《多核程序設(shè)計(jì)》概述new

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1、《多核程序設(shè)計(jì)》概述1陳天洲曹捷王靖淇(浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,杭州310027)摘要:隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，多核芯片已經(jīng)成為處理器技術(shù)的主流。浙江大學(xué)根據(jù)多核計(jì)算技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以經(jīng)典體系理論為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力為目標(biāo)，開(kāi)設(shè)了多核課程，并以此進(jìn)行了教材設(shè)計(jì)，聯(lián)合清華大學(xué)等高校編寫(xiě)了適合于《多核程序設(shè)計(jì)》，作為多核計(jì)算課程教學(xué)設(shè)計(jì)的一種探索。關(guān)鍵詞:多核計(jì)算;課程設(shè)計(jì);教材設(shè)計(jì);實(shí)踐半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使單芯片多處理器成為現(xiàn)實(shí)并推動(dòng)著多核計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步。浙江大學(xué)從2006年開(kāi)設(shè)單獨(dú)的多核課程，并聯(lián)合國(guó)內(nèi)五所重點(diǎn)高校設(shè)計(jì)編寫(xiě)了《

2、多核程序設(shè)計(jì)》作為該課程的教材，對(duì)多核計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了全面深入的講解，以期由此完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。1多核計(jì)算技術(shù)的概述隨著新材料的應(yīng)用和新技術(shù)的發(fā)展，VLSI技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，在單個(gè)芯片上集成多個(gè)處理器核心構(gòu)成多核處理器[1][2][3]已經(jīng)成為處理器技術(shù)的主流。按計(jì)算內(nèi)核的對(duì)等與否，CMP可分為同構(gòu)多核和異構(gòu)多核。計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等的稱為同構(gòu)多核。然而，一般認(rèn)為處理器通用核的數(shù)目在超過(guò)16個(gè)后，再增加通用處理核的數(shù)目就難以帶來(lái)更大的性能提升。于是出現(xiàn)了一些為特別任務(wù)專(zhuān)門(mén)定制的專(zhuān)用處理核，包括面向科學(xué)計(jì)算等的“領(lǐng)域?qū)Ｓ煤恕?、圖

3、形圖像處理和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等“行業(yè)專(zhuān)用核”[5,6]。這些專(zhuān)用核的體系結(jié)構(gòu)利用特定應(yīng)用的特征進(jìn)行定制，從而達(dá)到定制應(yīng)用的高性能和高效率。從2005年出現(xiàn)的英特爾與AMD的雙核處理器[4]、2006年推出的4核處理器到2007年2月英特爾公司展示的80核處理器，處理器中集成核的數(shù)目呈現(xiàn)迅速增多的趨勢(shì)。除此之外，具有更多核和不同功能核的處理器也在研發(fā)，例如整合了1025個(gè)簡(jiǎn)單處理器的芯片Kilocore[7]，包括1024個(gè)8位處理器和1個(gè)PowerPC核。伴隨著多核處理器的發(fā)展尤其是處理器核數(shù)目的增加與處理器核功能的變化，

4、在體系結(jié)構(gòu)、軟件、功耗和安全性設(shè)計(jì)等方面，巨大的挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。處理器的發(fā)展使得原有面向單核或者多處理器的軟件架構(gòu)不適于在單芯片多處理器的硬件結(jié)構(gòu)上充分利用多計(jì)算核心的能力，需要相應(yīng)的軟件層面的共同發(fā)展。為此，軟件結(jié)構(gòu)的變化尤其是針對(duì)多核硬件體系結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)成為有效發(fā)揮多核計(jì)算能力的重要方面。為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，為社會(huì)培養(yǎng)合格的計(jì)算機(jī)人才，在大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)中開(kāi)設(shè)相應(yīng)的多核計(jì)算課程勢(shì)在必行。計(jì)算機(jī)方向課程的開(kāi)設(shè)尤其是教材的設(shè)計(jì)，不僅要注意到滿足完善學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的情況，同時(shí)也需要到社會(huì)對(duì)于多核計(jì)算技術(shù)方面人

5、才的需求，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，滿足知識(shí)更新與就業(yè)兩方面的要求。2多核課程設(shè)計(jì)1收稿日期:2007-05-16作者簡(jiǎn)介:陳天洲(1970-)，男，浙江，博士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)。曹捷，男，英特爾中國(guó)大學(xué)合作部王靖淇，女，英特爾中國(guó)大學(xué)合作部多核計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)教學(xué)發(fā)生了變化，這種變化主要來(lái)自于多核計(jì)算技術(shù)所帶來(lái)的新的知識(shí)點(diǎn)[8][9][10]。這些新的知識(shí)點(diǎn)主要包括：多核SOC芯片技術(shù)；多核芯片與傳統(tǒng)單核微處理器、SMP的區(qū)別；多核下的各種硬件設(shè)計(jì)技術(shù)（Cache與存儲(chǔ)一致性、網(wǎng)絡(luò)互連、IO管理）；

6、并行體系與多核體系結(jié)構(gòu)；典型多核芯片介紹；嵌入式多核芯片技術(shù)；多核平臺(tái)結(jié)構(gòu)與芯片組支持技術(shù)（包括固件技術(shù)）；多核操作系統(tǒng)；多核系統(tǒng)軟件對(duì)并行編程的支持；多線程編程對(duì)多核的支持；多核多線程編程技術(shù)（主要是關(guān)于Windows與Linux操作系統(tǒng)）；OpenMP對(duì)多核的支持；多核平臺(tái)上的編譯工具與編譯優(yōu)化技術(shù)；多核API優(yōu)化函數(shù)庫(kù)；多核多線程程序的性能評(píng)測(cè)工具與方法。這些新知識(shí)點(diǎn)的出現(xiàn)，使得越來(lái)越多的高校開(kāi)設(shè)多核課程以適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展與多核時(shí)代對(duì)高校計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的新需求。例如，美國(guó)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)最好的CMU、MIT、Backley、Har

7、vard和Stanford五所高校，均通過(guò)增加新的課程或者在原有課程內(nèi)容中增加多核內(nèi)容的方式，以適應(yīng)多核計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展。因此，綜合考慮上述因素，并參考國(guó)外高校的課程開(kāi)設(shè)方式，浙江大學(xué)開(kāi)設(shè)了自己的多核課程。浙江大學(xué)以學(xué)校計(jì)算機(jī)教學(xué)的實(shí)際情況為基本出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生了解當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域中新興多核體系設(shè)計(jì)的基本原理、技術(shù)難點(diǎn)、目前發(fā)展?fàn)顩r、以及對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)的相關(guān)影響等，以通過(guò)建立體系經(jīng)典理論研究和實(shí)際的發(fā)展方向之間的橋梁，為將來(lái)從事體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、系統(tǒng)軟件領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域的高水平研究打好扎實(shí)的基礎(chǔ)。這是浙江大學(xué)多核計(jì)算課程設(shè)計(jì)

8、的目標(biāo)，也作為教材設(shè)計(jì)的主要目的。通過(guò)分析多核的知識(shí)點(diǎn)，浙江大學(xué)將多核計(jì)算課程分成了兩個(gè)層次：以編程訓(xùn)練為主的本科多核計(jì)算課程和以編程為基礎(chǔ)以多核理論與發(fā)展為主要內(nèi)容的研究生課程。本科課程的名稱為并行計(jì)算與多核編程，作為專(zhuān)業(yè)選修課程。多核的本科課程完全以編程訓(xùn)練