Parallel Programming Platforms（并行编程平台）
串行计算机由处理器，内存，和数据通道组成。任何一部分都可以成为处理速度的瓶颈。多处理器，多内存，多数据通道是一种有效的解决方法。（多重性可以隐藏，也可以提供给程序员）。
在对代码并行化之前，要先优化串行代码的性能。
指令执行的五个阶段：取指令，解指令，执行指令，内存访问，写回
流水线（Pipelining）： 流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。性能受限于最慢的一个阶段。
超流水线：就是将每个阶段再进行细分成更小的步骤，同样是细分后的每个阶 段，单个阶段的运算量小了，单位耗时s也就减少，这样实际上就是提高了时钟频率。这种将标准流水线细分的技术，就是超级流水线技术。当然，流水线和超级流 水线之间并没有很明显的区别。这对分支预测的要求很高，预测失败的代价大。
超标量：超标量（superscalar）是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。 其实质是以空间换取时间。
指令相关性：数据相关（等待上条指令结果），资源相关（用到同一个部件），分支相关
绝大多数处理器都支持乱序发送指令，这也叫做动态指令发送。
执行部件的浪费分为两种：水平浪费和垂直浪费。水平浪费是指同一时钟周期，不是所有执行部件都在使用，而垂直浪费是指由于CPU停顿，导致某个时钟周期中所有执行部件都没有在使用。
周期4和7是垂直浪费，因为两个部件都没有执行。周期6是水平浪费，因为只有一个部件在执行。周期0-3都是垂直浪费，所以整个利用率为3/8（8个周期，有三次计算）
超长指令字处理器（Very Long Instruction Word Processors）
使用与超标量处理器不同的方法，先绑定能够并发执行的指令，因此叫做超长指令。（硬件更加简单，依赖于编译器）
延迟：多少时间后能得到内存数据（使用高速缓存）。
带宽：能读到数据后，一秒能读到多少数据（在硬件条件不变的前提下，增大每次读取块的大小）（具有空间本地性，连续的计算需要有连续的数据）（时间本地性，读取的数据都是最近要用的，数据会在最近被重复使用）。
多线程和预取可以躲避内存延迟
多线程系统成为带宽的限制而不是延迟的限制。多线程和预取只是解决延迟问题，通常会导致带宽问题加剧。
并行平台的控制结构
单指令流多数据流（SIMD）单一控制部件向每个处理器分派相同指令。
多指令流多数据流（MIMD）每个处理器有自己的控制单元，每个处理器可以对不同的数据执行不同的指令。（每个处理器都能够独立于其他处理器执行不同的程序。需要在每个处理器上存取程序及安装操作系统）
SPMD:MIMD的一个变形，用一个程序的多个实例在不同数据上运行。
SIMD Processors （需要更少的硬件单元，但是设计成本更高）& MIMD Processors
并行平台的通信模型
Shared-Address-Space Platforms（共享地址空间平台）
支持SPMD编程的共享地址空间平台也称为多处理器（multiprocessors）
共享地址空间的内存可以是处理器独占的，也可以是全局的。
uniform memory access (UMA) multicomputer：访问系统中任何内存字的时间都相同（全局或本地）。
shared-address-space ：无论是共享内存还是分布式内存，都可以有共享地址空间。
shared-memory computers ：内存物理上被多个处理器共享。
Message-Passing Platforms（消息传递平台）
（Platforms that support messaging are also called message passing platforms or multicomputers）
多计算机间的交互必须用消息传递，因为没有共享地址空间。（可以用共享地址空间模拟）
理想并行计算机的体系结构
串行计算模型的扩展：p个处理器，大小不受限的全局内存。这种理想模型称为并行随机访问计算机（PRAM）
这种结构代价很大，如果有p个处理器m个字的全局内存，那么EREW需要O(mp)个锁。
并行计算机互联网络
提供多个处理节点之间（如消息传递平台）或处理器与内存模块之间的数据传输机制。分为动态和静态两种。互联网络由链路和开关组成。
静态网络称为直连网络，在处理器之间建立点到点的连接。
动态网络称为间接连接网络，中间由很多开关组成。
网络拓扑结构
基于总线的网络，交叉开关网络，多级网络（折中方案）
Omega是一种常用的多级互联网络，级数为logP，每一级的互联都是将二进制数左旋一位（将最左边的二进制位放于最右边）。这种互联模式称为完全混洗（perfect shuffle）。每一级的开关数有p/2个，所以一个开关有两个输入和两个输出。开关的输入和输出定义关系有直通式和跨接式。可能会阻塞。
直通式和跨接式的选择：设s为需要写数据到存储区t的处理器的二进制表示。数据穿过链路到达第一个开关节点。比较s和t的最高有效位，一致则采取直通式，不同则采取跨接式。到达第二个开关节点后比较s和t的第二个有效位，依次类推到达t存储区。
全连接网络：交叉开关网络的静态对应模型。任意对的通信不会阻塞其他对的通信。
星形连接网络：与基于总线的网络类似。
线性阵列：从一维推到二维（每一个维度有根号p个节点）推到三维（有回绕则是将首尾也连接起来）
k-d格网：d维，每一维上有k个节点。超立方体是k-d格网的一个极端。有logp维，每个维度有两个节点。d维超立方体由连接两个（d-1）维的超立方体组成。在给节点编号时，通过将一个立方体的编号开头为0，另一个超立方体编号开头为1的方式，可以很容易的根据编号每一位是否相同得到他们之间的链路数目（0110和0101差两个链路）。
基于树的网络：有静态和动态的，动态的只有叶子节点是处理器。树网络中越往上的节点要处理更多的数据。在动态网络中，可以通过增加通信链路，以及增加更接近根节点的交换节点个数，来减少瓶颈。这种动态网络称为胖树。
直径（Diameter）：任意两个节点之间的最长距离（距离定义为两个节点之间的最短路径）
连通性：将一个网络分为两个不连通网络需要删去的最小弧数目。
对分宽度（Bisection Width）：把网络分为两个相同网络必须删去的最小通信链路数目。通道带宽是通道速度和通道宽度的乘积。
互联网络的评价：
多处理器当中的高速缓存一致性
当处理器修改变量的一个副本时必须发生两件事之一：
无效协议：使得其他的副本无效，这时候有处理器要读取该变量时必须从被修改的副本这里处取得（假共享：不同处理器更新相同高速缓存行中不同部分的情况。这样子无效协议会使得高速缓存行在不同处理器之间传来传去）；
更新协议：其他的副本也更新（如果某个副本不再使用，这样会造成多余开销）。
当前的高速缓存一致性计算机通常依靠无效协议。
实线为处理器操作，虚线为一致性操作， C_write为一致性写 。
注意最后的x = x + y, y = x + y， 执行第二条时虽然x已经无效，但之前已经读过x了，所以还是拿的之前的值。
一致性协议的实现
高速缓存侦听系统：所有处理器都侦听总线事务。每个处理器的高速缓存都有一组标记位。（瓶颈在于共享总线的带宽有限，单位时间只能执行这样一组数量不变的一致性操作）所有的处理器都要侦听所有信息。因此可以使用目录的方式。
基于目录的系统：状态表示当前变量状态，存在位表示在哪个处理器中。
只有拥有某一个特定块的处理器，才会由于一致性操作参与转换。
并行计算机的通信成本
消息传递的成本
存储转发路由：一个节点完全接收消息之后才会转发给下一个节点。
包路由：把消息切分为多个包。每个包可能走不同路径。通信时间同直通路由，但是有包头的开销。
直通路由（cut-through routing）：强制所有的包走相同的路径，强制顺序发送，减少路由选择信息开销 。
优化消息传送的成本：
1. 大块通信。每次发送的消息尽可能大，因为每次发消息都要一个ts。一个消息可以分为多个包。
2. 减少数据的大小
3. 减少数据传送的距离。
共享地址空间计算机的通信成本
很难准确计算
互联网络的路由选择机制
- 路由选择机制分为确定性路由选择和自适应路由选择。
- 维序路由选择（dimension-ordered routing）是确定性路由的一种。有XY-routing和e-cube routing等。在一个无回绕的二维格网中，先沿X维发出，到达所在列再从Y维发出。在一个立方体中，先从最低不同有效位开始进行发送。
- Routing must avoid hot-spots - for this reason, two-step routing is often used. In this case, a message from source s to destination d is first sent to a randomly chosen intermediate processor i and then forwarded to destination d.
进程-处理器映射的影响和映射技术
程序员无法控制进程-处理器映射。映射到E’的任意边上的边数最大值称为映射拥塞度。E中任意一条边能映射到E‘中的最大链路数目，称为映射膨胀度（dilation）。集合V’中节点的数目和集合V中节点数目之比称为映射扩充度（expansion）
线性阵列嵌入到超立方体
如图所示，原来线性阵列中的4和5通信变成了6和7通信。全都只差一位，所以the congestion, dilation, and expansion of the mapping are all 1
将格网嵌入超立方体
格网中的每一行都映射到超立方体中的不同子立方体上。将行的映射和列的映射串在一起就是立方体上的节点值了。
如上图，把行数（0，1）映射，列数（0，1，2，3）映射，把映射的结果合并就是了。膨胀度和拥塞度都是1。
将格网嵌入线性阵列
这是将稠密网络映射到稀疏网络（边数变少了），所以一定会造成阻塞。
任何映射的拥塞度下界都为根号p，可以通过对分宽度考虑。
将超立方体嵌入二维格网
如果稀疏网络的链路带宽增大到可以抵消拥塞，就可以按稠密网络一样运行。高维网格通常布局复杂，人们通常更喜欢胖的低维网格。
成本-性能平衡
将环绕格网与超立方体进行对比。如果两者的链路数目一样（成本一致），格网的带宽更大。如果使用直通路由选择，当节点数p>16且消息m够大时，格网的通信成本更低。如果使用的是存储-转发路由，则格网不再具有成本有效性。
如果网络负载很重，使用超立方体更好。在网络负载较轻的条件下，同样成本的格网性能总是好于超立方体。
如果网络成本与对分带宽成正比，也可以得出同样结论。