению как средствам реализации моделей. Анализ показывает, что актуальным остаются разработка проблемно ориентированных параллельных моделирующих сред (ПОПМС), в которых вазливу роль играет MIMD-решатель уравнений. Важной задачей является разработка параллельных решателей уравнений для динамических сетевых объектов с концентрированными и распределенными параметрами. Проблемная ориентация заключаетмя в дружественном для пользователя описании объекта моделирования и решаемых задач, в специфическом виде результатов моделирования, а также в общем составлении интерфейса пользователя.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка, отладка и экспериментальные исследования MIMD-решателя уравнений на базе MPI и OpenMP стандартов, ориентированного на решение задач моделирования шахтных вентиляционных сетей (ШВС).

Для достижения этой цели в работе решаются такие задачи:

Характеристика сетевых динамических систем как объектов моделирования.

Разработка алгоритмов MIMD-решателя уравнений на базе MPI и OpenMP стандартов для модели СДО с концентрированными параметрами.

Имплементация и экспериментальные исследования MIMD- решателя уравнений на базе MPI и OpenMP стандартов для СДО с концентрированными параметрами.

Предполагаемая научная новизна

Провести анализ разных подходов к построению MIMD-решателей уравнений для моделирования сетевых динамических систем с концентрированными параметрами, что открывает положительные перспективы эффективного использования параллельных вычислительных ресурсов для комплексного решения задач моделирования ШВС.

Экспериментально подтвердить работоспособность алгоритмов решение уравнений для сетей разнообразной сложности.

Создать параллельные решатели уравнений, которые являются компоненентами параллельной моделирующей среды, что является определенным взносом в развитие параллельных моделирующих сред для моделирования сетевых динамических объектов.

Планируемая практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в разработке:

Работоспособной и эффективной компоненты параллельной моделирующей среды, MIMD-решателей уравнений для СДО с концентрированными параметрами, которые позволяют решать практические задачи моделирования ШВС (проектные, эксплуатационные, задачи автоматизации управления);

Пакета программ на языке С++ с использованием MPI и OpenMP, который входит в состав програмно-аппаратных средств параллельной моделирующей среды, которая может применяться в угольной промышленности и  в учебном процессе.

Что сделано до

Основы модельного сопровождения проектов ДС были в значительной мере отработаны на аналоговых и аналого-цифровых средствах моделирования. С середины 80-х начался интенсивный переход к средствам цифрового моделирования: разработаны и имплементированы  на всех типах цифровых ЭВМ блочно- и уравнение-ориентированные языки моделирования ДС, быстро развивалась аппаратная  база моделирования – персональные и супер ЭВМ, параллельные вычислительные системы SIMD- и MIMD-архитектур, которые были призваны компенсировать отсутствие сверхмощных параллельных процессоров в моделирующих комплексах.

В середине 90-х была разработана концепция распределенной параллельной моделирующей среды ДС и структурная организация параллельной моделирующей среды, основными компонентами которой являются аппаратные средства, системное и моделирующее программное обеспечение. К аппаратным средствам среды доступ возможно иметь как с  рабочих мест, территориально приближенных к сверхмощным вычислительным системам (суперSISD, SIMD, MIMD), так  и с существенно отдаленных. В последнем случае должен использоваться Интернет-технология доступа. Структурой предусмотрены локальные серверы, которые  могут иметь параллельные ресурсы, модельно ориентированное периферийное оборудование и средства построения полунатурных моделирующих комплексов .

Активное участие в разработке SIMD-компоненты РПМС принимал участие Штутгартский университет. Совместно была разработана структура моделирующего программного обеспечения, исследованы параллельные  алгоритмы моделирования ДСКП, ДСРП, разработана подсистема диалога, решен ряд тестовых задач. Имплементация алгоритмов выполнена на SIMD-языке параллельного программирования Parallaxis, а экспериментальные исследования - на SIMD-системе MasPar. Работы велись в таких направлениях: обобщение опыта параллельного моделирования на уровне языков программирования и разработка SIMD-языка моделирования во взаимосвязи с построением подсистемы диалога; исследование аспектов объектно-ориентированного подхода; построение библиотек параллельного моделирования ДСКП, ДСРП; экспериментальные исследования проблемно ориентированных моделирующих SIMD-сред; применение параллельных SIMD-моделей в горном деле и учебном процессе. В последние годы актуальной является разработка MIMD-компоненты.

Проблема построения РПМС является предметом научного сотрудничества факультета ВТИ с институтом параллельных и распределенных сверхмощных вычислительных систем (IPVR) Штутгартского университета. Разработка проблемно ориентированных сред выполняется с институтом системной динамики и автоматического управления (ISR) Штутгартского университета и СДПП “Азот” (г. Северодонецк). Проблема интеграции моделирующих сред с САПР исследуется вместе с институтом автоматизации и программного обеспечения (IAS) Штутгартского университета.

Текущие и планируемые результаты

На данный момент разработано:

подходы к распараллеливанию алгоритмов функционирования РУ:

-         основанный на MIMD структуре,  

-         основанный на SPMD  структуре.

 Поиск варианта MIMD - распараллеливания можно вести в рамках этих  программных структур.

Процесс Т₁ запускает выполнение процессов. К началу возможного параллельного выполнения Т₁ «ведущий» процесс выполняет большое число последовательных операций и подготавливает к запуску управляющие потоки Т₂ … Т_n.

Дальше эти процессы работают параллельно и достигают каждый окончание своей программы и выполняется операция объединения, которая ведет к синхронизации с процессом Т₁ и к терминированию потоков Т₂ … Т_n. При каждом выполнении параллельного кода в программе управляющие потоки генерируются и терминируются снова  (рис.1.1).

                                                                     Рис. 1.1. MIMD-подход к распараллеливанию

Генерирование и детерминирование управляющих потоков вызывает  затраты ресурсов. Их экономия достигается в SPMD – модели распараллеливания.

 В SPMD – модели параллельные процессы (управляющие потоки) порождаются только один раз при запуске программы. Эти процессы терминируются в конце выполнения программы (рис. 1.2).

 Последовательные части программы выполняются всеми процессами, т.е. речь идет о многоразовом выполнении последовательных кодов программы над своими локальными данными.

Рис. 1.2 SPMD-подход к распараллеливанию

          Анализ этих структур показывает, что надо ориентироваться на SPMD-организацию решателя, выполнять программу на нескольких MIMD-процессорах. При этом в каждом процессоре будут свои исходные и конечные данные.

Анализируя варианты распараллеливания операций по вычислению компонентов X, Y, можно предложить ряд вариантов виртуальной MIMD - модели сетевых объектов. Под виртуальной будем понимать модель, в которой выделены параллельно функционирующие, относительно автономные процессы, совместно обеспечивающие решение задачи.

Схему виртуальной модели, которая распараллелена по SPMD – принципу и соответствует количеству ветвей, показана на рис.1.3.

Рис. 1.3. Виртуальная MIMD-модель РУ (X и Y не объединены)  

В этой модели предусмотрено m  виртуальных процессов, каждый из которых ведет вычисление либо компоненты X, либо Y. После нахождения текущих значений компоненты X выполняется вычисление значений правых частей Y компоненты, в ходе которого происходит обмен информацией между процессами, дальше элементы Y - компоненты передаются виртуальным процессам компоненты X.

Девиртуализацией назовем процесс отображения виртуальной модели (рис. 1.4, рис. 1.5) на целевую параллельную вычислительную систему (ЦПВС), т.е. ту вычислительную систему, которая есть в распоряжении пользователя. Выполним девиртуализацию для виртуальной модели (рис.1.3). Как можно увидеть из рис.4.5, Х - процессы простаивают часть времени, кроме того, количество операций, которая выполняется этими процессами,  меньшая, чем у Y - процессов. Есть смысл выполнить объединение Х - процессов в группы, что составят X компоненту, а Y – процессы -  Y компоненту, с целью выровнять нагрузку процессоров двух компонент (рис.1.4).

Рис. 1.4. Девиртуализация MIMD-модели РУ (X и Y не объединены)

В ходе дальнейшей работы планируется реализовать полученные подходы с помощью OpenMP технологии и проанализироать быстродействее решеателей уравнений.

Заключение

Интенсивное развитие технических средств информационных технологий для моделирования сложных динамических систем предоставляет возможности для уменьшения материальных затрат и человеческих ресурсов. В ходе данной работы разрабатывается MIMD-решатели уравнений на базе MPI и OpenMP стандартов. Для того, чтобы достичь поставленных перед разработчиком целей, необходимо разработать эффективную методику реализации параллельных решателей уравнений с использованием ведущих MPI и OpenMP стандартов.