職稱論文淺析多核時代的＂計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)＂

　　摘要:分析"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程在多核時代的發(fā)展變化,針對多核技術(shù)知識點在課程中的設計安排,探討課程的教學內(nèi)容與教學模式,闡述多核時代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的特色.

　　關(guān)鍵詞:計算機系統(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)和半導體技術(shù)的快速發(fā)展,單芯片多處理器成為現(xiàn)實并不斷推動著多核技術(shù)的進步.電子科技大學從2007年起將多核技術(shù)引入"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程,把多核技術(shù)作為重點講解內(nèi)容,以期由此完善學生的知識結(jié)構(gòu).

　　"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"(computer architecture)是研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化以及影響計算機軟硬件系統(tǒng)設計的一門重要課程,主要介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、分析設計方法、性能評價、發(fā)展趨勢和新的實現(xiàn)技術(shù).在課程內(nèi)容上,"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程覆蓋計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字邏輯、模擬電路基礎等計算機專業(yè)的重要課程;在邏輯關(guān)系上,"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"從計算機的并行技術(shù)與系統(tǒng)設計實現(xiàn)角度將上述相關(guān)課程聯(lián)系統(tǒng)一在計算機體系知識架構(gòu)上.

　　性能是計算機科學與工程領域的研究熱點,是度量手段和解決方案涉及的永恒課題.在計算機系統(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算機芯片中的晶體管數(shù)量每18個月將翻一番,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計和制造工藝的發(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鐘頻率.為了不斷提高計算速度,設計者首選指令級并行和寄存器重命名策略.在芯片制造工藝與設計技術(shù)幾乎己經(jīng)達到極限時,指令級并行就無法充分利用芯片上增加的晶體管數(shù)量來提高速度性能和運算能力,多核也就成了自然的選擇.

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

　　為了更好地應對新的"多核"時代,電子科技大學計算機學院從2007年開始在"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程中引入多核技術(shù)的教學,從處理器體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)和程序設計三個方面給學生展現(xiàn)了一個比較完整的多核技術(shù)概覽圖景.

　　1教研動態(tài)研究"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程強調(diào)培養(yǎng)計算機專業(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.基于課程在學生知識結(jié)構(gòu)中的重要性,全國重點和普通高校幾乎都開設了這門課,涌現(xiàn)了大量的教研成果.文獻[1-2]在建設計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精品課程中,探索了新的教學模式和方法,并提出了硬件類課程教學改革和學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的策略.文獻[3-4〕探討了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學,提出改革教學模式中的教學方法和教學內(nèi)容,并分析了計算機系統(tǒng)的性能評價指標.文獻[5-6]介紹了計算機體系結(jié)構(gòu)國家精品課程的特色與建設經(jīng)驗,包括教學內(nèi)容、師資隊伍、教材建設、教學手段與方法、實踐條件、質(zhì)量管理等多方面的成果,形成了部隊院校課程的特色優(yōu)勢.文獻[7一8]對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實踐教學進行了研究.文獻[9]對計算機組織與體系結(jié)構(gòu)教學改革進行了探索.文獻[10]研究了啟發(fā)式教學在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學中的應用.上述教學研究表明,"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程教學成果眾多,但缺乏多核知識點的引入和多核體系更新.

　　關(guān)于多核技術(shù),文獻[11]從計算機發(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)、并行計算與未來計算機發(fā)展的視角.緊接著,文獻[12]

　　從并行計算基礎、高性能計算前沿技術(shù)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.對于多核技術(shù)及發(fā)展趨勢,文獻[13]進行了簡要地分析與總結(jié).文獻[14]對多核多線程處理器的發(fā)展及其軟件系統(tǒng)架構(gòu)進行了研究,介紹了基于mips體系結(jié)構(gòu)的多核處理器特點,并給出了路由器中軟件的架構(gòu).文獻〔15-19]介紹了"多核程序設計"課程,并總結(jié)了多核精品課程建設.文獻〔20]

　　介紹了"多核架構(gòu)及編程技術(shù)"這一教育部一intel精品課程建設成果.文獻[21]對計算機體系結(jié)構(gòu)中引入多核技術(shù)做了詳細介紹,并探討了多核教學內(nèi)容和教學模式.

　　通過對多核技術(shù)教研動態(tài)的充分調(diào)研,我們不難得到多核技術(shù)在國內(nèi)教學中的實施狀況,幾乎都是新增多核課程或修改原有課程(如計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高級計算機體系結(jié)構(gòu)等)的教學內(nèi)容,以期適應多核時代帶來的變化.

　　2多核技術(shù)知識點設計多核是為了更好地支持高性能計算和并行計算的一種新型技術(shù),它在硬件和軟件兩個方面革新了傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu).由此,多核技術(shù)的發(fā)展使得計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學發(fā)生了變化,這種變化主要來自于多核技術(shù)所帶來的新知識點.多核技術(shù)所涉及的知識點可歸納為:1)多核下的硬件設計技術(shù),包括cache與存儲一致性、網(wǎng)絡互聯(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(system on achip)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)、多核平臺結(jié)構(gòu)與芯片組支持技術(shù)、多核平臺上編譯工具.4)多核操作系統(tǒng)、多核系統(tǒng)軟件對并行編程的支持、多核api優(yōu)化函數(shù)庫.5)多線程編程對多核的支持、windows/linux多核多線程編程技術(shù)、openmp對多核的支持、多核多線程程序的性能評測方法與工具.

　　多核技術(shù)涉及計算機硬、軟件技術(shù)的多個方面,開設獨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)和程序設計三個方面,涵蓋在"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程中.在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中設計多核技術(shù)方面的知識點,希望達到的目標是:1)將"多核"概念和知識添加到本科生課程體系中,注重"個性化"和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),強調(diào)多核架構(gòu)與編程能力的訓練.2)理解普適的多核思想和硬件設計理念,普及并行計算技術(shù),使廣大的本科生能在以后的程序設計與開發(fā)中可以運用多核計算思想.

　　3)向計算機專業(yè)本科生介紹多核技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn),激發(fā)學生研究興趣和創(chuàng)造潛能,幫助他們更有效地開展進一步的科研工作.

　　3課程內(nèi)容設計與教學模式探討設計多核技術(shù)知識點在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向,可在介紹計算機硬件基礎的過程中,深入淺出地介紹多核硬件與相關(guān)的技術(shù),課程的教學內(nèi)容重新設計為:

　　1)計算機系統(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)知識點;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)指令級并行及限制;5)存儲系統(tǒng):6)輸入輸出系統(tǒng);7)多處理機系統(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點;8)多計算機系統(tǒng).

　　在上述教學內(nèi)容中,多核及相關(guān)知識講授占"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程總課時的1/4,是課程考核的重點和難點.這樣就在教學內(nèi)容和教學安排上突出了計算機系統(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.

　　針對上述的課程內(nèi)容,在教學模式上應確保多核知識點的"面"和"點",教學重點突出,全面兼顧.

　　可以采用問題啟發(fā)式教學法、圖示實例輔助法、專題討論法、課程設計法等教學模式.

　　4課程特色計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展至多核時代,課程經(jīng)過多年的演變和建設,逐漸形成了自己的特色.其主要特色為:

　　1)設計和開發(fā)了"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"網(wǎng)站系統(tǒng),獲得了四川省精品課程建設的支持;2)緊跟國內(nèi)外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新發(fā)展,采用多核技術(shù)發(fā)展的最新成果,更新教學內(nèi)容體系;3)采用了創(chuàng)新性的教學模式,通過問題啟發(fā)式課堂講授、自主學習、專題討論和課程設計,突出學生的科學素養(yǎng)、軟硬件系統(tǒng)設計與開發(fā)知識、科學研究與工程實踐能力的提升.

　　5結(jié)語在"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程的教學中,需要時刻把握國內(nèi)外科研院校對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多核技術(shù)的研究和教學動態(tài),這樣才能充分應對多核技術(shù)帶來的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革.我們生活在多核時代,多核微處理器領域正在經(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"計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程的教學內(nèi)容,不斷完善多核技術(shù)在本學科領域應用的案例,提高教學質(zhì)量和水平,確保計算機知識的與時俱進、人才培養(yǎng)的實時性和有效性.

　　參考文獻:

　　[1]張晨曦,劉依.探索新的教學模式和方法,建設計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精品課程[j].計算機教育,2007 (12): 103-106.

　　[2]張晨曦,王志英,劉依,等."計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程內(nèi)容體系的研究[j].計算機教育,2009 (20) : 57-60.

　　[3]吳曉華,徐潔,王雁東,等."計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程教學探討[j].實驗科學與技術(shù),2006 (6) : 67-70.

　　[4]王華,徐潔,王雁東,等."計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"課程改革與探索[j].計算機教育,2009 (10) : 15-17.

　　[5]王志英,李宗伯,錢程東,等."計算機體系結(jié)構(gòu)"國家精品課程的特色與建設經(jīng)驗[j].計算機教育,2007 (4): 27-28.

　　[6]姜晶菲,肖儂,王志英,等"計算機體系結(jié)構(gòu)"課程建設及改革思考[j].計算機教育,2 009 (18) : 3-5.

　　[7]重小念,何秉嬌,舒萬能."計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"實踐教學環(huán)節(jié)的研究與實施[j].計算機教育,2008 (3) : 66-68.

　　[8]舒萬能,童小念,何秉嬌."計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)"實踐教學體系研究[j].科技信息,2009 (5): 5-6.

　　[9]王志曉,夏戰(zhàn)國,王凱."計算機組織與體系結(jié)構(gòu)"教學改革與探索[j].福建電腦,2009 (2) : 213-214.

　　小編推薦優(yōu)秀電子期刊　《電子技術(shù)應用》2015年電子期刊征稿郵箱

　　《電子技術(shù)應用》創(chuàng)刊于1975年，由工信部，電子第六研究所主辦，是國內(nèi)電子行業(yè)、IT領域頗具影響的技術(shù)、信息類期刊。 在國內(nèi)外激烈的期刊市場競爭中，該刊立足電子科技領域不斷開拓創(chuàng)新，開展嵌入式論壇，優(yōu)秀電子產(chǎn)品評選等多種多樣市場活動，影響力不斷擴大。經(jīng)過30多年的積淀，已經(jīng)成為中國電子、電信、工控、通訊、計算機等領域人士的首選期刊，具有不可替代的市場效應。