多路處理器計算機教學(xué)實驗箱

　　根據(jù)高等院校計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等本科及研究生專業(yè)開設(shè)的《計算機體系結(jié)構(gòu)》(含并行)、《并行計算》、《并行程序設(shè)計》和《計算機操作系統(tǒng)》(含并行)是計算機、軟件工程等專業(yè)的重要課程，但上述課程的實驗教學(xué)環(huán)境非常貧乏。目前，僅僅是引用國外大學(xué)及研究機構(gòu)的虛擬機及其相應(yīng)模擬或仿真器，硬件實驗平臺幾乎可說是空白。這種狀況造成了學(xué)生在理解、鞏固和加深理論知識上受到制約，在復(fù)雜多處理器架構(gòu)面前缺乏相應(yīng)實踐能力，在理論研究與核心技術(shù)上缺乏科研創(chuàng)新思維。

　　隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器目前已經(jīng)從單核(Single-core)進入多核(Multi-core)應(yīng)用時代。基于多處理器的并行計算機也應(yīng)用越來越廣泛。云計算、大數(shù)據(jù)等新的應(yīng)用，不單單意味著處理器核數(shù)量的增多，更是對單片處理器本身體系架構(gòu)、多片處理器的計算機整體架構(gòu)，對操作系統(tǒng)、編譯器、應(yīng)用軟件提出了更多架構(gòu)上的挑戰(zhàn)。因此，高等院校計算機相關(guān)專業(yè)的教學(xué)必須與時俱進，不僅要在教材上，而且要在實驗環(huán)境上跟上這一技術(shù)發(fā)展。否則，教學(xué)將脫離現(xiàn)實與實踐，阻礙高科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

　　基于上述現(xiàn)狀，以提高我國計算機體系結(jié)構(gòu)、并行計算等領(lǐng)域的教學(xué)與應(yīng)用水平為目標(biāo)，國家高性能計算中心深圳分中心(深圳大學(xué)計算機與軟件學(xué)院)陳國良院士團隊設(shè)計和研制立足國產(chǎn)“龍芯”CPU平臺、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多路處理器計算機教學(xué)實驗儀器。該實驗系統(tǒng)可以滿足不同層次院校開設(shè)上述課程實驗的驗證型、綜合型、創(chuàng)新型實驗教學(xué)要求。

　　功能介紹：

　　多路處理器計算機教學(xué)實驗系統(tǒng)是由龍芯3A處理器構(gòu)成的、內(nèi)可配置外可擴展結(jié)構(gòu)的實驗硬件平臺。實驗系統(tǒng)具有：多種并行層次，多發(fā)射、多核、多路、多機;多種互連方式，片上網(wǎng)絡(luò)、HyperTransport、以太網(wǎng);多種存儲結(jié)構(gòu)，CMP/SMP、CC-NUMA;多種編程模式，Pthread、MPI、OpenMP等。可以在《并行計算》、《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》、《linux操作系統(tǒng)》、《并行算法實踐》和《并行程序設(shè)計》等課程的教學(xué)實驗中，進行相配套的上機實驗。

　　該多路處理器教學(xué)實驗箱上有對稱的4個處理單元，每個處理單元包含一顆龍芯3A四核處理器。4個處理單元既可通過網(wǎng)絡(luò)互連為多處理機集群架構(gòu)，也可通過HT總線互連為CC-NUMA架構(gòu)。并且多個實驗平臺可通過網(wǎng)絡(luò)和HT實現(xiàn)更多的處理器互連。文件系統(tǒng)服務(wù)器用來統(tǒng)一存放NFS系統(tǒng)，為處理單元提供內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

　　多路處理器教學(xué)實驗箱由處理板和控制板組成。處理板是實驗平臺的主要部分，可運行多處理器程序，實現(xiàn)并行程序的設(shè)計與開發(fā)?？刂瓢逯饕?fù)責(zé)把處理板上的網(wǎng)絡(luò)、串口等資源擴展成標(biāo)準(zhǔn)接口，同時負(fù)責(zé)給處理板供電和進行相應(yīng)的控制。

　　處理板的設(shè)計可滿足多種并行層次應(yīng)用上的需求。在HT總線不使用時，實現(xiàn)單處理器結(jié)構(gòu)、SMP結(jié)構(gòu)和SMP集群結(jié)構(gòu)等;在處理器支持Cache一致性的HT通信并使用HT總線的情況下，可以實現(xiàn)4路4核的CC-NUMA結(jié)構(gòu)和CC-NUMA集群結(jié)構(gòu)。因此，利用該處理板可以構(gòu)建實驗平臺，進行計算機體系結(jié)構(gòu)教學(xué)在多種并行層次上的教學(xué)實驗。

　　控制板為用戶提供了操作主板的接口，控制板主要包括與每個處理器對應(yīng)的千兆RJ45網(wǎng)口、可4選1的DB9串口、一個切換按鍵功能的搖柄開關(guān)、4個功能按鍵和一個控制4個處理器開關(guān)的AT89S52單片機;可以通過控制板的功能按鍵，手動的選擇任意一個處理單元的開關(guān)機，以及相對應(yīng)的串口打印串口調(diào)試信息和4核、8核、16核以及SMP和CC-NUMA的啟動模式的選擇。

　　4核SMP/CMP系統(tǒng)：多路處理器計算機教學(xué)實驗箱有4個處理單元，每個處理單元包含一個龍芯3A處理器、DDR2內(nèi)存、以太網(wǎng)卡、BIOS、串口收發(fā)芯片以及電源變換電路等。每個處理單元可以獨立控制，是一個單芯片多處理器(CMP)或?qū)ΨQ多處理器系統(tǒng)(SMP)。

　　16核SMP系統(tǒng)：多路處理器計算機教學(xué)實驗箱的4個處理單元可以通過HT總線互連，組成16核的主從式(master-slave)SMP系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺主處理單元記錄、控制其它從處理單元的狀態(tài)，并分配任務(wù)給從處理單元。處理單元1為主，其他三個處理單元為從。操作系統(tǒng)在主處理單元上運行，所有處理單元共享處理單元1的存儲器、I/O設(shè)備等。從處理單元的請求通過陷入傳送給主處理機，然后主處理機回答并執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)操作。主從式SMP系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)簡單，不存在存取沖突和訪問阻塞問題，可高效的分配各處理單元的任務(wù)，并行執(zhí)行效率高。

　　兩節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)：多路處理器計算機教學(xué)實驗箱的處理單元可以通過HT總線互連，配置為兩路兩節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)。每個是處理單元看作一個對稱多處理器系統(tǒng)(SMP)，將兩個處理單元通過HT總線互連，形成的兩節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)。本實驗箱使用HT0接口構(gòu)成兩節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)。

　　四節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)：多路處理器計算機教學(xué)實驗箱的處理單元可以通過HT總線兩兩互連，配置為四節(jié)點CC-NUMA系統(tǒng)。

　　分布式存儲多處理機：分布式存儲多處理機也叫做多計算機，是由多個具有本地存儲模塊的相互獨立的處理機通過互連網(wǎng)絡(luò)連接而成的。這種處理機特點是結(jié)構(gòu)靈活、易擴充，具有較高的可擴放性和計算性。多路處理器計算機教學(xué)實驗箱的處理單元可以通過網(wǎng)絡(luò)互連組成分布式存儲多處理機。

　　作品名稱：多路處理器計算機教學(xué)實驗箱

　　學(xué)校或單位：深圳大學(xué)