多核程序设计概述

环/球/I T| 计算机教育 2007.7 | 39★英特尔多核课程园地★《多核程序设计》概述浙江大学计算机学院 陈天洲 英特尔中国公司大学合作部 曹 捷 王靖淇/文半导体技术的进步使单芯片多处理器成为现实并推动着多核计算技术的不断进步。

浙江大学从2006年开设单独的多核课程，并联合国内五所重点高校设计编写了《多核程序设计》作为该课程的教材，对多核计算技术进行了全面深入的讲解，以期由此完善学生的知识结构。

1 多核计算技术的概述随着新材料的应用和新技术的发展，VLSI 技术取得长足进步，在单个芯片上集成多个处理器核心构成多核处理器已经成为处理器技术的主流。

按计算内核的对等与否，CMP 可分为同构多核和异构多核。

计算内核相同，地位对等的称为同构多核。

然而，一般认为处理器通用核的数目在超过16个后，再增加通用处理核的数目就难以带来更大的性能提升。

于是出现了一些为特别任务专门定制的专用处理核，包括面向科学计算等的“领域专用核”、图形图像处理和数字信号处理(DSP)等“行业专用核”。

这些专用核的体系结构利用特定应用的特征进行定制，从而达到定制应用的高性能和高效率。

从2005年出现的英特尔与AMD 的双核处理器、2006年推出的4核处理器到2007年2月英特尔公司展示的80核处理器，处理器中集成核的数目呈现迅速增多的趋势。

除此之外，具有更多核和不同功能核的处理器也在研发，例如整合了1025个简单处理器的芯片Kilocore ，包括1024个8位处理器和1个Power PC 核。

伴随着多核处理器的发展尤其是处理器核数目的增加与处理器核功能的变化，在体系结构、软件、功耗和安全性设计等方面，巨大的挑战也随之而来。

处理器的发展使得原有面向单核或者多处理器的软件架构不适于在单芯片多处理器的硬件结构上充分利用多计算核心的能力，需要相应的软件层面的共同发展。

为此，软件结构的变化尤其是针对多核硬件体系结构的程序设计成为有效发挥多核计算能力的重要方面。

为了适应技术的发展，为社会培养合格的计算机人才，在大学计算机教学中开设相应的多核计算课程势在必行。

计算机方向课程的开设尤其是教材的设计，不仅要注意到满足完善学生知识结构，适应计算机技术迅速发展的情况，同时也需注意到社会对于多核计算技术方面人才的需求，通过合理的设计，满足知识更新与就业两方面的要求。

2 多核课程设计多核计算技术的发展使得计算机教学发生了变化，这种变化主要来自于多核计算技术所带来的新的知识点。

这些新的知识点主要包括：多核SOC 芯片技术；多核芯片与传统单核微处理器、SMP 的区别；多核下的各种硬件设计技术(Cache 与存储一致性、网络互连、IO 管理)；并行体系与多核体系结构；典型多核芯片介绍；嵌入式多核芯片技术；多核平台结构与芯片组支持技术(包括固件技术)；多核操作系统；多核系统软件对并行编程的支持；多线程编程对多核的支持；多核多线程编程技术(主要是关于Windows 与Linux 操作系统)；OpenMP 对多核的支持；多核平台上的编译工具与编译优化技术；多核API 优化函数库；多核多线程程序的性能评测工具与方法。

环/球/I T| 计算机教育 2007.7 |40 这些新知识点的出现，使得越来越多的高校开设多核课程以适应技术的发展与多核时代对高校计算机人才培养的新需求。

例如，美国计算机专业最好的CMU 、MIT 、Backley 、Harvard 和Stanford 五所高校，均通过增加新的课程或者在原有课程内容中增加多核内容的方式，以适应多核计算机的出现与发展。

因此，综合考虑上述因素，并参考国外高校的课程开设方式，浙江大学开设了自己的多核课程。

浙江大学以学校计算机教学的实际情况为基本出发点，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、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，以通过建立体系经典理论研究和实际的发展方向之间的桥梁，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。

这是浙江大学多核计算课程设计的目标，也是我们教材设计的主要目的。

通过分析多核的知识点，浙江大学将多核计算课程分成了两个层次：以编程训练为主的本科多核计算课程和以编程为基础以多核理论与发展为主要内容的研究生课程。

本科课程的名称为并行计算与多核编程，作为专业选修课程。

多核的本科课程完全以编程训练为主，结合多核编程工具，通过编程作业锻炼学生对多核编程能力的培养。

对于研究生课程，名称为多核计算，主要着眼于当前多核技术的研究热点和多核技术的高级课题，在研究生的体系结构课程和超大规模集成电路基础上作进一步提高，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。

3 多核课程教材设计3.1 概况由于多核计算技术相对较新且仍在不断发展，目前国内外多核计算方向的著作以科学论文为主，偏向于研究与探索，浙江大学结合科研的实际情况，由任课教师采用科学论文作为研究生课程的主要教学材料。

而对于基础教材而言，由于多核计算方面的书籍还是刚刚起步，因此可供选择的余地较少。

此外，由于多核计算是一门动手能力和理论要求都很强的课程，需要更加重视实践环节，为学生设计实践训练，同时，目前多核底层调优软件是由英特尔公司推出，能实现多核的编译、运行库、性能测试、多线程检测与优化，对多核教学帮助极大。

因此，浙江大学采用了基于英特尔的软硬件，作为实践的基础培训。

有鉴于此，目前浙江大学的多核课程2006年使用的教材是由英特尔公司的(孟加拉)Shameem Akhter 与(美)Jason Roberts 撰写、Intel 出版的《Multi-core Programming: Increasing Performance through Software Multi- threading 》，2007年3月电子工业出版社推出了由李宝峰、富弘毅、李韬三位博士翻译的中文版，我们参与了该书的审稿工作。

该书是国内第一本全面讲解多核程序设计的书，同时，由于它介绍了基于Intel 多核平台的性能评测和调优工具，相对适合于目前的教学。

由于该书的作者是英特尔的平台结构师与软件工程师，尽管参与了多核处理器的架构与软件设计，对多核计算技术了解非常深入，但是其写作目的与风格均是工程师写给工程师的书，并不适用于大学教材。

与此同时，由于多核计算技术毕竟是正在发展当中，目前国内外的确缺乏多核编程的教材。

3.2 《多核程序设计》为了适应多核计算技术的发展，促进国内多核课程的建设，浙江大学、清华大学、北京大学、复旦大学、上海交通大学合作编写了《多核程序设计》教材，将于2007年7月由清华大学出版社出版。

清华大学、北京大学、上海交通大学、复旦大学分别在2006年秋冬学期，开始开展多核方向的教学。

本书的主要目的是作为多核计算课程的教材使用，而从对多核技术知识点的分析可以发现，适合作为教材编写的主要是多核体系结构程序设计的相关内容，因此本书在编写时以多核计算技术的基础知识概论为基础，以多核程序设计方法为骨干，主要包括基础并行程序设计方法、多线程基础、利用线程API 进行程序设计、OpenMP 与MPI ，以及多线程应用程序的调试和测试工具的使用等，以帮助大学生学习编写多核体系结构下高性能程序代码。

本书共分为八章，以多核技术导论为始，以多核软件工具介绍为终，分别覆盖了基本的多核体系基础、并行计算基础、多核体系下线程理论、Windows 与Linux 多线程编程与调优、OpenMP 多线程编程与调优、MPI 多线程编程与调优和多核软件工具的使用。

从结构上看，本书的内容主要包括三个方面：(1) 多核理论。

这部分内容包括了本书前三章的内容。

第一章为多核技术导论，简要介绍微处理器发环/球/I T| 计算机教育 2007.7 | 41展史、并行计算机、超大规模集成电路与系统芯片发展、片上多核处理器架构与典型多核芯片架构、芯片组对多核的支持，以及操作系统对多核处理器的支持方法。

第二章是并行计算基础，介绍并行计算机体系结构、并行计算模型、进程与线程、并行编程环境、并行编程语言与编译器、并行计算性能评测，并介绍常用并行数值算法，例如并行矩阵乘法、线性代数方程组并行求解方法、快速傅立叶变换。

最后介绍并行编译器。

第三章详细介绍线程的基本概念，包括多线程的概念，用户级线程和内核级线程，多线程的映射模型，线程的生命周期，多线程环境下的进程控制语义，以及线程的同步，包括互斥量(mutex)、信号量、条件变量、锁的粒度与死锁。

(2) 多核编程与调优。

包括了本书第四至七章的内容，分别讲述了不同操作系统与不同多线程编程技术下，怎样进行多线程编程和调优来充分利用多核处理器的效率。

其中第四章是教学生如何在Windows 下通过多线程方法进行多核编程及调优，首先介绍了Windows 线程库，然后通过例子介绍了使用win32线程API 进行线程创建、管理、终结，并介绍线程执行和资源存取方法，以及多线程调试与优化技术，包括调试、跟踪、线程命名等。

第五章介绍了在Linux 下使用多线程进行多核编程及调优的方法，与前一章类似，首先介绍POSIX 线程库Pthreads ，然后是结合例子介绍基本线程的操作与线程的属性，最后是使用GDB 调试线程以及线程的调优。

第六章介绍OpenMP 编程及性能优化方法，结合使用Microsoft Visual 2005教育学生如何编写OpenMP 程序，并教育学生使用OpenMP 编写多线程应用程序的技巧，包括循环并行化、并行区域编程、线程同步，最后分析OpenMP 多线程应用程序的性能。

第七章是MPI 编程及性能优化，介绍了最常用和稳定的MPICH 安装和配置过程，并详细介绍了MPI 编程基础知识与MPI 群集通信、MPI 程序排错方法与性能分析优化方法。

最后简要介绍了MPI-2。

(3) 多核软件工具。

包括了本书第八章。

由于目前的多核软件工具基本上是由英特尔公司开发并提供教学使用，因此本章的工具介绍基本上以英特尔的各种调优与性能分析工具为主，这既符合目前的实际教学状况，也符合社会需求。

第八章所介绍的多核软件工具包括编译器对多核的支持、VTune 性能分析器、MKL 数学核心函数库、Thread Checker 线程检查器、Thread Profiler 线程档案器的使用与实验。

由于多核课程是对动手实践能力要求高的一门课程，在进行教材设计时，除了上述的书面教材之外，还需要设计配套的实验教案等实践教学内容。

因此，本书在编写时也设计并实现了完整的教案、实验代码与实验环境，以便多核教学的正常进行。

《多核程序设计》一书体现了在本文第二节多核课程设计提出的多核课程教学的目标，结合了五所大学进行多核课程教学的教师们的经验。