摘要:分析"计算机系统结构"课程在多核时代的发展变化,针对多核技术知识点在课程中的设计安排,探讨课程的教学内容与教学模式,阐述多核时代计算机系统结构课程的特色.
关键词:计算机系统结构,多核,处理器
随着2005年"多核微处理器"概念的出现和半导体技术的快速发展,单芯片多处理器成为现实并不断推动着多核技术的进步.电子科技大学从2007年起将多核技术引入"计算机系统结构"课程,把多核技术作为重点讲解内容,以期由此完善学生的知识结构.
"计算机系统结构"(computer architecture)是研究计算机系统结构演化以及影响计算机软硬件系统设计的一门重要课程,主要介绍计算机系统结构原理、分析设计方法、性能评价、发展趋势和新的实现技术.在课程内容上,"计算机系统结构"课程覆盖计算机组成原理、计算机操作系统、编译原理、数据结构、数字逻辑、模拟电路基础等计算机专业的重要课程;在逻辑关系上,"计算机系统结构"从计算机的并行技术与系统设计实现角度将上述相关课程联系统一在计算机体系知识架构上.
性能是计算机科学与工程领域的研究热点,是度量手段和解决方案涉及的永恒课题.在计算机系统结构中,处理器的性能至关重要.四十多年前,intel公司的创始人戈登·摩尔提出了着名的摩尔定律一一计算机芯片中的晶体管数量每18个月将翻一番,即处理器的速度每一年半到两年翻一番.其原因是随着芯片设计和制造工艺的发展,构成处理器芯片的晶体管尺寸减小,改变状态的电子数就变小,就可能提高处理器的时钟频率.为了不断提高计算速度,设计者首选指令级并行和寄存器重命名策略.在芯片制造工艺与设计技术几乎己经达到极限时,指令级并行就无法充分利用芯片上增加的晶体管数量来提高速度性能和运算能力,多核也就成了自然的选择.
所谓"多核(multi-core) ",即指一块芯片上集成多个处理核,而且这些处理核互相之间无需共享关键资源,各自拥有独立的控制和计算部件.多核来源于硬件技术的革新,它会带来软件乃至计算技术的全面变革.多核在教学中带来的变革可表现为两种方式,一种为多核课程的单独开设;另一种为改造现有计算机课程体系,在计算机系统结构中增加多核知识点.
为了更好地应对新的"多核"时代,电子科技大学计算机学院从2007年开始在"计算机系统结构"课程中引入多核技术的教学,从处理器体系结构、系统架构和程序设计三个方面给学生展现了一个比较完整的多核技术概览图景.
1教研动态研究"计算机系统结构"课程强调培养计算机专业本科生的抽象思维能力、自顶向下系统分析和创新能力.基于课程在学生知识结构中的重要性,全国重点和普通高校几乎都开设了这门课,涌现了大量的教研成果.文献[1-2]在建设计算机系统结构精品课程中,探索了新的教学模式和方法,并提出了硬件类课程教学改革和学生创新能力培养的策略.文献[3-4〕探讨了计算机系统结构课程教学,提出改革教学模式中的教学方法和教学内容,并分析了计算机系统的性能评价指标.文献[5-6]介绍了计算机体系结构国家精品课程的特色与建设经验,包括教学内容、师资队伍、教材建设、教学手段与方法、实践条件、质量管理等多方面的成果,形成了部队院校课程的特色优势.文献[7一8]对计算机系统结构实践教学进行了研究.文献[9]对计算机组织与体系结构教学改革进行了探索.文献[10]研究了启发式教学在计算机系统结构教学中的应用.上述教学研究表明,"计算机系统结构"课程教学成果众多,但缺乏多核知识点的引入和多核体系更新.
关于多核技术,文献[11]从计算机发展历史的角度提出了自己的专业思考,提供了理解多核技术、并行计算与未来计算机发展的视角.紧接着,文献[12]
从并行计算基础、高性能计算前沿技术研讨课、多线程/多核cpu逻辑设计短期课程等方面介绍了清华大学多核课程建设成果.对于多核技术及发展趋势,文献[13]进行了简要地分析与总结.文献[14]对多核多线程处理器的发展及其软件系统架构进行了研究,介绍了基于mips体系结构的多核处理器特点,并给出了路由器中软件的架构.文献〔15-19]介绍了"多核程序设计"课程,并总结了多核精品课程建设.文献〔20]
介绍了"多核架构及编程技术"这一教育部一intel精品课程建设成果.文献[21]对计算机体系结构中引入多核技术做了详细介绍,并探讨了多核教学内容和教学模式.
通过对多核技术教研动态的充分调研,我们不难得到多核技术在国内教学中的实施状况,几乎都是新增多核课程或修改原有课程(如计算机系统结构、高级计算机体系结构等)的教学内容,以期适应多核时代带来的变化.
2多核技术知识点设计多核是为了更好地支持高性能计算和并行计算的一种新型技术,它在硬件和软件两个方面革新了传统的计算机系统结构.由此,多核技术的发展使得计算机系统结构的教学发生了变化,这种变化主要来自于多核技术所带来的新知识点.多核技术所涉及的知识点可归纳为:1)多核下的硬件设计技术,包括cache与存储一致性、网络互联、ro管理.2)多核芯片与传统单核微处理器的区别、多核soc(system on achip)芯片技术、嵌入式多核芯片技术以及典型多核芯片(cell, opensparc, intel双核芯片、amd双核芯片等).3)并行体系与多核体系结构、多核平台结构与芯片组支持技术、多核平台上编译工具.4)多核操作系统、多核系统软件对并行编程的支持、多核api优化函数库.5)多线程编程对多核的支持、windows/linux多核多线程编程技术、openmp对多核的支持、多核多线程程序的性能评测方法与工具.
多核技术涉及计算机硬、软件技术的多个方面,开设独立的多核课程难度较大,我们仍将多核内容划分为处理器体系结构、系统架构和程序设计三个方面,涵盖在"计算机系统结构"课程中.在计算机系统结构中设计多核技术方面的知识点,希望达到的目标是:1)将"多核"概念和知识添加到本科生课程体系中,注重"个性化"和创新能力的培养,强调多核架构与编程能力的训练.2)理解普适的多核思想和硬件设计理念,普及并行计算技术,使广大的本科生能在以后的程序设计与开发中可以运用多核计算思想.
3)向计算机专业本科生介绍多核技术及其面临的挑战,激发学生研究兴趣和创造潜能,帮助他们更有效地开展进一步的科研工作.
3课程内容设计与教学模式探讨设计多核技术知识点在计算机系统结构方向,可在介绍计算机硬件基础的过程中,深入浅出地介绍多核硬件与相关的技术,课程的教学内容重新设计为:
1)计算机系统结构概论,包括多核技术中的并行体系与多核体系结构知识点;2)数据表示、寻址技术与指令系统;3)流水线技术;4)指令级并行及限制;5)存储系统:6)输入输出系统;7)多处理机系统,包括多核技术中的系统架构、多核硬件结构、多核操作系统、多核多线程编程等知识点;8)多计算机系统.
在上述教学内容中,多核及相关知识讲授占"计算机系统结构"课程总课时的1/4,是课程考核的重点和难点.这样就在教学内容和教学安排上突出了计算机系统结构发展教改成果和多核技术的最新发展成果,有效地支持了多核技术的讲授.
针对上述的课程内容,在教学模式上应确保多核知识点的"面"和"点",教学重点突出,全面兼顾.
可以采用问题启发式教学法、图示实例辅助法、专题讨论法、课程设计法等教学模式.
4课程特色计算机系统结构发展至多核时代,课程经过多年的演变和建设,逐渐形成了自己的特色.其主要特色为:
1)设计和开发了"计算机系统结构"网站系统,获得了四川省精品课程建设的支持;2)紧跟国内外系统结构的新发展,采用多核技术发展的最新成果,更新教学内容体系;3)采用了创新性的教学模式,通过问题启发式课堂讲授、自主学习、专题讨论和课程设计,突出学生的科学素养、软硬件系统设计与开发知识、科学研究与工程实践能力的提升.
5结语在"计算机系统结构"课程的教学中,需要时刻把握国内外科研院校对计算机系统结构和多核技术的研究和教学动态,这样才能充分应对多核技术带来的计算机系统结构的变革.我们生活在多核时代,多核微处理器领域正在经历快速的发展,我们将密切关注各种最新技术的出现,及时更新"计算机系统结构"课程的教学内容,不断完善多核技术在本学科领域应用的案例,提高教学质量和水平,确保计算机知识的与时俱进、人才培养的实时性和有效性.
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