Η χρήση μετροπρογραμμάτων για την μέτρηση της επίδοσης και της απόδοσης συστημάτων αρχιτεκτονικής πολλαπλών επεξεργαστικών στοιχείων και συστημάτων λογισμικού για την υποστήριξη εκτέλεσης παράλληλων εφαρμογών πάνω σε πολυεπεξεργαστικές πλατφόρμες, είναι μία έγκυρη και ευρέως διαδεδομένη μέθοδος. Μάλιστα για την τυποποίηση τέτοιων προγραμμάτων, μεγάλες και παγκοσμίως αναγνωρισμένες ερευνητικές ομάδες, έχουν προτείνει και έχουν παραλληλοποιήσει συλλογή μετροπρογραμμάτων, ως αποτέλεσμα πολυετούς εμπειρίας και έρευνας. Οι πιο γνωστές συλλογές μετροπρογραμμάτων είναι τα SPEC, NAS και SPLASH. Όμως αν και οι κώδικες αυτών των συλλογών ετροπρογραμμάτων είναι διαθέσιμοι στην επιστημονική κοινότητα, δεν είναι δυνατόν να καλύπτουν πλήρως τις ανάγκες των ερευνητικών ομάδων παγκοσμίως που ασχολούνται με την έρευνα και την ανάπτυξη συστημάτων λογισμικού για την υποστήριξη παράλληλων εφαρμογών πάνω σε πολυεπεξεργαστικές πλατφόρμες. Η παρούσα διπλωματική, επιχειρεί τη μελέτη, την ανάλυση και την παραλληλοποίηση δύο σύνθετων ακολουθιακών εφαρμογών που θα χρησιμοποιηθούν ως μετροπρογράμματα για την αξιολόγηση συστημάτων υποστήριξης παράλληλων εφαρμογών. Οι πλατφόρμες υποστήριξης παράλληλων εφαρμογών αναπτύσσονται στο Εργαστήριο Πληροφοριακών Συστημάτων Υψηλών Επιδόσεων (ΕΠΣΥΕ). Η διπλωματική αποτελείται από την παρουσίαση και την ανάλυση μεθόδων βελτιστοποίησης εφαρμογών. Αναφέρεται σε βελτιώσεις μονοεπεξεργαστικών συστημάτων, που συνήθως συντελούνται με την αλλαγή κώδικα για την καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων του συστήματος, και από την προσαρμογή ή και την αλλαγή των ακολουθιακών αλγορίθμων για παράλληλες αρχιτεκτονικές συστημάτων SMP. Στη συνέχεια επιχειρούμε την βελτιστοποίηση και την παραλληλοποίηση δύο εφαρμογών τις οποίες θα χρησιμοποιεί η ομάδα παρλλαλήλων συστημάτων του εργαστηρίου ΕΠΣΥΕ για την αξιολόγηση του λογισμικού που αναπτύσσει στα πλαίσια των ερευνητικών της δραστηριοτήτων. Η μία εφαρμογή είναι από το χώρο της Ιατρικής και αφορά τον υπολογισμό του απαιτούμενου ποσοστού ακτινοβολίας για την ακτινοθεραπεία όγκων. Η δεύτερη εφαρμογή είναι από το χώρο της μοριακής χημείας και αναφέρεται στον υπολογισμό της κίνησης των μορίων, αερίων εγκλωβισμένων σε μάζες στερεών σωμάτων. Τέλος παραθέτουμε τις μετρήσεις των βελτιστοποιημένων και παραλληλοποιημένων εφαρμογών και τις βελτιώσεις που επιτυγχάνουν. Η προσπάθεια βελτιστοποίησης και προσαρμογής των συγκεκριμένων αλλά και επιπλέον εφαρμογών σε υπάρχουσες αλλά και σε νέες αρχιτεκτονικές θα συνεχιστεί, με στόχο την απόκτηση της απαιτούμενης τεχνογνωσίας για την βελτιστοποίηση και παραλληλοποίηση δικών μας εφαρμογών/μετροπρογραμμάτων, που θα χρησιμοποιούμε για την αξιολόγηση των πλατφορμών που αναπτύσσουμε για την υποστήριξη παράλληλης και ταυτόχρονης επεξεργασίας. / The use of benchmarks for the measurement of the effectiveness and performance of computer systems with multiple processors and of software systems that support parallel execution of applications on those platforms is a valid and widespread method. In fact, towards the standardization of such programs large and worldwide acknowledged research teams have proposed and parallelized a collection of benchmarks which are the result of many years of experience and research. The most known collections of such benchmarks are these of SPEC, NASH and SPLASH. Although the codes of this collection of benchmarks are in the disposal of the scientific community, they could not possibly fully cover the needs of the scientific teams all over the world that work in the field of research and development of software systems that support parallel applications the multiprocessor platforms. This thesis is an effort to study, analyze and parallelize two complex sequential applications that will be used as benchmarks for the evaluation of parallel application support systems. The platforms supporting parallel applications are developed in the High Performance Computer Laboratory in Patra (HPClab). This thesis includes a presentation and analyses of the optimization methods for parallel applications. It refers to improvements which are usually the result of changes in the programming code, in order to achieve optimal utilization of the given system resources. These improvements may also derive from the adjustment or even the change of the sequential algorithms for parallel SMP system architectures. What will follow, will be an attempt to optimize and parallelize two applications that will be used by the HPClab team in order to evaluate the software developed in the content of its research activity. The first application comes from the scientific field of medicine and regards the computation of the required amount of radiation applied for the cure of cancer. The second one comes from the scientific field of engineer chemistry and regards the computation of molecule movement of gases enclosed in solid objects. Finally, the measurements for the optimized and parallelized applications and the improvements achieved will be presented. The attempt to optimize and adjust these applications as well as others, will continue to be developed in the framework of existent and platforms, with the goal to attain the necessary know how for the optimization and parallelization of our own applications/benchmarks which will be used for the evaluation of the platforms developed and for the support of parallel applications.

Η εργασία αυτή ασχολείται με την υλοποίηση ενός μεταφραστή για το μοντέλο παράλληλου προγραμματισμού OpenMP. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για την υλοποίηση παράλληλων εφαρμογών για την αρχιτεκτονική κοινής μνήμης, και δίνει έμφαση στην ευκολία του προγραμματισμού και την μεταφερσιμότητα των παράλληλων εφαρμογών που αναπτύσσονται μ’ αυτό. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός μεταγλωττιστή παράλληλων εφαρμογών OpenMP για τη γλώσσα προγραμματισμού C σύμφωνα με την έκδοση 2.0 του προτύπου OpenMP. Ο μεταγλωττιστής που υλοποιήθηκε ανήκει στην κατηγορία των μεταφραστών, δηλαδή μεταφράζει τον πηγαίο κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού C με τις επεκτάσεις OpenMP, σε ισοδύναμο πηγαίο κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού C, στον οποίο οι επεκτάσεις OpenMP έχουν αντικατασταθεί από ισοδύναμα τμήματα κώδικα τα οποία χρησιμοποιούν κλήσεις βιβλιοθήκης νημάτων για την υλοποίηση του παραλληλισμού. Ο μεταφραστής έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι μεταφέρσιμος, υποστηρίζοντας πολλαπλές πλατφόρμες εκτέλεσης, και επεκτάσιμος, υποστηρίζοντας πολλαπλές βιβλιοθήκες νημάτων κατά τη μετάφραση των οδηγιών OpenMP. Η υλοποίηση του μεταφραστή έγινε στη γλώσσα προγραμματισμού Java, χρησιμοποιώντας το γλωσσικό εργαλείο ANTLR για την υλοποίηση του λεκτικού και συντακτικού αναλυτή. Ο μεταφραστής συνοδεύεται, επίσης, από μια βιβλιοθήκη χρόνου εκτέλεσης, η οποία περιέχει τις συναρτήσεις που ορίζονται από το πρότυπο OpenMP v2.0, καθώς και άλλες συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για την εκτέλεση των μεταφρασμένων παράλληλων εφαρμογών. Επίσης, στη βιβλιοθήκη υλοποιούνται οι πολιτικές χρονοδρομολόγησης, επιτρέπωντας εύκολα την υλοποίηση κάποιας νέας πολιτικής. Η βιβλιοθήκη έχει υλοποιηθεί σε γλώσσα προγραμματισμού C. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, έχει υλοποιηθεί η υποστήριξη των βιβλιοθηκών νημάτων POSIX και NANOS σε πολυεπεξεργαστικά συστήματα κοινής μνήμης, καθώς και οι πολιτικές χρονοδρομολόγησης που ορίζονται στο πρότυπο OpenMP v2.0. / The subject of this thesis is the implementation of a translator for the OpenMP parallel programming model. This model is used for the development of parallel applications for the shared memory model and emphasizes on the ease of programming and the portability of the applications developed with it. This thesis describes the design and the implementatino of a compiler for OpenMP parallel applications for the C programming language according to version 2.0 of the OpenMP model. The compiler that has been implemented belongs to the translator class, that is translates the source code in C programming language with the OpenMP extensions to equivalent source code in C programming language where the OpenMP extensions have been replaced with equivalent code segments which use thread library calls to implement the parallelism. The translator has been designed in order to be portable, supporting multiple execution platforms, and extensible, supporting multiple thread libraries during the translation of the OpenMP directives. The translator has been implemented using the Java language and using the language tool ANTLR for the implementation of the lexer and the parser. The translator comes with a run-time library, which contains all of the functions which are defined by the OpenMP v2.0, as well as other functions which are needed for the execution of the translated parallel applications. Also, the library contains the scheduling policies allowing easy implementation of a new one. The library has been implemented using the C language. The current implementation supports the POSIX and NANOS thread libraries in shared memory SMPs, as well as all the scheduling policies defined in OpenMP v2.0