《多核计算技术》课程教学大纲.docx

多核计算技术课程教学大纲课程名称多核计算技术Multi-core Computing Technique授课教师曹菡课程类别专业选修课先修课程计算机网络，计算机体系结构，操作系统，程序设计适用学科范围专业硕士：计算机技术开课形式讲解，项目实践开课学期第1学期学时40学分2一 课程目的和基本要求本课程面向的对象为计算机技术的专业硕士研究生。多核处理器技术是当前高性能微处理器系统发展的主流趋势。近年来多核技术得到快速发展。这个发展使得单核架构的电脑逐渐被替代，更重要的是多核技术将带来业内硬件和软件设计理念和方法上一系列的更新和变革。多核时代的到来无疑揭开了计算机发展历史的新篇章。如何充分发挥多核处理器的性能优势，已经成为当前软件产业的重要挑战。在传统的软件设计方法教学中，还没有课程能充分指导学生掌握多核处理器软件设计的方法，这直接制约了多核处理器应用的普及和深入。随着计算机技术的日新月异的发展，原有的芯片设计已经基本达到了其性能的瓶颈，开发新的芯片结构成为了推动计算机技术继续发展的立足点。而多核芯片设计就是现今SOC设计的一个最重要的方向。多核体系打破了原有的单芯片单处理核心的设计，在同一芯片中融入了多个处理核心。这种设计大大增强了处理器的处理能力，真正实现了多线程设计。同时，这种设计又不同于多处理器的体系设计。多个处理核心之间的通信的代价较多处理器设计要小的多，整体系统的复杂度因而也可降低许多，并带来了成本的降低以及系统稳定性的提高。本课程是在研究生的体系结构课程和超大规模集成电路基础上做进一步提高，结合操作系统、编译原理、编程方法等交叉学科，介绍在体系结构上的多核理论与相关学科对此的相应发展。课程以多核体系结构、多核芯片现状、多核系统软件、多核编译优化、多核编程方式等为主线，阐述当今多核体系的基本理论、思想和方法，力求使学生们了解世界前沿的体系结构技术，为从事高水平研究打好基础。这门课程的教学目的是让学生了解当前计算机芯片设计领域中新兴多核体系设计的基本原理、典型设计策略，技术难点、目前发展状况、以及对计算机领域带来的相关影响等。培养学生的多核程序设计的基本理论分析能力，强化实际动手能力。为将来多核应用软件的设计奠定坚实的基础，同时也为将来从事体系结构领域、系统软件领域以及相关领域的高水平研究打好扎实的基础。课程的基本要求是通过本课程的学习：l 使学生掌握多核体系的基本原理l 了解多核体系的典型设计策略；l 掌握基于Windows平台、Linux平台和OpenMP的多核软件设计基本方法；l 掌握并行算法设计的基本概念和基本分析方法，具备并行软件的初步设计能力；l 掌握多核软件性能分析工具的原理与使用，具备使用工具分析和改进并行多核软件执行效能的能力；l 掌握操作系统和编译器的相应设计、编程方式的变化方向等；l 能在多核平台上进行并行编程，会使用多核技术编程工具进行程序优化及调试，理解多核技术对其他学科的影响，能独立完成所要求的实验计划。二 课程主要内容根据多核软件技术的本身特点，以及本校整体课程体系建立情况，课程的主要内容包括四个主要部分：基本理论知识，多核软件设计方法，基于多核处理器的并行算法设计与实现，多核软件性能分析工具的使用。其中并行算法的设计与实现将是本课程的核心内容。基本理论知识该部分主要介绍多核软件设计的硬件和操作系统平台基础，以期让学生掌握多核软件设计的基本原理：多核处理器体系结构。此部分将重点讲授基于地址空间共享机制的多核处理器体系结构主要技术特征，介绍以Intel公司为代表的主流多核微处理器产品，并将根据多核处理器的发展介绍其它有代表性的多核微处理器体系结构。多核处理器上的操作系统。该部分将首先回顾线程和进程的基本概念，继而讨论操作系统对于线程的不同实现思路（内核级、应用级和混合形）和特点。在此基础上，介绍多核处理器上操作系统的关键性技术问题，重点介绍Windows 2000操作系统中多核处理器的线程调度机制。多核软件设计方法这部分内容主要讲授基于Windows操作系统平台上多线程程序设计的基本操作系统原语，以及OpenMP的基本设计方法，以期让学生掌握使用多线程方法进行多核软件设计的基本技能。基于Windows平台的多线程程序设计方法。该部分主要讲授Windows平台上的多线程API接口函数，包括线程创建、撤销、挂起/恢复、优先级设置、睡眠、临界区等。基于OpenMP的多核软件程序设计方法。该部分主要讲授OpenMP的主要原理和特点，编译制导语句格式，语句中经常使用的制导命令和子句，重点介绍变量属性、线程分配策略、规约语句主要内容，通过数值积分求PI值作为OpenMP编程练习的实例。并行算法设计基本方法和实例分析。这部分内容主要讲授并行计算程序设计的一般原理，以及结合实际例子说明在多核处理器平台上使用多线程方法设计并行程序的方法。并行程序设计的基本原理。该部分首先讲授任务依赖图，引入并发度、关键路径、粒度等基本概念，然后介绍了三种基本的任务分解方法，最后围绕加速比、执行效率、成本等概念，讲授Amdahl定律。并行程序设计实例分析。该部分有针对性地选择了三个实例：高斯消去法，多路归并排序和蒙特卡罗法求PI值。其中高斯消去法主要介绍数值类型计算中的数据划分方法，多路归并排序主要介绍非数值计算中比较复杂的负载均衡问题，蒙特卡罗法则是通过多线程共享互斥的随机数产生过程而对性能产生的副作用，来讨论多线程程序设计中可能出现的问题。在完成上述理论教学后，将以两个典型的非数值计算问题：并行查询和K值计算问题，作为学生自主编程实践的内容。对于研究生课程，将补充图形、图象处理中的实际应用问题讲解。多核软件的性能分析方法和工具。这部分内容以Intel公司的VTune性能分析工具为基础，介绍了多核软件实际运行性能的分析和优化方法。首先介绍了性能分析工具中采样方式和调用图方式的工作原理，然后介绍了Thread Checker工具中关于数据竞争、死锁、关键路径、负载均衡等重要问题的方法。在上述教学内容的设计中，重点突出了多核软件设计，特别是并行算法设计的实例分析和实际动手设计，还包含了多核软件性能分析方法和工具等具有前沿特点和实际工程应用价值的素材。使得学生不仅能掌握多核软件设计的基本方法，而且能体会到国际主流微处理器厂商所带来的最新硬件产品优势和软件辅助开发工具的重要作用。实验内容使用以下工具，学习多核编程优化方法： Intel VTune Performance Analyzers Intel Threading Tools (Intel Thread Checker and Intel Thread Profiler) Intel Math Kernel Library Intel Integrated Performance Primitives Intel MPI Library Intel Trace Analyzer & Collector Intel Cluster Toolkit 三 课程主要教材1 多核系列教材编写组. 多核程序设计，清华大学出版社, 2007年9月.2 周伟明. 多核计算与程序设计，华中科技大学出版社, 2009年四 主要