基于MPI+OpenMP混合編程模型的并行聲納信號(hào)處理技術(shù)研究?

胡銀豐 孔 強(qiáng)

1 引言

近20年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模并行計(jì)算也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，采用商用的微處理機(jī)構(gòu)架，處理器數(shù)目達(dá)到了1000量級(jí)，我國(guó)的高性能并行計(jì)算技術(shù)也在飛速的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)的大型高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到每秒超百萬(wàn)億次的計(jì)算能力，并且適合于辦公室環(huán)境使用的高性能計(jì)算機(jī)也被開發(fā)出來(lái)，加速了高性能計(jì)算機(jī)的普及。另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也同時(shí)飛速發(fā)展，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)普及，高帶寬低延遲的網(wǎng)絡(luò)也為聲納數(shù)據(jù)通訊提供了卓越的性能［1，4］。

隨著聲納系統(tǒng)不斷的朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、一體化和高性能的方向發(fā)展，對(duì)硬件資源的重新分配，軟件的重新構(gòu)建提出了更高的要求，隨著計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)的不斷完善，特別是分布式并行處理技術(shù)的成熟，為我們提供了一種有效的技術(shù)手段。本文將高性能并行技術(shù)引入聲納實(shí)時(shí)信號(hào)處理中，提出了一種基于MPI+OpenMP混合編程模型的聲納信號(hào)處理并行計(jì)算技術(shù)，將并行計(jì)算的設(shè)計(jì)思路引入聲納信號(hào)處理的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件資源的分配和數(shù)據(jù)通訊鏈路自動(dòng)調(diào)度完成，不需要人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了不依賴于硬件的聲納信號(hào)處理任務(wù)，極大地提高了軟件開發(fā)的靈活性和可重構(gòu)性。

2 MPI+OpenMP混合編程模型

目前，高性能計(jì)算領(lǐng)域大部分的系統(tǒng)為SMP集群，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種體系結(jié)構(gòu)同時(shí)具備結(jié)點(diǎn)間分布式存儲(chǔ)和結(jié)點(diǎn)內(nèi)共享內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)［12］。

MPI［2］（Message Passing Interface）消息傳遞編程是高性能并行計(jì)算中廣為流行的編程模式。但是在很多情況下，采用單純的MPI消息傳遞編程模式并不能在這種多核處理器構(gòu)成的集群上取得理想的性能［5］。OpenMP［3］是共享存儲(chǔ)編程的實(shí)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是一種編譯指導(dǎo)語(yǔ)句，指導(dǎo)多線程、共享內(nèi)存并行的應(yīng)用程序編程接口?？梢奙PI與OpenMP能夠在SMP集群上混合使用，例如，結(jié)點(diǎn)間采用MPI消息傳遞通信，結(jié)點(diǎn)內(nèi)采用OpenMP共享內(nèi)存并行。這種混合編程模式與SMP集群的體系結(jié)構(gòu)非常匹配，能夠充分發(fā)揮硬件架構(gòu)的性能［6～11］。

MPI+OpenMP混合編程模型的實(shí)現(xiàn)機(jī)制描述如下：

在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)MPI進(jìn)程，這個(gè)MPI進(jìn)程首先進(jìn)行必要的初始化。為了保證程序的線程安全，必須使用函數(shù)MPI_Init_thread替換MPI_Init進(jìn)行初始化；

1）每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的MPI進(jìn)程可以獨(dú)立作一些局部計(jì)算，需要時(shí)也可以進(jìn)行結(jié)點(diǎn)間的通信。

2）在每個(gè)MPI進(jìn)程內(nèi)部，通過OpenMP編譯指導(dǎo)語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)多線程并行計(jì)算。

3）OpenMP計(jì)算部分和MPI計(jì)算部分可以穿插進(jìn)行，當(dāng)全部計(jì)算完成后，MPI進(jìn)程結(jié)束。

4）下面給出混合編程模型的偽代碼，MPI初始化采用MPI_Init_thread，MPI終止采用MPI_Finalize，中間插入OpenMP并行編譯指導(dǎo)為每個(gè)進(jìn)程啟動(dòng)若干線程。

MPI_Init_thread（）；

一部特定的聲納是針對(duì)基陣數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行不同功能化的處理，各個(gè)功能的計(jì)算處理都是獨(dú)立的，只是在互相配合時(shí)才產(chǎn)生少量的數(shù)據(jù)交互，這就具有了典型的分布式并行計(jì)算的特性，適合使用MPI進(jìn)行粗粒度的功能化并行。另外，對(duì)于特定的聲納信號(hào)處理，往往都是對(duì)各通道或者各波束的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理的，存在大量的獨(dú)立循環(huán)，因此，每個(gè)信號(hào)處理的算法本身就具有可以并行的特性，適合使用OpenMP進(jìn)行多線程細(xì)粒度的并行計(jì)算?？梢奙PI+OpenMP混合編程模型適合聲納實(shí)時(shí)信號(hào)處理的并行實(shí)現(xiàn)。

3 并行聲納信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件運(yùn)行環(huán)境及配置

本文使用的硬件平臺(tái)為曙光PHPC100高性能并行計(jì)算機(jī)，是采用了分布式共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)的機(jī)群式高性能計(jì)算機(jī)。PHPC100共由五個(gè)刀片服務(wù)器結(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)結(jié)點(diǎn)內(nèi)置兩個(gè)AMD皓龍4核CPU，主頻3.0GHz，每個(gè)結(jié)點(diǎn)獨(dú)享8G內(nèi)存，即系統(tǒng)內(nèi)共有2*4*5=40個(gè)CPU計(jì)算核心，可支持最多40個(gè)進(jìn)程（線程）并發(fā)執(zhí)行。

PHPC100各結(jié)點(diǎn)間通過高性能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，各結(jié)點(diǎn)除了可以作為單一的計(jì)算資源供交互式用戶使用外，還可以協(xié)同工作并表現(xiàn)為單一、集中控制的計(jì)算資源供并行計(jì)算任務(wù)使用。它是一種造價(jià)低廉、易于構(gòu)建，具有較好可擴(kuò)展性的并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)。機(jī)群中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間均可以通過網(wǎng)絡(luò)互相通訊，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常靈活，向下支持常用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，向上支持MPI消息傳遞并行庫(kù)。PHPC采用Linux操作系統(tǒng)，同時(shí)使用MPI+OpenMP混合編程的方式支持并行計(jì)算。

3.2 聲納信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)代聲納的主要功能有全向警戒、跟蹤、收聽、測(cè)距、目標(biāo)識(shí)別、魚雷報(bào)警分析等，這些功能本身都具有自己獨(dú)特和復(fù)雜的算法，但是，從工程計(jì)算的角度看，各個(gè)功能是可以分開進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算的，具有顯式并行的特征。因此我們?yōu)槊總€(gè)功能分配不同的計(jì)算結(jié)點(diǎn)，由MPI控制任務(wù)的分配，所有功能自動(dòng)分配運(yùn)行在各個(gè)計(jì)算核心上，硬件資源的分配和數(shù)據(jù)鏈路由并行計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，數(shù)據(jù)流、控制流均通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于每個(gè)具體的功能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同功能算法的計(jì)算量大小，可以通過選擇OpenMP線程數(shù)，對(duì)代碼進(jìn)行簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部線程級(jí)的并行。例如，可以將多波束形成的計(jì)算分拆到多個(gè)線程上計(jì)算，設(shè)形成的波束個(gè)數(shù)為K，設(shè)波束號(hào)分別為［1、2、3、…、K］，根據(jù)計(jì)算量估算需要使用的計(jì)算核心個(gè)數(shù)為p。

1）將波束號(hào)區(qū)間劃分為p個(gè)均等的子區(qū)間；

2）每個(gè)線程分別計(jì)算自己所屬子區(qū)間的波束形成；

3）由主線程匯總，輸出。

程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用上述的軟件架構(gòu)，我們?cè)谑锕釶HPC100上實(shí)現(xiàn)了具有警戒、跟蹤、偵察、收聽等主要功能的聲納信號(hào)處理軟件，運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

高性能并行計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，為現(xiàn)代聲納信號(hào)處理的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)保證，其具有的高速、并行、巨大的計(jì)算能力為復(fù)雜大型工程提供了方便。本文在分析多核分布式共享存儲(chǔ)集群體系機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲納信號(hào)處理的特點(diǎn)，提出了一種基于MPI+OpenMP混合編程模型的聲納實(shí)時(shí)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法。將并行計(jì)算的設(shè)計(jì)思路引入聲納信號(hào)處理的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地提高了軟件開發(fā)的靈活性和可重構(gòu)性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件平臺(tái)的分離，信號(hào)處理編程在一個(gè)通用的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，簡(jiǎn)化了信號(hào)處理軟件開發(fā)的難度。并且能夠滿足聲納信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求。

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