“多核架構(gòu)及編程技術(shù)”課程建設(shè)

引言

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院一直著力于培養(yǎng)具有三創(chuàng)精神（創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)）和實踐能力的復(fù)合型人才。自2005年“多核微處理器”概念出現(xiàn)以來，學(xué)院就意識到“多核架構(gòu)”及其“基于多核架構(gòu)的多線程編程技術(shù)”必將對現(xiàn)有的軟件設(shè)計和相關(guān)課程內(nèi)容產(chǎn)生影響，于是成立了“多核課程小組”，并研究規(guī)劃將“多核”概念和知識添加到本科生課程體系中。2006年，武漢大學(xué)加入“Intel大學(xué)合作計劃”，并成立“武漢大學(xué)－Intel多核技術(shù)實驗室”，2007年6月，獲得“教育部－Intel精品課程”建設(shè)項目批準。

1課程建設(shè)背景及課程體系設(shè)計

1.1課程名稱及課程目的

課程小組進行了近兩周的討論，從備選名中最終確定課程名稱為：“多核架構(gòu)及編程技術(shù)”。之所以確定此課程名，是因為多核課程的受眾是通信工程及電子信息工程等專業(yè)本科生，學(xué)生具有扎實的硬件基礎(chǔ)、較強的動手能力和較好的編程能力；針對專業(yè)特點及學(xué)生特點，多核架構(gòu)的認知與基于多核的多線程編程技能具有同等重要性；除了對多核多線程編程方法的學(xué)習(xí)和相關(guān)工具的使用技能學(xué)習(xí)外，多核架構(gòu)的學(xué)習(xí)和認知將有助于學(xué)生在硬件設(shè)計理念上得到提高。

課程名稱確定后，課程組又確定了課程的目的。大家一致認為應(yīng)緊緊圍繞“多核架構(gòu)及編程技術(shù)在本學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用”為主線開展教學(xué)活動，使學(xué)生掌握多核體系的基本原理、典型設(shè)計策略，全面深入了解多核體系架構(gòu)，完善知識結(jié)構(gòu)，能在多核平臺上進行并行編程，會使用相關(guān)工具進行程序優(yōu)化及調(diào)試，理解多核技術(shù)對其他學(xué)科的影響，能獨立完成所要求的實驗計劃。

1.2課程體系

從學(xué)科發(fā)展和現(xiàn)代教育思想出發(fā)，結(jié)合工科專業(yè)特點，經(jīng)充分的研討，針對我校電子信息工程、通信工程等本科專業(yè)，學(xué)院創(chuàng)建了“多核架構(gòu)及編程技術(shù)”課程立體體系。該體系結(jié)構(gòu)為：課堂理論教學(xué)－系列講座－實踐性教學(xué)（實驗和畢業(yè)設(shè)計）三大模塊。課程建設(shè)圍繞該立體體系進行，以我校電子信息學(xué)院“國家工科基礎(chǔ)課程電工電子教學(xué)基地”為依托，以一級學(xué)科“信息與通信工程”為龍頭，堅持將多核架構(gòu)理論與實踐有機的結(jié)合，貫徹“少而精與博而通”教學(xué)思想的創(chuàng)新實踐，體現(xiàn)工科專業(yè)的特色。

2課程知識體系

2.1基礎(chǔ)理論

基礎(chǔ)理論通過課堂講解方式進行，注重學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的銜接和完善，包括多核技術(shù)的相關(guān)理論及多核編程工具的使用。其內(nèi)容主要有：計算機架構(gòu)的發(fā)展史，多核處理器體系結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)理論知識，多核多線程的設(shè)計方法，并行計算及其實現(xiàn)，基于多核平臺的程序調(diào)試技術(shù)，基于多核的編譯優(yōu)化技術(shù)，等。

2.2基礎(chǔ)實驗

教師講解并分析完實驗內(nèi)容和要求后，學(xué)生獨立完成基礎(chǔ)實驗。基礎(chǔ)實驗注重提高學(xué)生掌握基于多核架構(gòu)的編程技術(shù)的能力，包括了在Windows和Linux操作系統(tǒng)下的多核基礎(chǔ)編程及各個工具軟件的使用。工具軟件包括：Intel C++和Fortran編譯器、Intel數(shù)學(xué)核心函數(shù)庫和Intel集成性能元件庫、Intel TuneTM性能分析器、Intel線程檢測器和Intel調(diào)試器、Intel線程直方統(tǒng)計器，等。這些基本工具的熟練使用能力可為實際環(huán)境中多核技術(shù)的運用打好堅實的基礎(chǔ)。由于基于多核的編程與操作系統(tǒng)環(huán)境和編譯有密切的關(guān)系，所以在講解編程工具使用方法之前，應(yīng)著重介紹多核編譯的知識以及操作系統(tǒng)對多核的支持。

2.3課程設(shè)計

目前4個大實驗（請參見課程網(wǎng)站，ttp://eis.whu.

edu.cn/jpkc）都是課程組成員在研或已經(jīng)完成(甚至是已進入實際應(yīng)用)的課題?，F(xiàn)由學(xué)生分組進行實驗設(shè)計與開發(fā)，并結(jié)合課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計進行進一步深入研究，要求提供較為詳細的算法設(shè)計與編程模型。學(xué)院還將會在多核技術(shù)在本專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H使用中，不斷發(fā)現(xiàn)新的亮點，不斷進行專業(yè)應(yīng)用的實踐性實驗設(shè)計，拓寬課程設(shè)計內(nèi)涵和內(nèi)容，為學(xué)生學(xué)習(xí)多核技術(shù)提供更多的案例。

3多核課程的建設(shè)方法

3.1 教師隊伍構(gòu)成及立體化教學(xué)方法

本課程組成員均為長期從事教學(xué)科研的一線教師，具有豐富的教學(xué)研究和實踐經(jīng)驗，且來自于本學(xué)科領(lǐng)域的不同研究方向。課程組具有老中青結(jié)合，年齡結(jié)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)和職稱結(jié)構(gòu)合理的特征。在課程建設(shè)不斷深入的過程中，學(xué)院還將會擴大課程組成員比例，開發(fā)出更多學(xué)習(xí)和研究案例。

在教學(xué)中，學(xué)院采取立體化教學(xué)方法，即采用課堂理論教學(xué)、系列講座、實踐性教學(xué)相結(jié)合的方式穿插進行。其中，課堂教學(xué)采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式有機結(jié)合；實驗教學(xué)先使用多媒體方式進行內(nèi)容分析和要求講解后，再進行實驗；課程設(shè)計部分按大組進行，由指導(dǎo)教師分組進行指導(dǎo)和實踐。課后輔導(dǎo)形式更為多樣，采用當(dāng)面交流、教學(xué)網(wǎng)站、電子郵箱、QQ群等多種方式對學(xué)生進行輔導(dǎo)和答疑。

3.2實驗室建設(shè)

本課程是一門實踐性很強課程，課程教學(xué)中一半以上的時間都在實驗室進行?！拔錆h大學(xué)－Intel多核技術(shù)實驗室”是一個全方位開放實驗室，做到“人盡其材、物盡其利、地盡其用”。本實驗室是學(xué)院創(chuàng)新實驗室的組成部分，隸屬于“國家工科基礎(chǔ)課程電工電子教學(xué)基地”。我們建立了完善的設(shè)備管理制度、教學(xué)管理制度、值班管理制度、檔案管理制度，有效保證了實驗室教學(xué)活動的順利開展，為學(xué)生業(yè)余科研和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了平臺。

4經(jīng)驗分享

4.1教學(xué)內(nèi)容

緊密結(jié)合本學(xué)科和專業(yè)特點，根據(jù)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)因材施教，強調(diào)有機拓寬學(xué)生知識面，完善知識結(jié)構(gòu)，強調(diào)知識結(jié)構(gòu)銜接性。重要的是，本課程更關(guān)注多核知識與本專業(yè)領(lǐng)域需求的有機結(jié)合，更加強對學(xué)生“創(chuàng)新性能力”的培養(yǎng)，更強調(diào)學(xué)生對多核知識的掌握，更強調(diào)學(xué)生利用多核知識解決實際問題的能力。

同時，積極關(guān)注各種最新技術(shù)的發(fā)展，以促進多核課程的教學(xué)，這將是一個持續(xù)的過程。如：課程組通過對今年的熱點技術(shù)——Web2.0的討論，認為Web 2.0是在微軟已經(jīng)沒有辦法通過軟件再吃掉Intel所增加的處理器頻率的時候，所出現(xiàn)的又一個極其消耗用戶資源的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其帶來的超大規(guī)模的數(shù)據(jù)和計算都給多核技術(shù)的發(fā)展帶來了新的用武之地。所以，課程組已經(jīng)在教學(xué)內(nèi)容中添加了“什么是Web 2.0？”、

“Web 2.0與Web 1.0的區(qū)別是什么？”、“Web 2.0的發(fā)展給多核發(fā)展帶來怎樣的機會？”等專題，目的在于兩個方面：第一，使得學(xué)生逐步學(xué)會去關(guān)注和觀察周圍正在發(fā)生變化的技術(shù)，提高發(fā)現(xiàn)問題的能力；第二，通過教師的講解，使得學(xué)生對最新知識有全面的了解和認識，并通過對其中存在的和等待解決的問題進行分析，提高解決問題的能力。

4.2教學(xué)實踐

將基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計相結(jié)合，將教學(xué)與科研相結(jié)合。本課程組教師團隊均為長期從事相關(guān)研究的一線教師，積累了豐富的教學(xué)和科研素材，可以直接轉(zhuǎn)化為多核的應(yīng)用案例。這樣，學(xué)生便可以在基礎(chǔ)操作技能的基礎(chǔ)上將多核技術(shù)運用到實際科研環(huán)境中。同時，還能在完成課程設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計開展進一步的性能優(yōu)化等研究工作。

4.3教師指導(dǎo)環(huán)節(jié)

在實踐內(nèi)容的安排上，課程主講教師直接指導(dǎo)實驗各個環(huán)節(jié)。強調(diào)學(xué)生對多核架構(gòu)及編程技術(shù)的掌握和實際運用能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。我們的目的不是“為學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)，為編程而編程”，而是著實提高學(xué)生在本學(xué)科領(lǐng)域中多核技術(shù)的應(yīng)用能力，注重“個性化”和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生靈活運用多核知識的能力。

4.4學(xué)習(xí)方式

充分依托“國家工科基礎(chǔ)課程電工電子教學(xué)基地”，借助開放平臺，搞好基礎(chǔ)訓(xùn)練。緊密結(jié)合“大學(xué)生科研”活動，讓更多的學(xué)生利用多核平臺進行業(yè)余科研。由于程序開發(fā)的協(xié)同性特點，我們更強調(diào)團隊精神，并希望通過開展學(xué)術(shù)研討、經(jīng)驗交流等“第二課堂”活動，促進學(xué)生學(xué)習(xí)。

5總結(jié)

未來的計算平臺，不論是桌面應(yīng)用、移動應(yīng)用、服務(wù)器還是專用嵌入式平臺都很有可能采用多核結(jié)構(gòu)。多核課程建設(shè)勢在必行。

多核微處理器領(lǐng)域目前正在經(jīng)歷快速的發(fā)展，我們將密切關(guān)注各種最新技術(shù)的出現(xiàn)，及時更新或補充教學(xué)內(nèi)容，不斷完善多核多線程技術(shù)在本學(xué)科領(lǐng)域運用的案例，提高教學(xué)質(zhì)量和水平。