計算機系統結構課程中多核實驗的設計

　　摘要：本文在現有最新文獻的基礎上，設計了計算機系統結構課程中的多核實驗，體現在多核技術知識點在課程中的設計安排和多核實驗的構建，并探討了多核實驗的設計目標。
　　關鍵詞：計算機系統結構；多核；FPGA
　　
　　
　　隨著計算需求的不斷增長，由于復雜的芯片工藝與功耗成本限制，處理器的性能提升從原有的主頻提高轉為多內核發展。很快，一些大型機制造廠商，如IBM、Sun開始利用并行計算設計出了多核處理器(例如：IBM推出的CELL異構多核處理器，Sun公司推出的OpenSparc T1開源多核處理器[1])，這些處理器在一塊芯片上集成多個計算內核，成倍地提高了計算速度。2006年，以Intel與AMD為代表的處理器制造商在年初和年底相繼推出雙核、四核處理器，緊接著，在2007年1月，Intel展示了配置兩個四核處理器的八核計算機，這標志多核處理器開始全面進入市場，宣告計算機真正進入多核時代。
　　所謂“多核(Multi-core)”，即指一塊芯片上集成多個處理核，各自擁有獨立的控制和計算部件，無需共享關鍵資源。多核技術的發展給大學計算機教育帶來新的課題，即在多處理器環境下，計算機系統結構、計算機操作系統、編譯原理和應用軟件的編程模型等都發生了很大的變化，促使大學計算機的教學需要做出針對性的變化。
　　計算機系統結構(Computer Architecture)，作為研究計算機系統結構演化以及影響計算機硬件與軟件系統設計的一門重要課程，在介紹計算機系統結構原理、分析設計方法、性能評價、發展趨勢和新的實現技術上，需要增加多核技術這個重要的新知識點。在過去相當長的一段時間里，由于不具備開設計算機系統結構和多核技術相關實驗的硬件平臺和軟件環境，
　　
　　國內很多高校開設計算機系統結構課程時均未開設該課程的實驗，特別是多核技術方面的實驗，以至于學生沒有實驗教學和體驗式實踐而很難掌握該課程的知識。
　　為了更好地應對新的“多核”時代，電子科技大學的計算機科學與工程學院、信息與軟件工程學院(原示范性軟件學院)從2007年開始在計算機系統結構課程教學中引入多核技術。一是在理論教學上增加處理器體系結構、系統架構和程序設計內容，從三個方面給學生展現了一個比較完整的多核技術概覽圖景；二是在實驗平臺建設上設計多核實驗，從實踐環節上來鍛煉學生的動手能力和提升其創新能力。
　　1實驗教學的現狀
　　在計算機系統結構課程中設計多核實驗，須從計算機系統結構與多核知識的課堂教學成果入手，把握多核技術的理論教學動態。然后重點調查國內高校在多核實驗教學方面的研究現狀，為計算機系統結構中的多核技術實驗設計提供必要的技術支持和可行性研究。
　　事實上，計算機系統結構課程重在培養計算機專業本科生的抽象思維能力、自頂向下系統分析和創新能力。全國重點和普通高校中幾乎都開設了這門課程，出現了大量的課程教學與教研成果[2-12]。雖然課程教學成果多，但是實驗教研成果小，而且還缺乏多核知識點的引入或多核體系更新不足。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　作者簡介：于永斌，男，副教授，研究方向為計算機系統結構、大規模集成電路設計與應用。
　　
　　關于多核技術，清華大學的王小鴿[13]提供了理解多核技術、并行計算與未來計算機發展的視角。薛巍[14]從并行計算基礎、高性能計算前沿技術研討課、多線程/多核CPU邏輯設計短期課程等方面介紹了清華大學多核課程建設成果。吳繼雁[15]簡要地分析與總結了多核技術及發展趨勢。北京交通大學計算機學院的劉近光和梁滿貴[16]介紹了基于MIPS體系結構的多核處理器特點。浙江大學的陳天洲等[17-21]介紹了多核程序設計課程和進行了多核精品課程建設探索與實踐，并主持了教育部骨干教師多核技術培訓，對多核技術的教學科研做出了很大的貢獻。武漢大學電子信息學院的楊劍鋒等[22]介紹了“多核架構及編程技術”這一教育部-Intel精品課程建設成果。北京工業大學計算機學院的方娟[23]探討了多核教學內容和教學模式。與這些多核技術的教學成果相比較，由于多核硬件實驗平臺與軟件環境的難構造，使得多核技術方面的實驗研究成果特別少。根據作者的可查文獻，中山大學教學實驗中心的程小雄和伍麗華[24]進行了基于FPGA的多核技術課創新實驗探索，介紹了在現場可編程門陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)芯片和SoPC(片上可編程系統)、NOIS-II等工具軟件所組成的軟硬件平臺下，開展多核技術課程創新實驗的研究；并在新組成的多核系統中，移植和擴展了μC/OS-II操作系統，還設置了相關的實驗環境和若干實驗項目，對提高學生的綜合實驗能力具有積極的作用。
　　通過對計算機系統結構和多核技術課堂教研與實驗教學動態的充分調研，我們不難得到多核技術在國內課堂與實驗教學中的實施狀況，雖有新增多核課程或修改原有課程(如：計算機系統結構、高級計算機體系結構或高等計算機系統結構)的教學內容，但較少涉及多核技術方面的實驗教學。基于這樣的背景，在計算機系統結構中設計多核實驗，這對學生的實驗能力和綜合素質提高具有特別重要的作用。
　　2多核實驗的設計
　　在計算機系統結構課程中設計多核實驗，需要把握多核本質和其技術要點。多核的本質是為了解決高性能計算和并行計算問題，它在硬件和軟件兩個方面改變了傳統的計算機系統結構。由此，多核技術的發展使得計算機系統結構的教學發生了變化，這種變化主要來自于多核技術所帶來的新知識點。多核技術所涉及的知識點可歸納為硬件和軟件兩個方面，具體如下：
　　1) 多核硬件方面的知識點。
　　(1) 多核下的硬件設計技術，包括Cache與存儲一致性、網絡互聯、IO管理；
　　(2)多核芯片與傳統單核微處理器的區別，多核SoC(System on a Chip)芯片技術；
　　(3) 嵌入式多核芯片技術以及典型多核芯片：Cell、OpenSparc、Intel雙核芯片、AMD雙核芯片等；
　　(4) 并行體系與多核體系結構、多核平臺結構與芯片組支持技術。
　　2) 多核軟件方面的知識點。
　　(1) 多核操作系統、多核系統軟件對并行編程的支持、多核API優化函數庫，多核平臺上編譯工具；
　　(2) 多線程編程對多核的支持，Windows/Linux多核多線程編程技術；
　　(3) OpenMP多線程編程及性能優化，MPI (Message Passing Interface)編程及性能優化；
　　(4) 多核多線程程序的性能評測方法與工具。
　　基于上述的多核知識點，聯系計算機系統結構原有實驗，可在硬件平臺和多核軟件工具上設計多核實驗。
　　多核實驗，包括兩個方面的實驗內容。一是在FPGA芯片上設計多個同構或異構處理器內核，并進行操作系統的移植，最終做出一個可實際運行的多內核計算機系統；通過該實驗，可增長學生對實驗的興趣，更深刻理解多核技術的知識點。二是Windows/Linux多核多線程編程實驗，利用多核軟件工具進行編程；在Windows平臺下，利用Win32API、MFC或.Net Framework提供的接口來實現；若在Linux平臺下，利用IEEE POSIX標準定義的API進行多線程編程。對于綜合設計，可設計為學生課外的有關多核技術設計、實驗或發展趨勢調研的課程設計、創新設計或畢業設計，訓練學生面對實際應用問題的綜合分析、方案設計、多種程序設計結構的綜合使用和實際工程問題的綜合解決能力。
　　
　　在計算機系統結構中設計多核實驗，希望達到如下目標。
　　1) 設計多核實驗，發展計算機系統結構課程教學與實驗實踐內容，按照Intel多核技術大學合作計劃[25]，實現高校與Intel的合作；
　　2) 理解普適的多核思想和硬件設計理念