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计算机类论文范文参考文献,与面向体系结构的软件优化课堂与实践教学相关论文开题报告
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摘 要：多核/众核处理器的发展与应用为计算机体系结构课程教学带来新的挑战,如何在课堂教学和实践环节中引入面向体系结构的软件优化内容,是近年计算机体系结构课程教学改革的一个重要议题.文章首先探讨引入这部分内容的必要性和可行性,然后分析适合计算机体系结构课程的教学和实践内容,最后介绍国防科学技术大学计算机学院相关教学活动和经验.
关 键 词：多核/众核；计算机体系结构；软件优化；教学与实验
文章编号：1672-5913（2013）18-0041-04
中图分类号：G642
0引言
计算机体系结构是计算机科学与技术学科的重要二级学科,强调从总体结构、系统分析的角度研究计算机系统.作为该二级学科的核心基础课程,计算机体系结构（以下简称体系结构）课程自然也特别强调从系统层次上学习和了解计算机.
经典体系结构课程教材如王志英等编著的《计算机体系结构》讲述计算机系统设计的技术、方法和理论,教学内容一般包括计算机指令系统、计算机组成和计算机硬件实现3个方面,涵盖处理器和多处理器、存储器、输入输出系统、互连与通信等计算机系统设计的主要内容,同时还涉及性能评价、编译和操作系统技术.通过学习该课程,学生能够把在计算机组成原理、数据结构、操作系统、汇编语言程序设计等课程中所学的软、硬件知识有机结合起来,建立计算机系统的完整概念.
计算机硬件系列课程的不断调整与改革,要求体系结构课程不断调整教学和实践内容.无论是国内还是国外,很多高校教材都逐渐把计算机组成原理课程内容和体系结构课程内容有机结合起来,甚至国外一些经典教材还将密切相关的软件设计内容也融合到一起.这种方式可以加深读者对计算机软硬件系统的整体化理解,有效加强对学生计算机系统设计能力的培养.
多核/众核处理器的成熟与发展也给当前体系结构课程的课堂和实践教学带来了新的挑战,为此我们除了引入典型的多核/众核体系结构案例外,还增加面向多核/众核体系结构的软件优化方法等必不可少的教学内容.以SIMD（SingleInstructionMultipleData,单指令多数据）为例,这一概念属于知识点“Flynn分类法”,我们通常在教学单元“并行计算机体系结构的分类’’中介绍,但随着体系结构技术的不断下移,多核CPU、GPU、MIC、流处理器等典型的多核/众核处理器中都集成了以SIMD方式工作的计算部件,并且衍生出SPMD（SingleProcessMultipleData,单进程多数据流）、STMD（SingleThreadMultipleData,单线程多数据流）等新概念,而要用好SIMD计算部件,专门的软件优化方法不可或缺.
本篇论文出处:http://www.sxsky.net/benkelunwen/060148551.html
目前,体系结构研究越来越强调软硬件之间的协同,人们不仅关注多核/众核处理器应集成哪些计算资源,还关心如何管理这些资源和用好这些资源.Intel、AMD、NVidia在推出性能强大的多核/众核处理器的同时,也为用户提供了配套的软件工具和高性能库,因此体系结构教学也应与体系结构的发展和变化保持一致.
1教学内容组织
1.1体系结构教学内容剖析
现有体系结构课程的教学内容大致可分为单处理器计算机系统与多处理机系统两个部分,前者一般包括指令系统、流水线、指令级并行、存储和I/O,后者一般包括多处理机的存储器体系结构、互连网络、同步机制以及集群计算机等内容.当然,不同教材的内容会有一定差异,如张晨曦等编著的《计算机系统结构教程》就将指令级并行分为硬件技术和软件技术两章分别介绍,还增加了阵列处理机、数据流计算机等内容.
这些教学内容,特别是单处理器计算机系统的相关内容,与计算机系统系列中的一些课程相互重叠.例如,计算机组成原理通常会从冯·诺依曼结构的5个模块、指令系统以及总线等方面介绍单处理器计算机系统,其教学内容与体系结构课程有较多重叠.实践教学也是如此,很多高校开设的计算机原理课程设计（有时也称为综合实验）往往以实现一个16位或32位CPU为主要内容.如果教师能够系统梳理计算机系统系列课程的教学内容,将一部分体系结构课程的教学内容安排在其他课程中,那么将有利于向体系结构课程中引入新的教学内容.
从目前国内外高校的教学情况看,越来越多的高校开始将计算机系统的定量设计基础、指令系统设计、流水线及相关问题、Cache基本知识及提高Cache性能的基本方法、外部存储设备、I/O设备与CPU和存储器的连接、RAID等内容安排在计算机原理、计算机组成与结构或其他类似课程中讲授,体系结构越来越趋向于一门专业性很强的课程.南京大学袁春风老师编著的《计算机组成与系统结构》为合理安排计算机系统系列课程的教学内容提供了有益参考.
强调系统结构与编译器、操作系统等软件的联系,一直是体系结构课程教学关注的重要内容.该课程在流水线、指令级并行、Cache（如预取）、多处理机等内容方面,着重突出与编译原理的关系；在虚存、I/O等内容方面,主要突出与操作系统的关系.这也是教师在组织教学内容时必须考虑的.
1.2教学单元和知识点设计
这项工作可以通过不同的方式进行,如增加新的教学单元和知识点或修改已有教学知识点.显然,多核/众核体系结构是首先需要补充的教学单元,一方面该单元通过当前流行的多核/众核处理器产品介绍典型多核/众核体系结构,如Intel/AMD的多核产品、NVidiaGPU、IntelMIC等；另一方面,该单元还可以介绍新型体系结构为应用程序设计与优化带来的挑战以及它们的发展趋势等.
功耗也是需要补充的教学单元.在当前处理器和计算机系统的设计中,功耗已经成为一个越来越重要的问题.设计者从工艺、体系结构、编译器、操作系统、应用等多个不同层次进行功耗优化.教师在教学时可以从体系结构角度,介绍低功耗处理器体系结构（如并行结构、流水结构、存储分区访问）、基于PCM（PerformanceCounterMonitor,性能计数监视器）的功耗优化等知识点.由于该单元的知识点与多个教学单元有关,因此将其分布到相关单元中也是一种可行的方法.数据级并行也是需要扩展的教学单元.目前,几乎所有的通用处理器都支持SIMD扩展指令,IntelMMX/SSE就是其中的典型代表.这一教学单元可以涵盖SIMD/SPMD/STMD工作方式、计算部件的结构和关键设计问题、影响SIMD方式性能的控制流和存储访问问题以及相应的优化策略等知识点.
性能评价、指令系统设计、Cache等都是需要修改的教学单元.对于性能评价,PCM已经成为重要性能参数获取手段,基于PCM测量结果的性能优化方法已经越来越成熟.在指令系统设计方面,不少教材中都介绍了“面向操作系统的优化实现改进指令系统”知识点,但缺乏足够详细的实例.Intel公司为提高虚拟化系统效能设计的VMRESUME、VMLAUNCH等指令是非常合适的实例.在Cache方面,多线程/多进程对Cache的竞争使用以及由此引起的性能问题都值得介绍.
受篇幅所限,我们将不再讨论另外一些可引入体系结构课程的教学单元和知识点.
2实验设计
现有的体系结构实践主要围绕CPU的设计进行.文献[5]介绍了我们在体系结构课程实践教学方面的经验与思考,教材[6]就是根据这些经验总结而成,但面向体系结构的软件优化部分的实验与其所讨论的内容不同.首先,面向体系结构的软件优化实验只能采用纯软件的方式进行,虽然一些硬件设计可以改进软件优化方法的效果和效率,但将其安排在研究生课程中更加合适；其次,将一些实验内容安排在并行程序设计与优化中可能更合适,如面向多核平台的多线程程序设计与优化、面向GPU或MIC的程序设计与优化等.我们认为适合作为本科体系结构课程的实践教学有以下几个模块.
1）SIMD扩展指令的性能分析与优化.
该模块以IntelSSE、
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