Fakultät für Informatik der Technischen Universität München Informatik X: Rechnertechnik und Rechnerorganisation / Parallelrechnerarchitektur Prof. Dr. Arndt Bode , Prof. Dr. Hans Michael Gerndt

Home  | Adressen  | Personen  | Forschung  | Lehrveranstaltungen

Suche

Vorlesung im Sommersemester 2001

Symmetrische Multiprozessorsysteme:
Aufbau und Programmierung

Dr. Roland Wismüller

Bereich:	Informatik II ,,Technische Informatik und systemnahe Programmierung``, 2.1 ,,Rechnerbausteine und Rechnerarchitektur``, Vertiefungsvorlesung
Ort und Zeit:	Di., 12:00 - 13:00, N1090 Fr., 11:00 - 13:00, S0144 (Änderung!)
Stundenzahl:	3
Beginn:	24.04.2001
Übung:	Keine. Übungs- und Programmieraufgaben sind in die Vorlesung integriert.

Inhalt:

Symmetrische Multiprozessorsysteme (SMPs) sind die derzeit am meisten verbreitete Form paralleler Rechensysteme. Hochleistungsserver für Datenbanksysteme, WWW-Server oder Dateiserver basieren heute überwiegend auf der SMP-Technologie. Selbst im Bereich der High-End PCs finden sich SMP-Systeme, wenn auch noch mit sehr bescheidenen Prozessorzahlen (typischerweise 2 oder 4). Ein Verständnis des Aufbaus und der Programmierung von SMPs wird daher für immer breitere Anwendungsgebiete erforderlich.

Die Vorlesung behandelt detailliert sowohl die Architektur als auch die Programmierung von SMP-Systemen. Die charakterisierende Architektureigenschaft dieser Systeme ist das Vorhandensein mehrerer gleichberechtigter Prozessoren, die (bei kleineren Systemen) über einen Bus an einen gemeinsamen Arbeitsspeicher und die Peripherie angebunden sind. Zur effizienten Programmierung von SMPs werden v.a. leichtgewichtige Prozesse (Threads) und verschiedene Synchronisationskonstrukte (Semaphore, mutex locks) eingesetzt.

Inhaltsübersicht:

(Der geplante Inhalt kann je nach der Interessenslage der Zuhörer noch modifiziert werden. Die Angaben in [ ] geben die voraussichtliche Zahl der Vorlesungsstunden an.)

1. Einführung [2]

   Lernziele, Inhalt

   1.1

   Motivation: Warum SMPs?

   1.2

   Grundbegriffe zur Parallelverarbeitung

   1.3

   Grundlagen Multiprozessorsysteme

2. Architektur von SMPs [9]

   2.1

   Prinzipieller Aufbau von SMPs
   Architektureigenschaften; Entwurfs-Alternativen; Notwendigkeit von Caches

   2.2

   Kohärenz und Konsistenz
   Problem: Caches können noch alte (ungültige) Werte gespeichert haben
   Beispiele; Definitionen; Möglichkeiten zur Kohärenz-/Konsistenzsicherung

   2.3

   Zur Realisierung von SMPs

   2.3.1

   Prozessor
   Synchronisationsunterstützung; Befehle zur Konsistenzsicherung

   2.3.2

   Cache
   Grundlagen; Cache-Kohärenz-Protokolle; Realisierungen

   2.3.3

   Speicher

   2.3.4

   Verbindungsstruktur
   zwei grundlegende Strukturen:

   • zentraler Speicher und Bus
     Busse; Leistungssteigerung; Split-Transaction-Busse
   • verteilter Speicher und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
     CC-NUMA/COMA Architekturen; Directory-basierte Kohärenz-Protokolle

   2.4

   Konkrete Beispiele
   Sun Enterprise 6000/10000; SGI Origin 2000/3000

   2.5

   Übersicht SMP-Systeme

3. Betriebssystem-Aspekte [6]

   3.1

   Einprozessor- vs. SMP-Betriebssysteme
   Anforderungen; Probleme

   3.2

   Multithreaded Betriebssysteme
   Synchronisation

   3.3

   Threads
   Definition, Arten, Scheduling

   3.4

   Speicherverwaltung
   Gemeinsamer Speicher für Prozesse

4. Programmierung von SMPs [9]

   4.1

   Allgemeines
   Alternativen: unabhängige Prozesse, kommunizierende Prozesse, Threads

   4.2

   Programmierung mit Threads
   Konzepte und Probleme am Beispiel POSIX-Threads;
   Hinweise zur (parallelen) Programmierung mit Threads;
   Übungsaufgabe

   4.3

   (Semi-)Automatische Parallelisierung
   Beispiel: Werkzeug KAP; OpenMP

   4.4

   Praktische Übungen am Rechner

5. Leistungsbewertung und -optimierung [3]

   5.1

   Benchmarks für SMPs
   SPEC; TPC; STREAM

   5.2

   Optimierung von SMP-Programmen
   Leistungsanalyse; Erhöhung der Datenlokalität

Hörerkreis:

Informatiker und Interessierte anderer Fachrichtungen nach dem Vordiplom

Voraussetzungen:

Die Vorlesung Rechnerarchitektur ist empfehlenswert, wird aber nicht vorausgesetzt.

Empfehlenswert für:

1. Kennenlernen der in der Praxis am häufigsten vorzufindenden Server und Hochleistungsrechner
2. Einführung in die Programmierung mit Threads, mit Übungen
3. Vertiefung im Bereich ,,Technische Informatik und systemnahe Programmierung``
4. Vorbereitung für Systementwicklungsprojekte oder Diplomarbeiten im Gebiet parallele/verteilte Programmierung

Übungsschein:

Keiner

Skript/Literatur:

Folienkopien und weitere Unterlagen werden im WWW bereitgestellt.

Sprechstunde:

nach Vereinbarung per Email

Back: Mikroprozessoren

Up

Next: Grid Computing (Hochleistungsrechnen im World Wide Web)