基于x86多核架构的数学函数扩展库设计与实现

摘要

随着多核并行计算技术的普及,如何开发适应多核体系架构的软件逐渐成为人们关注的焦点。然而,要想真正发挥出多核处理器的最佳效力,软件的开发一定要跟上多核硬件的开发速度,多核处理器非常需要与之相配备的系统软件和应用软件。各种高性能计算机系统都提供面向科学计算和工程应用领域的底层数学函数库,因此要充分发挥出多核处理器的计算能力,必须要针对多核体系架构的特点,建立起高度优化的数学函数库。
　　 本论文以GNU GSL科学数值函数库为基础,针对X86多核体系结构,设计并实现一个高性能数学函数扩展库HPSL(High Performance Scientific Library),HPSL由数值函数库和图像扩展库两部分组成,其中数值函数库是针对GSL中的BLAS函数库和FFT进行并行优化实现的,图像扩展库部分是在GSL函数库的基础上扩展出一个面向图像处理领域的图像压缩编解码函数库。
　　 本课题的研究内容包括:在剖析并行计算技术和x86多核体系架构的基础上,探讨能够发挥出x86多核处理器性能的多线程编程技术。接着,在详细分析了BLAS函数库Level2、Level3核心函数和FFT的基础上,测试其性能表现,根据它们在多核处理器上的性能表现作出相应调整,并对这些函数进行并行优化和算法优化.最后,利用GSL函数库中的基础函数小波变换对GSL进行扩展,设计出基于小波变换的图像压缩编解码函数库,并针对压缩过程中的核心函数进行并行优化。在优化完成后,依据Amdahl定律对并行后的结果进行分析,并总结出相应的性能评价。
　　 本课题的意义表现在:针对当前的x86多核技术,通过对传统的数学函数库进行算法优化和多线程程序设计,将以往的串行计算扩展为高性能的多核并行计算,并取得了良好的性能提升,为今后计算软件的并行化提供参考。