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科学计算导论实验报告.docx

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    实 验 指 导 书
    实验一 并行计算-MPI
    实验目的：
    实验内容：
    实验环境：
    实验介绍：
    实验步骤：
    实验要求：
    实验二 MPI程序设计
    实验目的：
    实验内容：
    实验环境：
    实验示范代码：
    实验要求：
    实验三 GPU加速矩阵计算
    实验目的：
    实验内容：
    实验环境：
    实验示范代码：
    实验步骤：
    实验要求：
    实验四 热扩散方程求解与模拟
    实验目的：
    实验内容：
    空间离散
    时间离散
    实验环境：
    实验示范代码：
    可视化计算结果：
    实验要求：
    附录
    科学计算导论 科 学 计 算 导 论 实验指导书 高性能计算实验室：刘涛、赵冬梅 西南科技大学 计算机科学与技术学院 2018 年 08 月 1
    科学计算导论 实 验 指 导 书 实验一 并行计算-MPI 实验目的： 初步了解并行计算的概念，能够在 Windows 平台上安装 MPI 库（OpenMPI 或者 MPICH2），并掌握在 Visual studio 中调用 MPI 头文件的方法；初步掌握使用 MPI 编制并行程序的步骤与核心函数的意义及其参数的含义。 实验内容： （1）介绍并行计算消息接口 MPI 的定义、应用背景与基本概念； （2）在教师指导下在 Windows 系统上安装 MPI，（鼓励学生在 Linux 操作系 统上安装以及完成实验）； （3）教师讲解 MPI 程序编制的基本步骤，演示基于 MPI 的两个演示程序； （4）在教师指导下，学生完成基于 MPI 的两个演示程序（鼓励学生添加入 其他基于 MPI 的功能），完成相应的实验报告。 实验环境： Windows 7 及以上操作系统，32/64 位系统均可，推荐 64 位；程序开发环境 要求 Microsoft Visual Studio 2008 及以上，MPI 要求为：MPICH2；硬件要求为：I3 及以上的多核 CPU（对应 AMD 多核处理器亦可）。 【备注】：估计学生在 Linux 系统上完成实验，可根据学生自己的兴趣与爱 好选择 Linux 版本。 实验介绍： MPI 是一个跨语言的通讯协议，用于编写并行计算机。支持点对点和广播。 MPI 是一个信息传递应用程序接口，包括协议和和语义说明，它们指明其如何在 各种实现中发挥其特性。MPI 的目标是高性能，大规模性，和可移植性。MPI 在 今天仍为高性能计算的主要模型。 常见的 MPI 实现包括 OpenMPI，MPICH 等，可在不同平台上实现 MPI 的并 行通信，常见的 MPI 函数如下： 1. Mpi_init（）初始化 MPI 执行环境，建立多个 MPI 进程之间的联系，为 后续通信做准备； 2. Mpi_finalize 结束 MPI 执行环境； 2
    科学计算导论 3. Mpi_comm_rank 用来标识各个 MPI 进程的，给出调用该函数的进程的进 程号,返回整型的错误值。两个参数：MPI_Comm 类型的通信域，标识参 与计算的 MPI 进程组； &rank 返回调用进程中的标识号； 4. Mpi_comm_size 用来标识相应进程组中有多少个进程； 5. Mpi_send(buf,counter,datatype,dest,tag,comm)： buf：发送缓冲区的起始 地址，可以是数组或结构指针；count：非负整数，发送的数据个数； datatype：发送数据的数据类型；dest：整型，目的的进程号；tag：整 型，消息标志；comm：MPI 进程组所在的通信域。 a) 含义:向通信域中的 dest 进程发送数据，数据存放在 buf 中，类型是 datatype，个数是 count，这个消息的标志是 tag，用以和本进程向 同一目的进程发送的其它消息区别开来。 6. Mpi_recv(buf,count,datatype,source,tag,comm,status)： source:整型，接 收数据的来源，即发送数据进程的进程号； status：MPI_Status 结构指 针，返回状态信息。 此外，还包括如下定义或函数： 数据类型和预定义的量 用于作为参数的数据类型 MPI_INT, MPI_DOUBLE, MPI_CHAR, MPI_Status 预定义的量 MPI_STATURS_IGNORE, MPI_ANY_SOURCE, MPI_ANY_TAG 集合通信 MPI_Bcast 广播，使得数据有 p 份拷贝 MPI_Scatter 散发，每份数据只拷贝一次 MPI_Gather 收集，每份数据只拷贝一次 MPI_Reduce 归约 点到点通信函数 MPI_Barrier(communicator)来完成同步 MPI_Bsend(message_data, size, data_type, dest_id, tag, communicator) 来 发 送数据，需要预先注册一个缓冲区，并调用 MPI_Buffer_attach(buffer, buf_size)来 供 MPI 环境使用 MPI_Buffer_attach(buffer, size)来把缓冲区 buffer 提交给 MPI 环境，其中 buffer 是通过 malloc 分配的内存块。 MPI_Buffer_detach(&buffer,&size)来确保传输的完成，尽量把 detach 和 attach 函数配对使用，正如尽可能同时使用 malloc 和 free，同时使用 Init 和 Finalize， 防止遗漏！ MPI_Pack_size(size, data_type, communicator, &pack_size)来获取包装特定类 型的数据所需要的缓冲区大小(还没有计入头部，所以真正缓冲区大小 buf_size = MPI_BSEND_OVERHEAD + pack_size，如果有多份数据发送，则 buf_size 还要叠加)。 使用 MPI_Recv(message, size, data_type, src_id, tag, communicator, status)来 接收数据，把已经到达接收缓冲区的数据解析到 message 数组中，只有全部数据 都解析出来时，函数才返回。 获取当前时间 double MPI_Wtime(void) 取 得 当 前 时 间 ， 计 时 的 精 度 由 double MPI_Wtick(void) 取得。作为对比，一般在 C/C++中，插入 time.h，通过 clock_t clock(void) 取得当前时间，计时的精度由常数 CLOCKS_PER_SEC 定义。 演示程序 1： 3
    科学计算导论 传统 C/C++程序学习中第一个程序为“Hello world!”，此实验中首先给出 C/C++语言的实现版本；如下 C 语言版： #include int main(void) { } /*下面要输出hello world*/ printf("hello world!"); return 0; C++语言版： #include "iostream" using namespace std; int main(void) { } cout<<"hello word!"< #include int main(int argc, char * argv[]) { } int myrank, nprocs; // 初始化MPI环境 MPI_Init(&argc, &argv); // 获取当前进程在通信器MPI_COMM_WORLD中的进程号 MPI_Comm_size (MPI_COMM_WORLD, &nprocs); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myrank); printf("Hellow, world! %dth of totalTaskNum = %d\n", myrank, nprocs); MPI_Finalize(); return 0; 得到的输出结果如下： 4
    科学计算导论 MPI+C++语言版： #include"mpi.h" #include using namespace std; int main(void){ int rankID; int sizeNum; MPI_Init(0,0); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &sizeNum); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rankID); cout<<"Hello world! "< #include int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { int myrank, nprocs, name_len, flag; double start_time, end_time; 5
    科学计算导论 char host_name[20]; MPI_Initialized(&flag); fprintf(stderr, "flag:%d/n", flag); MPI_Init(0,0); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&myrank); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&nprocs); MPI_Get_processor_name(host_name, &name_len); if (myrank == 0) { fprintf(stderr,"Precision of MPI_WTIME(): %f.\n",MPI_Wtick()); fprintf(stderr,"Host Name:%s\n",host_name); } start_time = MPI_Wtime(); Sleep(myrank * 3); end_time = MPI_Wtime(); fprintf(stderr, "myrank: %d. I have slept %f seconds.\n",myrank,end_time-start_time); MPI_Finalize(); return 0; } 结果如下图所示： 6
    科学计算导论 实验步骤： 【备注】：在编译完成含 MPI 代码的程序之后，直接运行该程序，依然会出 现与无 MPI 代码的程序一样的结果，需要调用 mpiexec 命令来指定运行生成的可 执行文件，具体格式如下（Windows 系统中需要调用 cmd 终端界面）： Mpiexec –n 8 xx.exe 需要注意的是，如果未在系统环境变量中指定 mpiexec 的路径，则需要在命 令行中给出该命令的路径形式，“-n”则是指定多少个进程数，“xx.exe”则是自 己编译得到的可执行文件名。 实验要求： （1）独立完成两个演示程序。 （2）独立完成实验报告，给出在操作系统上安装 MPI 的详细过程，以及实 现的代码，着重分析 MPI 并行程序的优势以及可能的应用领域、普通 C/C++程序 与 MPI 程序的区别，在实验报告中应给出程序运行的结果截图。 7
    科学计算导论 实验二 MPI 程序设计 实验目的： 在第一个实验的基础上，采用 MPI 完成对于连续函数 f(x)的从起始位置到终 止位置的面积积分，采用梯形计算近似面积。要求能够深入理解近似积分求面积 的方法，掌握采用传统串行方法计算近似面积积分的方法，初步掌握 MPI 中消 息传递机制（MPI_Send 和 MPI_Recv），能够理解采用 MPI 并行求解面积积分的 思路和方法。 实验内容： （1）理解近似积分求面积的方法； （ 2 ） 采 用 传 统 串 行 方 法 计 算 =3.0+2.345∗+0.98372∗2+ 0.3221∗3的指定区域面积，记录求解所消耗的时间（要求在不少于 10 种不同 （3）采用 MPI 方法计算 =3.0+2.345∗+0.98372∗2+0.3221∗3 的指定区域面积，记录求解所消耗的时间（要求在不少于 10 种不同插样值下比 较，该 10 种插样值与步骤（2）种保持一致）； 插样值下比较）； （4）通过图表的方式对比两种方式的时间消耗曲线图，分析其背后的影响 因素，分析两种版本计算得到的面积值为何存在差异。 实验环境： Windows 7 及以上操作系统，32/64 位系统均可，推荐 64 位；程序开发环境 要求 Microsoft Visual Studio 2008 及以上，MPI 要求为：；硬件要求为：I3 及以上 的多核 CPU（对应 AMD 多核处理器亦可）。 【备注】：鼓励学生在 Linux 系统上完成实验，可根据学生自己的兴趣与爱 好选择 Linux 版本。 实验示范代码： 要求的实验步骤如下： （1）传统串行代码 LARGE_INTEGER now; LARGE_INTEGER then; LARGE_INTEGER fr; double estimat = 0.0; double delta = 0.0; const int fre = 50000000; //int myrank, nprocs,flag; 8
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