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第一章 绪论1

1.1 引言2

1.1.1 什么是并行计算机2

1.1.2 为什么需要并行计算机4

1.1.3 如何学习并行计算机7

1.2 并行计算机发展背景8

1.2.1 应用需求9

1.2.2 技术进展12

1.2.3 结构趋势15

1.3 典型并行计算机系统简介20

1.3.1 SIMD阵列处理机20

1.3.2 向量处理机23

1.3.3 共享存储多处理机25

1.3.4 分布存储多计算机26

1.3.5 共享分布存储多处理机28

1.4 当代并行计算机体系结构32

1.4.1 并行计算机结构模型32

1.4.2 并行计算机访存模型36

1.4.3 并行计算机存储层次及其一致性问题40

1.5 并行计算机的应用基础42

1.5.1 并行计算模型42

1.5.2 并行程序设计模型50

1.5.3 同步54

1.5.4 通信58

1.5.5 并行化技术与程序调试64

1.6 国产曙光系列并行机系统介绍70

1.6.1 全对称共享存储多处理机系统：曙光1号71

1.6.2 大规模并行处理系统：曙光-100075

1.6.3 超级并行计算机系统：曙光-200078

1.7 小结83

1.7.1 当今并行机体系结构研究的几个主要问题83

1.7.2 并行计算机中的若干新技术86

习题89

参考文献94

第二章 性能评测96

2.1 引言97

2.1.1 什么是并行机的基本性能97

2.1.2 为什么是研究并行机的性能评测99

2.1.3 如何评测并行机的性能100

2.2 机器级性能评测101

2.2.1 CPU和存储器的某些基本性能指标101

2.2.2 并行和通信开销104

2.2.3 并行机的可用性与好用性106

2.2.4 机器的成本、价格与性能/价格比109

2.3 算法级性能评测112

2.3.1 加速比性能定律113

2.3.2 可扩放性评测标准118

2.4 程序级性能评测129

2.4.1 基准测试程序的分类129

2.4.2 基本基准测试程序131

2.4.3 并行基准测试程序133

2.4.4 商用基准测试程序135

2.4.5 SPEC测试程序136

2.5 如何提高高性能137

2.5.1 任务划分138

2.5.2 通信分析140

2.5.3 任务组合140

2.5.4 处理器映射141

2.5.5 任务的分配与调度142

2.6 小结146

习题147

参考文献148

第三章 互连网络150

3.1 引言151

3.1.1 系统互连151

3.1.2 网络部件152

3.1.3 网络的性能指标154

3.2 静态互连网络155

3.2.1 典型的互连网络155

3.2.2 静态互连网络综合比较158

3.3 动态互连网络159

3.3.1 多处理机总线159

3.3.2 交叉开关161

3.3.3 多级互连网络163

3.3.4 动态互连网络比较165

3.4 机群中的互连技术167

3.4.1 Myrinet167

3.4.2 HiPPI和超级HiPPI169

3.4.3 光纤通道和FDDI环172

3.4.4 异步传输模式ATM175

3.4.5 可扩展一致性接口SCI181

3.4.6 以太网186

3.5 选路与死锁188

3.5.1 信包传输方式188

3.5.2 选路算法190

3.5.3 死锁避免194

3.6 流量控制197

3.6.1 链路层流量控制197

3.6.2 端到端流量控制200

3.7 交换开关的设计201

3.7.1 端口201

3.7.2 内部数据路径202

3.7.3 通道缓冲区203

3.7.4 输出调度205

3.8 实例研究206

3.9 小结208

习题209

参考文献212

第四章 对称多处理机系统214

4.1 引言215

4.1.1 SMP的特点215

4.1.1 多处理机中的扩展存储层次结构216

4.2 高速缓存一致性和顺序一致性模型218

4.2.1 高速缓存一致性问题218

4.2.2 高速缓存一致的存储系统220

4.2.3 总线侦听实现高速缓存一致性221

4.2.4 顺序一致性模型224

4.3 侦听高速缓存一致性协仪228

4.3.1 侦听协议的类型228

4.3.2 三态写回无效(MSI)协议229

4.3.3 四态写回无效(MESI)协议231

4.3.4 四态写回更新(Dragon)协议233

4.4 基本高速缓存一致性协议的实现235

4.4.1 正确性要求236

4.4.2 基本实现237

4.5 多级高速缓存243

4.5.1 维护包含性244

4.5.2 层次高速缓存一致性的传播246

4.6 分事务总线246

4.6.1 基本设计247

4.6.2 支持多线高速缓存250

4.7 同步问题252

4.7.1 基本问题252

4.7.2 互斥操作253

4.7.3 点到点事件同步257

4.7.4 全局事件同步258

4.8 实例分析：SGI Challenge260

4.8.1 SGI处理器和主存子系统261

4.8.2 SGI I/O子系统262

4.9 小结263

习题264

参考文献265

第五章 大规模并行处理机系统267

5.1 MPP技术概论268

5.1.1 MPP特性和问题270

5.1.2 MPP系统概述273

5.2 实例分析1：Cray T3E的体系结构276

5.2.1 T3E的体系结构277

5.2.2 T3E的系统软件279

5.3 新一代ASCI/MPP系统280

5.3.1 ASCI可扩放设计策略280

5.3.2 硬件和软件要求281

5.3.3 定约的ASCI/MPP平台283

5.4 实例分析2：Intel/Sandia ASCI Option Red284

5.4.1 Option Red的体系结构284

5.4.2 Option Red的系统软件287

5.5 三个典型的MPP系统的运行性能评估289

5.6 小结291

习题293

参考文献294

第六章 机群系统296

6.1 引言297

6.1.1 基本概念297

6.1.2 体系结构299

6.2 设计要点300

6.2.1 可用性301

6.2.2 单一系统映象306

6.2.3 Solaris MC中的单一系统映像309

6.3.1 研究动机313

6.3 作业管理313

6.3.2 作业管理系统314

6.3.3 研究现状316

6.3.4 负载共享程序318

6.4 并行文件系统324

6.4.1 数据的物理分布324

6.4.2 缓存329

6.4.3 数据预取332

6.4.4 I/O接口334

6.5 实例分析338

6.5.1 Berkeley NOW338

6.5.2 IBM SP2系统344

6.6 小结351

习题352

参考文献353

第七章 分布式共享存储系统356

7.1 引言357

7.1.1 并行计算机的存储系统组织357

7.1.2 常见的共享存储系统359

7.2 可扩放的高速缓存一致性协议363

7.2.1 高速缓存一致性363

7.2.2 基于目录的高速缓存一致性协议365

7.3 放松的存储一致性模型370

7.3.1 目录协议中访存事件次序的实现371

7.3.2 弱存储一致性模型374

7.3.3 存储一致性模型的框架模型378

7.4.1 Stanford的DASH多计算机(CC-NUMA结构)380

7.3.4 高速缓存一致性协议和存储一致性模型的关系380

7.4 硬件DSM实例研究380

7.4.2 Kendall Square Research的KSR1(COMA结构)385

7.5 共享虚拟存储系统SVM388

7.5.1 SVM系统中的关键技术389

7.5.2 实例研究：JIAJIA共享虚拟存储系统394

7.6 小结403

习题405

参考文献409

第八章 并行机中的通信与延迟413

8.1 引言414

8.1.1 延迟的基本概念415

8.1.2 延迟容忍技术的基本要求和收益上限419

8.1.3 消息传递模型下的各种延迟容忍技术420

8.2 延迟避免421

8.2.1 采用放松的一致性模型422

8.2.2 大块数据传输423

8.3 延迟容忍427

8.3.1 预通信427

8.3.2 多线程435

8.4 延迟减少447

8.4.1 用户级通信技术447

8.4.2 主动消息实现技术450

8.5 小结455

习题455

参考文献458

专业术语中英对照及索引461