多核時代的“計算機系統結構”課程

　　摘要：分析“計算機系統結構”課程在多核時代的發展變化，針對多核技術知識點在課程中的設計安排，探討課程的教學內容與教學模式，闡述多核時代計算機系統結構課程的特色。
　　關鍵詞：計算機系統結構；多核；處理器
　　
　　隨著2005年“多核微處理器”概念的出現和半導體技術的快速發展，單芯片多處理器成為現實并不斷推動著多核技術的進步。電子科技大學從2007年起將多核技術引入“計算機系統結構”課程，把多核技術作為重點講解內容，以期由此完善學生的知識結構。
　　“計算機系統結構”(Computer Architecture)是研究計算機系統結構演化以及影響計算機軟硬件系統設計的一門重要課程，主要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。在課程內容上，“計算機系統結構”課程覆蓋計算機組成原理、計算機操作系統、編譯原理、數據結構、數字邏輯、模擬電路基礎等計算機專業的重要課程；在邏輯關系上，“計算機系統結構”從計算機的并行技術與系統設計實現角度將上述相關課程聯系統一在計算機體系知識架構上。
　　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。在計算機系統結構中，處理器的性能至關重要。四十多年前，Intel公司的創始人戈登?摩爾提出了著名的摩爾定律——計算機芯片中的晶體管數量每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展，構成處理器芯片的晶體管尺寸減小，改變狀態的電子數就變小，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幾乎已經達到極限時，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的革新，它會帶來軟件乃至計算技術的全面變革。多核在教學中帶來的變革可表現為兩種方式，一種為多核課程的單獨開設；另一種為改造現有計算機課程體系，在計算機系統結構中增加多核知識點。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“計算機系統結構”課程中引入多核技術的教學，從處理器體系結構、系統架構和程序設計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。
　　
　　1教研動態研究
　　
　　“計算機系統結構”課程強調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。基于課程在學生知識結構中的重要性，全國重點和普通高校幾乎都開設了這門課，涌現了大量的教研成果。文獻[1-2]在建設計算機系統結構精品課程中，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新能力培養的策略。文獻[3-4]探討了計算機系統結構課程教學，提出改革教學模式中的教學方法和教學內容，并分析了計算機系統的性能評價指標。文獻[5-6]介紹了計算機體系結構國家精品課程 的特色與建設經驗，包括教學內容、師資隊伍、教材建設、教學手段與方法、實踐條件、質量管理等多方面的成果，形成了部隊院校課程的特色優勢。文獻[7-8]對計算機系統結構實踐教學進行了研究。文獻[9]對計算機組織與體系結構教學改革進行了探索。文獻[10]研究了啟發式教學在計算機系統結構教學中的應用。上述教學研究表明，“計算機系統結構”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。
　　關于多核技術，文獻[11]從計算機發展歷史的角度提出了自己的專業思考，提供了理解多核技術、并行計算與未來計算機發展的視角。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。對于多核技術及發展趨勢，文獻[13]進行了簡要地分析與總結。文獻[14]對多核多線程處理器的發展及其軟件系統架構進行了研究，介紹了基于MIPS體系結構的多核處理器特點，并給出了路由器中軟件的架構。文獻[15-19]介紹了“多核程序設計”課程，并總結了多核精品課程建設。文獻[20]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。文獻[21]對計算機體系結構中引入多核技術做了詳細介紹，并探討了多核教學內容和教學模式。
　　通過對多核技術教研動態的充分調研，我們不難得到多核技術在國內教學中的實施狀況，幾乎都是新增多核課程或修改原有課程(如計算機系統結構、高級計算機體系結構等)的教學內容，以期適應多核時代帶來的變化。
　　
　　2多核技術知識點設計
　　
　　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，它在硬件和軟件兩個方面革新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：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、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)。3)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、多核平臺上編譯工具。4)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。5)多線程編程對多核的支持、Windows/Linux多核多線程編程技術、OpenMP對多核的支持、多核多線程程序的性能評測方法與工具。
　　多核技術涉及計算機硬、軟件技術的多個方面，開設獨立的多核課程難度較大，我們仍將多核內容劃分為處理器體系結構、系統架構和程序設計三個方面，涵蓋在“計算機系統結構”課程中。在計算機系統結構中設計多核技術方面的知識點，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”和創新能力的培養，強調多核架構與編程能力的訓練。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，使廣大的本科生能在以后的程序設計與開發中可以運用多核計算思想。3)向計算機專業本科生介紹多核技術及其面臨的挑戰，激發學生研究興趣和創造潛能，幫助他們更有效地開展進一步的科研工作。
　　
　　3課程內容設計與教學模式探討
　　
　　設計多核技術知識點在計算機系統結構方向，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的技術，課程的教學內容重新設計為：1)計算機系統結構概論，包括多核技術中的并行體系與多核體系結構知識點；2)數據表示、尋址技術與指令系統；3)流水線技術；4)指令級并行及限制；5)存儲系統；6)輸入輸出系統；7)多處理機系統，包括多核技術中的系統架構、多核硬件結構、多核操作系統、多核多線程編程等知識點；8)多計算機系統。
　　在上述教學內容中，多核及相關知識講授占“計算機系統結構”課程總課時的1/4，是課程考核的重點和難點。這樣就在教學內容和教學安排上突出了計算機系統結構發展教改成果和多核技術的最新發展成果，有效地支持了多核技術的講授。
　　針對上述的課程內容，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
　　
　　計算機系統結構發展至多核時代，課程經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)設計和開發了“計算機系統結構”網站系統，獲得了四川省精品課程建設的支持；2)緊跟國內外系統結構的新發展，采用多核技術發展的最新成果，更新教學內容體系；3)采用了創新性的教學模式，通過問題啟發式課堂講授、自主學習、專題討論和課程設計，突出學生的科學素養、軟硬件系統設計與開發知識、科學研究與工程實踐能力的提升。
　　5結語
　　在“計算機系統結構”課程的教學中，需要時刻把握國內外科研院校對計算機系統結構和多核技術的研究和教學動態，這樣才能充分應對多核技術帶來的計算機系統結構的變革。我們生活在多核時代，多核微處理器領域正在經歷快速的發展，我們將密切關注各種最新技術的出現，及時更新“計算機系統結構”課程的教學內容，不斷完善多核技術在本學科領域應用的案例，提高教學質量和水平，確保計算機知識的與時俱進、人才培養的實時性和有效性。
　　
　　參考文獻：
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