面向杂凑密码算法的专用指令加速器的设计与实现

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作者 王轩 刘勤让 +3 位作者 陈磊 魏帅 范旺 杨恒 《计算机工程与应用》 北大核心 2025年第2期363-371,共9页

物联网的快速发展对嵌入式设备的系统性能和数据安全性的要求越来越高,传统的通用嵌入式处理器对密码算法的实现效率不高,不能很好满足性能需要,此外嵌入式设备还有着低功耗的场景需求。为解决以上问题,在Xilinx ZYNQ ZC706嵌入式开发... 物联网的快速发展对嵌入式设备的系统性能和数据安全性的要求越来越高,传统的通用嵌入式处理器对密码算法的实现效率不高,不能很好满足性能需要,此外嵌入式设备还有着低功耗的场景需求。为解决以上问题,在Xilinx ZYNQ ZC706嵌入式开发平台上设计了一个低功耗的面向杂凑密码算法的专用指令加速器,该加速器包含有取指译码单元、执行单元和数据访存单元,通过多任务数据并行和专用指令实现计算加速;并设计令牌机制解决指令执行时的数据冲突问题;在高层次综合(high-level synthesis,HLS)工具的基础上通过存储优化改进访存机制,有效提高带宽利用率。实验结果表明,加速器的工作频率为100 MHz,该ARM+FPGA方案相较于单ARM方案可达3倍以上的加速效果,而且运行功耗仅为2.23 W,该加速器也可定制化拓展,有较好的灵活性。 展开更多

关键词 嵌入式应用 加速器设计 专用指令 高层次综合 数据并行

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面向RISC-V向量扩展的高性能算法库优化方法

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作者 韩柳彤 张洪滨 +2 位作者 邢明杰 武延军 赵琛 《软件学报》 北大核心 2025年第9期3985-4005,共21页

高性能算法库可以通过向量化的方式高效地利用单指令多数据(SIMD)硬件的能力,从而提升其在CPU上的执行性能.其中,向量化的实现需要使用目标SIMD硬件的特定编程方法,而不同SIMD扩展的编程模型和编程方法均存在较大差异.为了避免优化算法... 高性能算法库可以通过向量化的方式高效地利用单指令多数据(SIMD)硬件的能力,从而提升其在CPU上的执行性能.其中,向量化的实现需要使用目标SIMD硬件的特定编程方法,而不同SIMD扩展的编程模型和编程方法均存在较大差异.为了避免优化算法在不同平台上的重复实现,提高算法库的可维护性,在高性能算法库的开发过程中通常需要引入硬件抽象层.由于目前主流SIMD扩展指令集均被设计为具有固定长度的向量寄存器,多数硬件抽象层也是基于定长向量的硬件特性而设计,无法包含RISC-V向量扩展所引入的可变向量寄存器长度的硬件特性.而若将RISC-V向量扩展视作定长向量扩展引入现有硬件抽象层设计中,会产生不必要的开销,造成性能损失.为此,提出了一种面向可变长向量扩展平台和固定长度SIMD扩展平台的硬件抽象层设计方法.基于此方法,重新设计和优化了OpenCV算法库中的通用内建函数,使其在兼容现有SIMD平台的基础上,更好地支持RISC-V向量扩展设备.将采用优化方法的OpenCV算法库与原版算法库进行性能比较,实验结果表明,运用该方法设计的通用内建函数能够将RISC-V向量扩展高效地融入算法库的硬件抽象层优化框架中,并在核心模块中获得3.93倍的性能提升,显著优化了高性能算法库在RISC-V设备上的执行性能,从而验证了该方法的有效性.此外,工作已经开源并被OpenCV社区集成到其源代码之中,证明了方法的实用性和应用价值. 展开更多

关键词 RISC-V向量扩展 数据级并行 高性能库优化 开源计算机视觉算法库(OpenCV)

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基于多级实体关联的光栅断点故障数据并行挖掘方法

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作者 陈思 赵鹏 杨潞霞 《激光杂志》 北大核心 2025年第4期180-185,共6页

在光栅断点故障数据中,存在多种类型的实体,这些实体具有多个层级,导致关联分析变得复杂,加大了故障数据挖掘的难度。多级实体关联分析考虑了故障数据的多层次特性,通过关联相似性能够对故障数据进行更为全面的捕捉。因此,提出基于多级... 在光栅断点故障数据中,存在多种类型的实体,这些实体具有多个层级,导致关联分析变得复杂,加大了故障数据挖掘的难度。多级实体关联分析考虑了故障数据的多层次特性,通过关联相似性能够对故障数据进行更为全面的捕捉。因此,提出基于多级实体关联的光栅断点故障数据并行挖掘方法。采用多级实体关联模型,通过层次化分析计算关联相似度,有效捕捉和简化光栅断点故障数据的复杂关系和层次结构。在MapReduce框架下,结合多级实体关联的层次化相似性结果,采用区间型FCM聚类算法对大规模光栅断点故障数据进行并行挖掘。实验结果表明,所提方法在处理光栅断点故障数据时,能够显著提升并行挖掘的吞吐量,使其稳定维持在6 kbps以上,并且显著降低了计算开销。 展开更多

关键词 多级实体关联 关联相似度 光栅断点 故障数据 并行挖掘

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面向FT-M7002的阈值分割算法优化实现

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作者 陈云 胡伟方 +1 位作者 王梦园 商建东 《计算机应用与软件》 北大核心 2024年第8期254-258,310,共6页

在国产高性能DSP的快速发展过程中,缺乏能充分发挥其体系结构优势的高性能图像处理算法。针对以上问题,对应用比较广泛的Otsu阈值分割算法进行面向FT平台的并行优化。在分析FT-M7002体系结构以及Otsu阈值分割算法的基础上,使用飞腾向量... 在国产高性能DSP的快速发展过程中,缺乏能充分发挥其体系结构优势的高性能图像处理算法。针对以上问题,对应用比较广泛的Otsu阈值分割算法进行面向FT平台的并行优化。在分析FT-M7002体系结构以及Otsu阈值分割算法的基础上,使用飞腾向量指令集进行手工向量化改写以充分利用FT-M7002平台超长向量寄存器,从而减少数据访存次数提高数据级并行性。在多种图像矩阵规模下进行性能测试,结果显示,阈值分割中的阈值比较模块优化后获得了3.74~4.39倍的加速效果,Otsu阈值分割算法总体优化实现获得了1.77~1.87倍的加速效果。 展开更多

关键词 FT-M7002 Otsu阈值分割 手工向量化 循环展开 数据级并行

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SIMD自动向量化编译优化概述 被引量：36

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作者 高伟 赵荣彩 +2 位作者 韩林 庞建民 丁锐 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第6期1265-1284,共20页

SIMD扩展部件是集成到通用处理器中的加速部件,旨在发掘多媒体程序和科学计算程序的数据级并行.首先介绍SIMD扩展部件的背景和研究现状,然后从发掘方法、数据布局、多平台向量化这3个角度介绍了SIMD自动向量化的研究问题、困难和最新研... SIMD扩展部件是集成到通用处理器中的加速部件,旨在发掘多媒体程序和科学计算程序的数据级并行.首先介绍SIMD扩展部件的背景和研究现状,然后从发掘方法、数据布局、多平台向量化这3个角度介绍了SIMD自动向量化的研究问题、困难和最新研究成果,最后展望了SIMD编译优化未来的研究方向. 展开更多

关键词 SIMD扩展部件 自动向量化 数据级并行 编译优化

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DSP体系结构发展的新趋势 被引量：5

6

作者 黄 峰 李胜平 +2 位作者 朱全庆 熊召新 邹雪城 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2002年第4期1-2,218,共3页

CISC→RISC设计思想对DSP体系结构设计中数据和指令级并行性开发产生了深刻影响,融合RISC和SIMD技术的单核处理器已经成为DSP体系结构设计的新趋势。

关键词 超长指令字 单指令多数据流 数据级并行性 指令级并行性 DSP 数字信号处理器 体系结构 单核处理器

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萤火虫2:一种多态并行机的硬件体系结构 被引量：16

7

作者 李涛 杨婷 +5 位作者 易学渊 蒲林 钱博文 黄光新 黄虎才 韩俊刚 《计算机工程与科学》 CSCD 北大核心 2014年第2期191-200,共10页

提出了一种新型的多态高效并行阵列机结构——萤火虫2号阵列机。该结构的处理单元可以在SIMD和MIMD两种模式下运行,兼有异步执行机制,还可以实现分布式指令级并行处理。采用了硬件的多线程管理器和高效通信机制,这些机制使得此种阵列机... 提出了一种新型的多态高效并行阵列机结构——萤火虫2号阵列机。该结构的处理单元可以在SIMD和MIMD两种模式下运行,兼有异步执行机制,还可以实现分布式指令级并行处理。采用了硬件的多线程管理器和高效通信机制,这些机制使得此种阵列机能够实现效率很高的线程级并行运算、数据级并行运算和分布式指令级并行运算。尤其值得指出的是,此种阵列机的流处理性能堪与专用集成电路匹敌。该结构还能有效实现静态与动态数据流计算,可以高效实现图形、图像和数字信号处理任务。 展开更多

关键词 阵列机 多态处理器 计算机图形 图像处理 信号处理 数据级并行 线程级并行

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基于Spark的大数据热图可视化方法 被引量：12

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作者 张繁 袁兆康 +2 位作者 肖凡平 尤堃 王章野 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第11期1881-1886,共6页

针对普通客户端浏览和分析大数据困难的问题,结合Spark和LOD技术,以热图为例提出一种面向大数据可视化技术框架.首先利用Spark平台分层并以瓦片为单位并行计算,然后将结果分布式存储在HDFS上,最后通过web服务器应用Ajax技术结合地理信... 针对普通客户端浏览和分析大数据困难的问题,结合Spark和LOD技术,以热图为例提出一种面向大数据可视化技术框架.首先利用Spark平台分层并以瓦片为单位并行计算,然后将结果分布式存储在HDFS上,最后通过web服务器应用Ajax技术结合地理信息提供各种时空分析服务.文中重点解决了数据点位置和地图之间的映射,以及由于并行计算导致的热图瓦片之间边缘偏差这2个问题.实验结果表明,该方法将数据交互操作与数据绘制和计算任务分离,为浏览器端大数据可视化提供了一个新的思路. 展开更多

关键词 热图 并行计算 大数据 细节层次

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基于数据级任务分解的配电网分布式并行计算平台 被引量：14

9

作者 黄伟 庞琳 +1 位作者 曹彬 焦润海 《电网技术》 EI CSCD 北大核心 2014年第4期1103-1108,共6页

为实现大规模配电网的实时分析计算,构建了基于数据级任务分解的配电网分布式并行计算平台。结合配电网运行结构和设备配置,以配电网馈线作为分析单元,采用数据级并行计算方式对配电网计算任务进行分解。配置管理模块、实例、执行端和... 为实现大规模配电网的实时分析计算,构建了基于数据级任务分解的配电网分布式并行计算平台。结合配电网运行结构和设备配置,以配电网馈线作为分析单元,采用数据级并行计算方式对配电网计算任务进行分解。配置管理模块、实例、执行端和客户端4个子系统,分别实现任务生成、任务分解、任务派发以及子任务计算等功能,形成分布式并行计算平台框架。引入消息中间件ZeroMQ技术,采用不同类型套接字的组合实现分布式系统内部的N-N高效通信及与外部系统的数据交互。为验证该平台的实用性及并行计算性能,在平台上实现了山东省某市的城市配电网全局状态估计的分布式并行计算。算例分析表明:在配电网节点达到一定规模时,采用该平台进行分布式并行计算具有明显的速度优势。 展开更多

关键词 数据级并行 分布式并行计算平台 配电网 分布式通信架构

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并行编译中一种线性数据和计算划分算法 被引量：5

10

作者 董春丽 韩林 赵荣彩 《计算机工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第24期26-28,共3页

对于高性能并行计算机而言,如何找到一种好的计算和数据划分,对数据和计算进行合理划分,增加数据本地化来减少处理器间的通信是提高其并行性能的关键。该文讨论了一种线性的自动进行无数据重组的计算和数据划分算法。

关键词 并行编译 数据划分 计算划分 循环级并行

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面向SLP的多重循环向量化 被引量：13

11

作者 魏帅 赵荣彩 姚远 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第7期1717-1728,共12页

如今,越来越多的处理器集成了SIMD(single instruction multiple data)扩展,现有的编译器大多也实现了自动向量化的功能,但是一般都只针对最内层循环进行向量化,对于多重循环缺少一种通用、易行的向量化方法.为此,提出了一种面向SLP(sup... 如今,越来越多的处理器集成了SIMD(single instruction multiple data)扩展,现有的编译器大多也实现了自动向量化的功能,但是一般都只针对最内层循环进行向量化,对于多重循环缺少一种通用、易行的向量化方法.为此,提出了一种面向SLP(superword level parallelism)的多重循环向量化方法,从外至内依次对各个循环层次进行分析,收集各层循环对应的一些影响向量化效果的属性值,主要包括能否对该循环进行直接循环展开和压紧、有多少数组引用相对于该循环索引连续以及该循环所包含的区域等,然后根据这些属性值决定在哪些循环层次进行直接循环展开和压紧,最后通过SLP对循环中的语句进行向量化.实验结果表明,该算法相对于内层循环向量化和简单的外层循环向量化平均加速比提升了2.13和1.41,对于一些常用的核心循环可以得到高达5.3的加速比. 展开更多

关键词 SIMD 向量化 依赖关系分析 多重循环 超字并行

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针对子程序结构的线程级推测并行性分析 被引量：6

12

作者 梁博 安虹 +1 位作者 王莉 王耀彬 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 2009年第2期230-235,共6页

线程级推测技术为开发更多的线程级并行性,充分利用多核加速传统上难以手工或自动并行化的串行程序提供可行的技术途径.然而,这种技术的性能严重地依赖于线程划分方案.有研究表明,仅推测执行循环所产生的并行性是不够的,但推测执行子程... 线程级推测技术为开发更多的线程级并行性,充分利用多核加速传统上难以手工或自动并行化的串行程序提供可行的技术途径.然而,这种技术的性能严重地依赖于线程划分方案.有研究表明,仅推测执行循环所产生的并行性是不够的,但推测执行子程序结构比循环结构要难.本文提出寻找适于推测并行执行的子程序结构的基本判定依据;通过运行由Simplescalar工具集改造得到的动态剖析工具ProRV、ProFun和SPEC CPU2000基准测试程序,我们对子程序结构线程化推测执行的适合性进行详细分析,给出具有指导意义的实验分析方法和实验数据.我们发现:1无返回值的子程序结构占据程序整体执行时间的大约40%;返回稀疏整型的子程序结构占据了程序整体执行时间的大约10%,对其返回值的预测成功率在70%左右.对于其他返回值类型的子程序结构,由于对其返回值的预测成功率过低,我们认为不适合作为线程划分的对象.2简单的last-value的值预测方案对于返回值的预测是简单而且足够有效的.3访存数据依赖普遍存在于子程序与其后继代码之间,显式同步机制对于针对子程序结构的线程级推测是必要的. 展开更多

关键词 线程级推测 串行程序自动并行化 子程序结构 动态剖析 数据依赖分析

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一个结构网格并行CFD程序的单机性能优化 被引量：3

13

作者 车永刚 张理论 +4 位作者 王勇献 徐传福 刘巍 王正华 刘化勇 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2013年第3期116-120,共5页

从单机性能优化角度对一个高阶精度结构网格CFD并行程序进行了优化。通过识别关键变量并对其进行常量参数化优化,使编译器能够实现更高级别的针对性优化;根据程序数据结构特点及访问模式,设计了分级数据缓存技术,使程序主要计算代码能... 从单机性能优化角度对一个高阶精度结构网格CFD并行程序进行了优化。通过识别关键变量并对其进行常量参数化优化,使编译器能够实现更高级别的针对性优化;根据程序数据结构特点及访问模式,设计了分级数据缓存技术,使程序主要计算代码能够以更优的方式访问主要数据结构,提高了访存空间局部性;进行了各种循环变换,以优化访存性能。在国家超算长沙中心"Tianhe-1A"并行机上的测试结果表明,相对于采用Intel编译器最高优化级别的版本,其对100万网格点二维翼型算例,串行程序性能提高约22.2%～28.9%;对1.12亿网格点三角翼算例,并行程序性能提高约13.9%～20.2%。 展开更多

关键词 CFD并行计算 单机性能优化 关键变量参数化 分级数据缓存

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科学计算双路并行I/O优化方法 被引量：2

14

作者 曹立强 莫则尧 +2 位作者 沈卫超 夏芳 陈军 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第5期1035-1043,共9页

科学计算数据集由数据和元数据组成.一般条件下,数据的尺寸较大,元数据尺寸较小.传统的高性能计算机并行文件系统可以高效率地读写大块连续数据,但是无法高效率地读写大量较小块的元数据.一旦大块数据和小块元数据两类读写特征混杂在一... 科学计算数据集由数据和元数据组成.一般条件下,数据的尺寸较大,元数据尺寸较小.传统的高性能计算机并行文件系统可以高效率地读写大块连续数据,但是无法高效率地读写大量较小块的元数据.一旦大块数据和小块元数据两类读写特征混杂在一起,元数据将较严重地干扰并行I/O,造成性能的下降.为此,文中提出数据与元数据分治的双路并行I/O方法.该方法在高层I/O库中建立内存文件系统与并行文件系统两级存储,在存储资源之间并行迁移科学计算元数据.一方面降低较频繁读写元数据的I/O延迟,另一方面改变科学计算数据的存储特征与存储模式,从而提高科学计算应用、尤其是数据分析与可视化等读入密集型应用的I/O效率.测试表明,双路并行I/O方法可提高写性能8%~13%,提高读性能89%到1.01倍. 展开更多

关键词 并行I/O 高层I/O库 性能优化 数据格式 双路并行I/O

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流水安全法─—一个面向软件流水技术的新的数据相关性分析方法 被引量：2

15

作者 汤志忠 张赤红 乔林 《计算机学报》 EI CSCD 北大核心 1998年第S1期201-206,共6页

软件流水是一种很有效的指令级并行优化技术，而能否进行尽可能精确的数据相关性分析是决定软件流水优化效果的一个非常重要的因素．本文通过分析软件流水技术本身的特点，从保障软件流水安全为出发点，导出了一组更严洛有效的相关方程... 软件流水是一种很有效的指令级并行优化技术，而能否进行尽可能精确的数据相关性分析是决定软件流水优化效果的一个非常重要的因素．本文通过分析软件流水技术本身的特点，从保障软件流水安全为出发点，导出了一组更严洛有效的相关方程和限制不等式，大大提高了相关性判别的能力，最后与现有工作进行了比较，并用一个例子加以验证． 展开更多

关键词 数据相关性分析 指令级并行 软件流水 并行优化编译

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基于多层循环并行化的负载平衡优化 被引量：1

16

作者 郭克榕 唐新春 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 1997年第5期40-45,共6页

负载平衡是并行处理中的一个重要概念。参与一个程序执行的各处理机所承担的工作量是否均衡直接影响该程序的并行性能。本文对面向MPP系统程序循环级并行化中负载平衡的优化进行了探讨，提出了优化策略及其实施算法。

关键词 程序并行化 负载平衡 数据分布 并行处理 优化

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可逆处理器指令流水线的设计与仿真 被引量：1

17

作者 朱鹏程 管致锦 卫丽华 《计算机工程与设计》 北大核心 2016年第10期2654-2660,共7页

为实现可逆处理器的指令流水线,提出一种适合可逆指令流水的数据通路图。明确可逆指令流水线的7个阶段(即读指令、指令译码、读寄存器、运算/访问存储器、写寄存器、指令编码、返回指令)以及各阶段任务,分析在可逆约束下指令流水可能遇... 为实现可逆处理器的指令流水线,提出一种适合可逆指令流水的数据通路图。明确可逆指令流水线的7个阶段(即读指令、指令译码、读寄存器、运算/访问存储器、写寄存器、指令编码、返回指令)以及各阶段任务,分析在可逆约束下指令流水可能遇到的数据冒险和控制冒险,通过转发和阻塞技术解决此类冒险。通过仿真系统验证该指令流水线的正确性,仿真结果表明,该方法能有效实现可逆处理器中的指令级并发,在保证程序功能不变的前提下交换一些指令的位置,显著提高流水线性能。 展开更多

关键词 可逆处理器 流水线 数据冒险 控制冒险 指令级并发

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一种支持多重循环软件流水的寄存器结构 被引量：1

18

作者 容红波 汤志忠 《软件学报》 EI CSCD 北大核心 2000年第3期401-409,共9页

寄存器结构及其分配是软件流水算法的关键之一 .为支持多重循环的软件流水 ,该文提出一种新颖的寄存器结构 :半共享跳跃式流水寄存器堆 .它可以有效地解决多重循环软件流水下的特殊问题 ,即 :同层次和跨层次的寄存器重命名问题以及断流... 寄存器结构及其分配是软件流水算法的关键之一 .为支持多重循环的软件流水 ,该文提出一种新颖的寄存器结构 :半共享跳跃式流水寄存器堆 .它可以有效地解决多重循环软件流水下的特殊问题 ,即 :同层次和跨层次的寄存器重命名问题以及断流问题 ;有效地消除外层循环的体间读写相关 ,提高程序的指令级并行度 .它有 3种分配方式可供灵活使用 :单个寄存器、流水寄存器和寄存器组方式 .流水寄存器方式对生存期确定的、局限于一个循环层次的寄存器重命名问题提供简单而有效的支持 .寄存器组分配方式解决了多重循环软件流水时变量生存期不确定的情况 .跳跃操作为解决断流问题提供了快速数据传送 .工程实践表明 。 展开更多

关键词 指令级并行 寄存器堆 软件流水 寄存器结构

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支持数据重分布通信的计算和数据分解算法

19

作者 董春丽 赵荣彩 +1 位作者 韩林 张亚 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2007年第10期41-43,共3页

对于分布内存体系结构的并行计算机而言,如何对计算和数据进行合理划分以增加数据本地化减少处理器间的通信是提高其并行性能的关键,但在数据划分过程中,重分布通信有时不可避免,如何进行合理的数据和计算划分以减少通信并最大限度的利... 对于分布内存体系结构的并行计算机而言,如何对计算和数据进行合理划分以增加数据本地化减少处理器间的通信是提高其并行性能的关键,但在数据划分过程中,重分布通信有时不可避免,如何进行合理的数据和计算划分以减少通信并最大限度的利用程序的并行性是并行编译中的一个重要问题。该文主要讨论了一种支持数据重分布的自动进行计算和数据划分的算法。 展开更多

关键词 并行编译 数据分解 计算划分 数据重分布 循环级并行

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流化H.264编码的数据并行方法

20

作者 文梅 任巨 +3 位作者 伍楠 苏华友 荀长庆 张春元 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第3期66-71,共6页

流模型是一种源于媒体处理的新型并行计算模型。然而H.264编码作为媒体处理领域中的重要应用,在与流模型适配时,却出现重要障碍,主要是由于相关性问题极大地限制了流化过程中数据级并行的开发。针对这个问题,首先根据编码算法分析了编... 流模型是一种源于媒体处理的新型并行计算模型。然而H.264编码作为媒体处理领域中的重要应用,在与流模型适配时,却出现重要障碍,主要是由于相关性问题极大地限制了流化过程中数据级并行的开发。针对这个问题,首先根据编码算法分析了编码过程中遇到的相关性问题,然后为各主要编码模块分别提出解除相关性限制的数据并行编码方法。采用这些方法能够保证大数据并行粒度,最终达到高效并行流化编码的目的。实验表明采用数据并行流化编码方法,帧间预测、帧内预测、熵编码和去块滤波模块都获得了显著加速。 展开更多

关键词 H.264编码 流模型 并行计算 数据并行

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