计算机系统结构多核综合实验的设计实现

王小妮

【摘要】 多核综合实验在计算机实验教学中发挥了日益重要的作用，对于满足计算机应用和发展来说，具有十分重要的意义。本文分析了计算机系统结构多核综合实验的设计实现，注重对原有计算机实验教学进行创新，以满足计算机发展需要。

【关键词】 计算机系统 系统结构 多核 综合实验

前言：所谓的“多核”是指一块芯片上集成多个处理器，这些处理器之间不需要设置共享关键资源，各自拥有独立的控制和计算部件。计算机系统结构多核综合实验的设计及应用，有利于满足计算机知识学习需要，更好地提升計算机应用创新能力，使计算机原理和技术知识更好地被接受和应用。

一、计算机系统结构多核综合实验发展现状

计算机系统结构多核综合实验的发展，是基于多核技术发展到一定阶段的产物，多核综合实验在满足实验教学方面，也发挥了重要的作用。多核计算机的出现，具有代表性的厂家为IBM、Sun，其利用计算机理论对多核处理器进行设计，对多个计算机内核进行集成，以提升计算机的计算速度[1]。2007年1月份，Intel配置了2个4核处理器的8核计算机，随后Intel公司推出了roadmap，主流处理器达到144核，这表明多核计算机技术手段已经被人们掌握，可以应用于工作和学习当中。在对计算机系统结构多核综合实验应用过程中，清华大学设计了FPGA的开放式教学CPU设计，并利用Windows/Linux进行多核编程实验；南京大学配置Altera DE2实验板，利用硬件描述语言进行CPU设计；浙江大学开设了基于FPGA的CPU设计和多核编程实验。随着计算机系统结构多核化发展，人们对开展多核综合实验工作进行关注，并纷纷开设相关课程，注重提升计算机实验动手能力，使多核技术能够被更好的理解和掌握[2]。

二、计算机系统结构多核综合实验的设计实现

计算机系统结构多核综合实验设计过程中，需要对多核实验关注的知识点予以把握，并且在设计过程中，保证实验设计具有创新性，以满足实际需要。具体内容我们可以从下面分析中看出：

2.1多核综合实验的知识点

计算机系统结构多核实验设计，要注重对多核的本质及技术要点进行把握，从而使人们通过多核实验，能够掌握多核技术，对原有的计算机结构进行创新，更好地满足实际发展需要。计算机系统结构多核综合实验涉及的知识点主要包括以下几点：1、硬件设计技术、Cache与存储一致性、IO管理；2、多核技术与单核技术之间的差异性、嵌入式多核芯片技术、Cell、OpenSpare、Intel双核芯片；3、多核体系结构特征、多核API优化函数库；4、多线程编程对多核技术应用的影响、 Windows/Linux编程技术、OpenMP对多核的支持、多线程程序性能测评方法。

在进行多核综合实验教学过程中，要对计算机系统结构多核综合实验包括的技术要点内容予以把握，在实验设计时，能够对这些内容进行涵盖[3]。

2.2多核综合实验设计实现

多核综合实验设计过程中，需要考虑到硬件设计和软件设计相关内容。硬件设计方面，利用FPGA指令进行单CPU实验，并在后期结合FPGA特征，设计多个处理器内核，进行操作系统移植，保证CPU具有多核特性；软件设计方面，利用Windows/Linux多核多线程编程实验，对编程的思想和方法予以认知和理解，增强程序设计能力[4]。具体的实验设计，我们可以从下面分析中看出：

1、实验目的。多核综合实验设计的目的在于使学生能够对计算机内部结构和相关工作原理予以认知，能够掌握CPU分析、应用和设计的能力。同时，对硬件描述语言、EDA软件、FPGA芯片能够进行有效使用，具有一定的硬件动手能力，对硬件技术知识更好地了解。

2、平台设计。平台设计主要应用PC、FPGA-CPU、单片机控制电路等组成。

3、实验内容。借助于Verilog HDL/VHDL实现CPU软核，并利用EDA工具软件进行系统的模拟和测试，之后将模拟测试的内容加载到FPGA芯片中，保证单CPU能够以FPGA指令形成。通过利用FPGA芯片，对CPU的功能进行拓展，保证原有实验存在的缺陷和相关问题得到有效解决。同时，Windows/Linux多核多线程实验利用win32API、MFC进行实验操作，对可编程逻辑器件、操作系统功能予以了解和认知。

除此之外，实验设计过程中，还需要对实验测试的参数和指标范围予以明确。选择16个32位的寄存器，总线宽度为32位数据。

结束语：计算机系统结构多核综合实验教学，注重对计算机实验教学的实践性予以把握，通过利用多核技术，更好地提升人们对计算机软硬件知识的理解和掌握，并使人们在学习计算机技术过程中，能够创新发展，对相关理论进行更好的认知。因此，在进行多核综合实验过程中，要注重对FPGA技术予以有效把握，对多核技术内涵更好地理解。

参 考 文 献

[1]于永斌，徐洁，王华，张凤荔，吴晓华，丁旭阳. 计算机系统结构课程多核创新实验探索[J]. 实验科学与技术，2011，03：68-71.

[2]. 自动化技术、计算机技术[J]. 中国无线电电子学文摘，2011，05：167-246.

[3]于永斌，徐洁，王华，张凤荔，廖建明，周世杰. 计算机系统结构课程中多核实验的设计[J]. 计算机教育，2011，19：40-42+50.

[4]叶娅兰，徐洁，刑建川，王华. 计算机系统结构多核综合实验的设计实现[J]. 实验科学与技术，2011，S1：269-271.