多核時(shí)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程

多核時(shí)代的"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程院系：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)：姓名：

摘要:分析"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程在多核時(shí)代的發(fā)展變化,針對(duì)多核技術(shù)知識(shí)點(diǎn)在課程中的設(shè)計(jì)安排,探討課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式,闡述多核時(shí)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的特色.關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),多核,處理器

隨著2005年"多核微處理器"概念的出現(xiàn)和半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,單芯片多處理器成為現(xiàn)實(shí)并不斷推動(dòng)著多核技術(shù)的進(jìn)步.電子科技大學(xué)從2007年起將多核技術(shù)引入"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程,把多核技術(shù)作為重點(diǎn)講解內(nèi)容,以期由此完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu).

"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"(computerarchitecture)是研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化以及影響計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一門重要課程,主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、分析設(shè)計(jì)方法、性能評(píng)價(jià)、發(fā)展趨勢(shì)和新的實(shí)現(xiàn)技術(shù).在課程內(nèi)容上,"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程覆蓋計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字邏輯、模擬電路基礎(chǔ)等計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要課程;在邏輯關(guān)系上,"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"從計(jì)算機(jī)的并行技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)角度將上述相關(guān)課程聯(lián)系統(tǒng)一在計(jì)算機(jī)體系知識(shí)架構(gòu)上.

性能是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),是度量手段和解決方案涉及的永恒課題.在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,處理器的性能至關(guān)重要.四十多年前,intel公司的創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律一一計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管數(shù)量每18個(gè)月將翻一番,即處理器的速度每一年半到兩年翻一番.其原因是隨著芯片設(shè)計(jì)和制造工藝的發(fā)展,構(gòu)成處理器芯片的晶體管尺寸減小,改變狀態(tài)的電子數(shù)就變小,就可能提高處理器的時(shí)鐘頻率.為了不斷提高計(jì)算速度,設(shè)計(jì)者首選指令級(jí)并行和寄存器重命名策略.在芯片制造工藝與設(shè)計(jì)技術(shù)幾乎己經(jīng)達(dá)到極限時(shí),指令級(jí)并行就無(wú)法充分利用芯片上增加的晶體管數(shù)量來(lái)提高速度性能和運(yùn)算能力,多核也就成了自然的選擇.從所包含的處理器核結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，多核處理器分為同構(gòu)多核處理器和異構(gòu)多核處理器。同構(gòu)與異構(gòu)是多核處理器主要的兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)。同構(gòu)多核處理器中處理器芯片內(nèi)部的所有內(nèi)核結(jié)構(gòu)完全相同，各個(gè)內(nèi)核具有等同的地位。異構(gòu)多核處理器中異構(gòu)多核處理器芯片內(nèi)部采用多種功能不同的內(nèi)核，一般是由負(fù)責(zé)管理調(diào)度的主核和負(fù)責(zé)計(jì)算的從核構(gòu)成，或者由承擔(dān)定點(diǎn)、浮點(diǎn)、特殊計(jì)算等不同計(jì)算功能的多種內(nèi)核組成。從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，目前的同構(gòu)多核處理器大多數(shù)由通用的處理器核組成，每個(gè)處理器核可以獨(dú)立地執(zhí)行任務(wù)，與通用單核處理器結(jié)構(gòu)相近。異構(gòu)多核處理器通常同時(shí)集成通用處理器、DSP、媒體處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器等多種類型的處理器內(nèi)核，各個(gè)內(nèi)核針對(duì)不同的需求，從而提高應(yīng)用的計(jì)算性能。其中，通用處理器核常作為主核控制處理器以進(jìn)行通用計(jì)算，而其他處理器核用于加速特定的應(yīng)用。多核上將集成更多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗的核心。為了滿足性能需求，通過(guò)集成更多核心來(lái)提高性能是必然選擇，但是核心的結(jié)構(gòu)也必須考慮。因?yàn)槿绻诵慕Y(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，隨著核心數(shù)量的增多，不僅不能提升性能，還會(huì)帶來(lái)線延遲增加和功耗變大等問(wèn)題。例如，2007

年

Tilera

公司和

Plurality

公司分別推出自己的

64

核處理器產(chǎn)品，而

Intel

公司也將推出

80個(gè)核心的低功耗處理器。異構(gòu)多核是一個(gè)重要的方向。研究表明，將結(jié)構(gòu)、功能、功耗、運(yùn)算性能各不相同的多個(gè)核心集成在芯片上，并通過(guò)任務(wù)分工和劃分將不同的任務(wù)分配給不同的核心，讓每個(gè)核心處理自己擅長(zhǎng)的任務(wù)，這種異構(gòu)組織方式比同構(gòu)的多核處理器執(zhí)行任務(wù)更有效率，實(shí)現(xiàn)了資源的最佳化配置，而且降低了整體功耗。多核上應(yīng)用可重構(gòu)技術(shù)。大規(guī)模高性能可編程器件的出現(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field

programmable

gate

arrays，F(xiàn)PGA)

技術(shù)的發(fā)展。在芯片上應(yīng)用

FPGA

技術(shù)有高靈活性、高可靠性、高性能、低能耗和低成本多種優(yōu)勢(shì)。微處理器設(shè)計(jì)人員注意到了這種優(yōu)勢(shì)，并將

FPGA

等可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用到多核結(jié)構(gòu)上，讓結(jié)構(gòu)具備可重構(gòu)性和可編程性。這種創(chuàng)新思路大大提高了多核的通用性和運(yùn)算性能，使處理器既有了通用微處理器的通用性，又有專用集成電路的高性能，使之兼具了靈活性、高性能、高可靠、低能耗等眾多優(yōu)良特點(diǎn)。

所謂"多核(multi-core)",即指一塊芯片上集成多個(gè)處理核,而且這些處理核互相之間無(wú)需共享關(guān)鍵資源,各自擁有獨(dú)立的控制和計(jì)算部件.多核來(lái)源于硬件技術(shù)的革新,它會(huì)帶來(lái)軟件乃至計(jì)算技術(shù)的全面變革.多核在教學(xué)中帶來(lái)的變革可表現(xiàn)為兩種方式,一種為多核課程的單獨(dú)開設(shè);另一種為改造現(xiàn)有計(jì)算機(jī)課程體系,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增加多核知識(shí)點(diǎn).

為了更好地應(yīng)對(duì)新的"多核"時(shí)代,電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院從2007年開始在"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程中引入多核技術(shù)的教學(xué),從處理器體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)和程序設(shè)計(jì)三個(gè)方面給學(xué)生展現(xiàn)了一個(gè)比較完整的多核技術(shù)概覽圖景.

教研動(dòng)態(tài)研究"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的抽象思維能力、自頂向下系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力.基于課程在學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)中的重要性,全國(guó)重點(diǎn)和普通高校幾乎都開設(shè)了這門課,涌現(xiàn)了大量的教研成果.文獻(xiàn)[1-2]在建設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精品課程中,探索了新的教學(xué)模式和方法,并提出了硬件類課程教學(xué)改革和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的策略.文獻(xiàn)[3-4〕探討了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué),提出改革教學(xué)模式中的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,并分析了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo).文獻(xiàn)[5-6]介紹了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家精品課程的特色與建設(shè)經(jīng)驗(yàn),包括教學(xué)內(nèi)容、師資隊(duì)伍、教材建設(shè)、教學(xué)手段與方法、實(shí)踐條件、質(zhì)量管理等多方面的成果,形成了部隊(duì)院校課程的特色優(yōu)勢(shì).文獻(xiàn)[7一8]對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)教學(xué)改革進(jìn)行了探索.文獻(xiàn)研究了啟發(fā)式教學(xué)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用.上述教學(xué)研究表明,"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程教學(xué)成果眾多,但缺乏多核知識(shí)點(diǎn)的引入和多核體系更新.

關(guān)于多核技術(shù),文獻(xiàn)從計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的角度提出了自己的專業(yè)思考,提供了理解多核技術(shù)、并行計(jì)算與未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的視角.緊接著,文獻(xiàn)

從并行計(jì)算基礎(chǔ)、高性能計(jì)算前沿技術(shù)研討課、多線程/多核cpu邏輯設(shè)計(jì)短期課程等方面介紹了清華大學(xué)多核課程建設(shè)成果.對(duì)于多核技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì),文獻(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析與總結(jié).文獻(xiàn)對(duì)多核多線程處理器的發(fā)展及其軟件系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究,介紹了基于mips體系結(jié)構(gòu)的多核處理器特點(diǎn),并給出了路由器中軟件的架構(gòu).文獻(xiàn)〔15-19]介紹了"多核程序設(shè)計(jì)"課程,并總結(jié)了多核精品課程建設(shè).文獻(xiàn)〔20]

介紹了"多核架構(gòu)及編程技術(shù)"這一教育部一intel精品課程建設(shè)成果.文獻(xiàn)[21]對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中引入多核技術(shù)做了詳細(xì)介紹,并探討了多核教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式.

通過(guò)對(duì)多核技術(shù)教研動(dòng)態(tài)的充分調(diào)研,我們不難得到多核技術(shù)在國(guó)內(nèi)教學(xué)中的實(shí)施狀況,幾乎都是新增多核課程或修改原有課程(如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等)的教學(xué)內(nèi)容,以期適應(yīng)多核時(shí)代帶來(lái)的變化.

多核技術(shù)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)多核是為了更好地支持高性能計(jì)算和并行計(jì)算的一種新型技術(shù),它在硬件和軟件兩個(gè)方面革新了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).由此,多核技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)發(fā)生了變化,這種變化主要來(lái)自于多核技術(shù)所帶來(lái)的新知識(shí)點(diǎn).多核技術(shù)所涉及的知識(shí)點(diǎn)可歸納為:1)多核下的硬件設(shè)計(jì)技術(shù),包括cache與存儲(chǔ)一致性、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、ro管理.2)多核芯片與傳統(tǒng)單核微處理器的區(qū)別、多核soc(systemonachip)芯片技術(shù)、嵌入式多核芯片技術(shù)以及典型多核芯片(cell,opensparc,intel雙核芯片、amd雙核芯片等).3)并行體系與多核體系結(jié)構(gòu)、多核平臺(tái)結(jié)構(gòu)與芯片組支持技術(shù)、多核平臺(tái)上編譯工具.4)多核操作系統(tǒng)、多核系統(tǒng)軟件對(duì)并行編程的支持、多核api優(yōu)化函數(shù)庫(kù).5)多線程編程對(duì)多核的支持、windows/linux多核多線程編程技術(shù)、openmp對(duì)多核的支持、多核多線程程序的性能評(píng)測(cè)方法與工具.

多核技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的多個(gè)方面,開設(shè)獨(dú)立的多核課程難度較大,我們?nèi)詫⒍嗪藘?nèi)容劃分為處理器體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)和程序設(shè)計(jì)三個(gè)方面,涵蓋在"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程中.在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)多核技術(shù)方面的知識(shí)點(diǎn),希望達(dá)到的目標(biāo)是:（1）將"多核"概念和知識(shí)添加到本科生課程體系中,注重"個(gè)性化"和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),強(qiáng)調(diào)多核架構(gòu)與編程能力的訓(xùn)練.（2）理解普適的多核思想和硬件設(shè)計(jì)理念,普及并行計(jì)算技術(shù),使廣大的本科生能在以后的程序設(shè)計(jì)與開發(fā)中可以運(yùn)用多核計(jì)算思想.

（3）向計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生介紹多核技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn),激發(fā)學(xué)生研究興趣和創(chuàng)造潛能,幫助他們更有效地開展進(jìn)一步的科研工作.

課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)模式探討設(shè)計(jì)多核技術(shù)知識(shí)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向,可在介紹計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)的過(guò)程中,深入淺出地介紹多核硬件與相關(guān)的技術(shù),課程的教學(xué)內(nèi)容重新設(shè)計(jì)為:

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論,包括多核技術(shù)中的并行體系與多核體系結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn);（2）數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)與指令系統(tǒng);（3）流水線技術(shù);（4）指令級(jí)并行及限制;（5）存儲(chǔ)系統(tǒng):（6）輸入輸出系統(tǒng);（7）多處理機(jī)系統(tǒng),包括多核技術(shù)中的系統(tǒng)架構(gòu)、多核硬件結(jié)構(gòu)、多核操作系統(tǒng)、多核多線程編程等知識(shí)點(diǎn);（8）多計(jì)算機(jī)系統(tǒng).

在上述教學(xué)內(nèi)容中,多核及相關(guān)知識(shí)講授占"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程總課時(shí)的1/4,是課程考核的重點(diǎn)和難點(diǎn).這樣就在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排上突出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展教改成果和多核技術(shù)的最新發(fā)展成果,有效地支持了多核技術(shù)的講授.

針對(duì)上述的課程內(nèi)容,在教學(xué)模式上應(yīng)確保多核知識(shí)點(diǎn)的"面"和"點(diǎn)",教學(xué)重點(diǎn)突出,全面兼顧.

可以采用問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)法、圖示實(shí)例輔助法、專題討論法、課程設(shè)計(jì)法等教學(xué)模式.

課程特色計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展至多核時(shí)代,課程經(jīng)過(guò)多年的演變和從并行計(jì)算基礎(chǔ)、高性能計(jì)算前沿技術(shù)研討課、多線程/多核cpu邏輯設(shè)計(jì)短期課程等方面介紹了清華大學(xué)多核課程建設(shè)成果.對(duì)于多核技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì),文獻(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析與總結(jié).文獻(xiàn)對(duì)多核多線程處理器的發(fā)展及其軟件系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究,介紹了基于mips體系結(jié)構(gòu)的多核從所包含的處理器核結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，多核處理器分為同構(gòu)多核處理器和異構(gòu)多核處理器。同構(gòu)與異構(gòu)是多核處理器主要的兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)。同構(gòu)多核處理器中處理器芯片內(nèi)部的所有內(nèi)核結(jié)構(gòu)完全相同，各個(gè)內(nèi)核具有等同的地位。異構(gòu)多核處理器中異構(gòu)多核處理器芯片內(nèi)部采用多種功能不同的內(nèi)核，一般是由負(fù)責(zé)管理調(diào)度的主核和負(fù)責(zé)計(jì)算的從核構(gòu)成，或者由承擔(dān)定點(diǎn)、浮點(diǎn)、特殊計(jì)算等不同計(jì)算功能的多種內(nèi)核組成。從應(yīng)用的角度