多核技術在“高級計算機體系結構”課程中的引入與探討

文章編號：1672-5913(2008)20-0041-02

摘 要：本文對高級計算機體系結構課程中引入多核技術做了詳細的介紹，分析了該課程中增加多核內容的作用、優(yōu)勢和預期目標，并探討了適應研究生學習的教學模式。

關鍵詞：多核；教學模式；考核方式

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1 引言

“高級計算機體系結構”課程是針對計算機專業(yè)的研究生開設的，主要以計算機性能的量化方法來闡述計算機的系統(tǒng)結構。學習本門課程之前，需要具備計算機專業(yè)本科的“計算機體系結構”和“計算機組成原理與匯編程序設計”課程的相關知識。作者在2008年4月參加了清華大學舉辦的多核技術培訓研討班，所在學校現已加入“英特爾多核技術大學計劃”，將通過多核技術大學課程項目以及多核技術聯(lián)合科研項目等方面的合作，培養(yǎng)更多的科技創(chuàng)新人才。通過學習，我院對多核的概念和技術有了一定的理解，經過仔細的研究和討論，結合一些以前的教學和科研工作，2008年春季在計算機專業(yè)研究生開設的“高級計算機體系結構”課程中對多核技術內容的引入做了一些嘗試。

多核知識的引入有兩種方式，一種為單獨開設課程，一種為改造現有課程體系。在本課程中，主要是在原有的課程內容中增加多核技術的相關介紹，下面就課程的一些相關內容、多核技術引入和預期目標進行闡述。

2 課程內容安排

首先，選修本課程必須具備計算機專業(yè)本科的“計算機系統(tǒng)結構”課程的知識，本課程的參考教材以John L.Hennessy， David A.Patterson編著的Computer Architecture -- A Quantitative Approach (Fourth Edition)為主，該書是計算機系統(tǒng)結構領域的經典著作；同時由于書中的大部分實例均以MIPS體系結構為基礎，因此在課程講授的第二章內容以Dominic Sweetman編著的See MPIS Run (Second Edition)為主；多核方面的知識則以清華大學出版社出版的第一本多核技術教材為參考，此書是多核系列教材編寫組2007年編著的《多核程序設計》，是一本結構清晰、內容豐富的教材。

在課程講授過程中，注重理論結合實例進行講解。在幾個關鍵問題上，例如Amdahl定律、Tomasulo算法、指令級并行和推測技術幾個方面，均有大量實例和程序對相關理論進行進一步講述，使學生對相關的抽象知識能以量化的方法來掌握，并取得了很好的效果。

本門課程是第一次開設，有兩個課堂，一個課堂是計算機學院的研究生，有11人選課，另有5～6人旁聽；另一個課堂是軟件學院的研究生，有26人選課，在本次課程中直接受益的有40人左右。

在32學時的教學中，課時安排如表1所示。

表1“高級計算機體系結構”課程安排

3 教學模式

教學模式是進行教學工作設計的基本思路框架和技術方法與范式，是長期的實踐經驗和理論實驗研究的總結和概念化，也是課堂教學取得最佳效果的技術保障。本門課程的授課對象是研究生，研究生是一個充滿創(chuàng)造力的學生群體，因此充分調動和激活師生共同參與教學活動的積極性、主動性和創(chuàng)造性，是本門課程的基本思路和目標。

課堂教學中主要從以下幾個方面具體實施：

(1) 以學生為主

在傳統(tǒng)的教學中，基本是教師在整個課堂上進行講授，對于一些抽象難懂的課程，往往很難調動學生的興趣，而興趣是學生學習的最大動力。在“高級計算機體系結構”課程中，堅持以學生為中心的思想，針對一些在本科時所學過的“計算機體系結構”知識，經常以相關知識引導學生進行深入理解，同時也提高了學生的自信心，更好地實現自我。

(2) 以啟發(fā)為主

啟發(fā)式教學是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要方法。在教學過程中應引導學生在學習過程中主動地提出問題，主動地思考問題，主動去發(fā)現、去探索，教師在培養(yǎng)學生的批判性思維與探索精神的同時，做到教學相長。例如，在講授多處理器的Cache一致性問題時，可以引導學生積極思考，提出問題，思考多核處理器中Cache一致性問題如何解決，并鼓勵學生積極查閱相關資料，進行討論式學習，以期收到更好的效果。

(3) 以互動為主

“互動教學法”是教師與學生之間，學生與學生之間，課內與課外之間，師生互相活動，互相討論，互相觀摩，互相交流，互相學習的一種教學模式，現在還包括了網上交流的方式。其中在課堂上老師對學生設問，學生對老師提問是主要的方式。學生必須經過獨立思考、反復琢磨才能提出切合實際的問題。老師為了解答學生的提問，也必須設計出學生可能提出的各種各樣問題，這對老師的備課又提出了更高的要求。這種方式有利于培養(yǎng)學生的思維能力和分析問題的能力。

4 多核技術的引入與探討

多核內容的引入在本門課程中是一種嘗試，預期目標是能夠使學生更好地適應飛速到來的多核時代。一個芯片上集成多核的系統(tǒng)將對資源的分配、核心互聯(lián)、多核技術編程方法等帶來巨大的影響，通過向學生介紹多核概念、多核技術以及其帶來的挑戰(zhàn)，可以激發(fā)學生的學習和研究興趣，從而使研究生更好地開展進一步的科研工作。經過仔細地研究和考慮，在本門課程中有限的課時里增加多核的幾個方面的內容，一是多核概念；二是多核處理器的Cache一致性；三是多核/多線程技術。

多核概念的介紹主要包括單核、雙核、多核、同構多核和異構多核幾種，并分別給出實際機型的示例，對多核技術的研究現狀、操作系統(tǒng)對多核的支持等方面均做了不同程度的講解。多核處理器的Cache一致性是參考清華的培訓資料進行講解的，主要介紹多核中多個Cache不一致的原因、監(jiān)聽總線協(xié)議、基于目錄的Cache一致性協(xié)議以及多核的三種Cache一致性策略。多核的三種Cache一致性策略包括采用Write-Through策略的Cache、采用Write-Back策略的Cache和采用Write-Once策略的Cache。多核/多線程技術中，首先介紹二者的具體區(qū)別，即多核、多處理器系統(tǒng)中的每個核，同時間內可以執(zhí)行各自不同的線程；一個具有多線程能力的處理器，無論是支持二線程、四線程、八線程，這些線程都必須是在同一個行程內，所以一個核還是只能執(zhí)行一個線程，雙核處理器就能夠同時執(zhí)行兩個不同的線程，四核就可以同時不同的四個線程。在講解多線程/多核CPU的設計方法的基礎上，鼓勵學生自行參考計算機原理和計算機系統(tǒng)結構的實驗環(huán)境完成多線程/多核CPU的邏輯功能模擬。

5 考核方式

由于課程是針對研究生的，所以對學生的考核與本科生的計算機系統(tǒng)結構課程有很大的不同。本課程更注重學生的上課表現、查閱資料和論文的表達能力，從這幾個方面對學生作出全面的評價。具體而言，包括四個部分的成績：

(1) 考勤及上課表現：占總成績的20%；

(2) Tomasulo算法的理解：占總成績的20%；

(3) Cache一致性問題：占總成績的30%；

(4) 多核技術挑戰(zhàn)：占總成績的30%。

在第一項中，主要看重的是學生在上課期間的回答問題、提出問題以及解決問題的思路和能力。對于小班上課，基本上學生的出勤可以保證，所以在課堂上的表現是他們得分的關鍵，也是對他們口頭表達和思維能力的一個很好的訓練。對課堂上積極提出問題、積極思考的同學將及時給予鼓勵和肯定，引導他們更深層次地理解相關的知識。

后三項均以報告或論文的形式來體現，并且在布置的時候有這樣幾項要求：給出大題目，具體的小題目由學生自行擬定；字數不限；以論文的格式書寫；不能照搬照抄書中和網上的內容。

從學生上交的論文發(fā)現，在對Tomasulo算法的理解上，大部分同學都能在上課講解的示例基礎上，從對理論的闡述到具體示例，能準確地表達自己的觀點。由于這個算法可查閱的相關資料很少，所以也要求學生必須在報告中融入自己的觀點，并參考書中的示例自行分析相關示例來論證Tomasulo算法的優(yōu)勢。在Cache一致性問題上，沒有限定學生必須論述多核處理器的Cahce一致性，這樣就給了學生一定的發(fā)揮空間，有的同學詳細地分析了單處理器的Cahce一致性，有的同學闡述了多處理器的Cahce一致性，還有的同學將幾類處理器以及多核處理器的Cahce一致性進行了詳細的對比和分析，使學生通過這樣一個查閱資料完成作業(yè)的過程對這部分知識有了深刻的理解。多核技術的挑戰(zhàn)則給了學生更大的探索空間，比如單核到多核的發(fā)展、多核技術的現狀、多線程與多核技術、多任務協(xié)同、多核軟件開發(fā)，還有的同學論述了NiosⅡ多核處理器之間通信技術，也有的同學將各公司的多核產品進行了詳細的介紹和比較等等。通過相關資料的研究和學習，他們都有很大的收獲，并對多核技術產生了濃厚的興趣。

6 結束語

通過一個學期的課程開設效果來看，將多核技術引入到“高級計算機體系結構”課程中是一次非常有益的嘗試。學生通過本門課程的學習，將本科的計算機體系結構的知識進行了深化理解，對多核技術有了一定的了解并產生了濃厚的興趣，為今后的研究工作打下了良好的基礎。

在今后的課程中，除了介紹上述多核內容之外，將逐步開展一些多核的實驗，目前我校已加入“英特爾”多核技術課程“大學計劃”，并有Intel公司捐贈的一臺Dell四核服務器、Intel多核軟件的License以及相關的資料，為未來的實驗開設創(chuàng)造了良好的條件。另外，“高級計算機體系結構”課程的網站也即將建立開通，其中將開辟一個多核技術專題，給學生提供豐富的資源，以及國內外多核課程建設的成果等都將提供給關心多核技術的廣大師生，促進多核技術的普及和發(fā)展。

參考文獻

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