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多核时代的计算机系统结构课程

院系：计算机科学与技术学院专业：计算机科学与技术：姓名：

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(computerarchitecture)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.

从所包含的处理器核结构的角度来看，多核处理器分为同构多核处理器和异构多核处理器。同构与异构是多核处理器主要的两种结构形态。同构多核处理器中处理器芯片内部的所有内核结构完全相同，各个内核具有等同的地位。异构多核处理器中异构多核处理器芯片内部采用多种功能不同的内核，一般是由负责管理调度的主核和负责计算的从核构成，或者由承担定点、浮点、特殊计算等不同计算功能的多种内核组成。从应用的角度来说，目前的同构多核处理器大多数由通用的处理器核组成，每个处理器核可以独立地执行任务，与通用单核处理器结构相近。异构多核处理器通常同时集成通用处理器、DSP、媒体处理器、网络处理器等多种类型的处理器内核，各个内核针对不同的需求，从而提高应用的计算性能。其中，通用处理器核常作为主核控制处理器以进行通用计算，而其他处理器核用于加速特定的应用。

多核上将集成更多结构简单、低功耗的核心。为了满足性能需求，通过集成更多核心来提高性能是必然选择，但是核心的结构也必须考虑。因为如果核心结构过于复杂，随着核心数量的增多，不仅不能提升性能，还会带来线延迟增加和功耗变大等问题。例如，2007?年?Tilera?公司和?Plurality?公司分别推出自己的?64?核处理器产品，而?Intel?公司也将推出?80个核心的低功耗处理器。异构多核是一个重要的方向。研究表明，将结构、功能、功耗、运算性能各不相同的多个核心集成在芯片上，并通过任务分工和划分将不同的任务分配给不同的核心，让每个核心处理自己擅长的任务，这种异构组织方式比同构的多核处理器执行任务更有效率，实现了资源的最佳化配置，而且降低了整体功耗。多核上应用可重构技术。大规模高性能可编程器件的出现，推动了现场可编程门阵列(field?programmable?gate?arrays，FPGA)?技术的发展。在芯片上应用?FPGA?技术有高灵活性、高可靠性、高性能、低能耗和低成本多种优势。微处理器设计人员注意到了这种优势，并将?FPGA?等可重构技术应用到多核结构上，让结构具备可重构性和可编程性。这种创新思路大大提高了多核的通用性和运算性能，使处理器既有了通用微处理器的通用性，又有专用集成电路的高性能，使之兼具了灵活性、高性能、高可靠、低能耗等众多优良特点。

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