并行與分布計(jì)算課程建設(shè)探索

郭衛(wèi)斌　鄭　紅　李建華　羅勇軍

文章編號(hào)：1672-5913(2009)02-0082-03

摘 要：本文根據(jù)我系近年教學(xué)改革與課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，探討了面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的并行與分布計(jì)算課程的課程規(guī)劃和建設(shè)，并總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：并行與分布計(jì)算；課程建設(shè)；改革

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

“并行與分布計(jì)算”是一門綜合性較廣的科目，屬于計(jì)算機(jī)學(xué)科較前沿的課程，學(xué)習(xí)本課程必須先學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、算法設(shè)計(jì)與分析等課程。本課程以擴(kuò)展知識(shí)面、培養(yǎng)創(chuàng)新力為目標(biāo)，遵循“理論聯(lián)系實(shí)踐”的指導(dǎo)思想，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自我探索創(chuàng)新能力，為學(xué)生的工作和研究打下良好的基礎(chǔ)?！安⑿信c分布計(jì)算”這門課程培養(yǎng)目標(biāo)主要是普及并行計(jì)算技術(shù)，使廣大的程序設(shè)計(jì)與開發(fā)者可以發(fā)揮超級(jí)計(jì)算、分布計(jì)算的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，向未來(lái)的科研人員介紹多核技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)研究興趣，幫助他們更有效地開展科研工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，我們和Intel公司保持著良好的合作關(guān)系。2008年4月，作為Intel大學(xué)合作計(jì)劃的合作伙伴，華東理工大學(xué)派遣本課程的授課教師參加了相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，該課程進(jìn)入“Intel大學(xué)合作計(jì)劃”。2008年5月，雙方正式簽署了合作協(xié)議，并接收了Intel公司捐贈(zèng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2008年6月，該課程被批準(zhǔn)為2008年度“教育部－Intel精品課程”建設(shè)項(xiàng)目。

2 “并行與分布計(jì)算”課程建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)并行與分布計(jì)算技術(shù)的本身特點(diǎn)以及我校課程體系的設(shè)置情況，并行與分布計(jì)算技術(shù)涵蓋了從單機(jī)、“多核”、SMP、集群以及Grid的各種尺度的并行技術(shù)。將課程平臺(tái)建立在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法、程序設(shè)計(jì)實(shí)踐等方面，建立了并行和分布計(jì)算的全面的課程體系。

在本課程開展初期，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本課程的教學(xué)主要是采用理論教學(xué)和單機(jī)實(shí)驗(yàn)為主。Intel多核計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為教師和學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件。本課程的建設(shè)將Intel多核架構(gòu)增加到本課程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分，在程序設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)介紹OpenMP、MPI和微軟的超線程技術(shù)及其在Intel多核架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)；在硬件建設(shè)上，建立多核專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，用于學(xué)生的實(shí)踐操作；軟件建設(shè)上，建立OpenMP、MPI編程環(huán)境，使學(xué)生能很方便地進(jìn)行編程實(shí)踐活動(dòng)。

2.1 教學(xué)方式

“并行與分布計(jì)算”是一門涉及較廣的課程，內(nèi)容繁雜，理論知識(shí)多。為此，課程組針對(duì)本科教學(xué)的特點(diǎn)，采用泛講、精講和實(shí)踐相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)顯式地說(shuō)明所教授的理論，實(shí)踐了以開放－研究為主的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

(1)“開放－研究”為主的教學(xué)模式

并行與分布課程涉及內(nèi)容較廣，內(nèi)容較新，因此我們及時(shí)將先進(jìn)的知識(shí)引入本課程體系，形成“開放”的教學(xué)模式；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生“研究”并行程序設(shè)計(jì)實(shí)踐方法，采用MPI和OpenMP解決實(shí)踐問(wèn)題。

(2) 結(jié)合最先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建全面的課程體系行與分布計(jì)算技術(shù)涵蓋了從“多核”、SMP、集群到Grid的各種尺度的并行技術(shù)，因此我們將課程平臺(tái)建立在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法、程序設(shè)計(jì)實(shí)踐等方面，建立了并行和分布計(jì)算的全面的課程體系。

(3) 軟硬件相結(jié)合的理論及實(shí)踐教學(xué)方法

本課程主要關(guān)注最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)以及為發(fā)揮先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件性能而必須獨(dú)特設(shè)計(jì)的軟件模式，因此本課程主要介紹先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，在實(shí)踐教學(xué)中強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)硬件性能對(duì)軟件效率的影響。

2.2 教學(xué)條件

經(jīng)過(guò)了數(shù)年教學(xué)實(shí)踐，本課程組已組織編寫了《并行與分布計(jì)算》課程講義，并編寫了《并行與分布計(jì)算習(xí)題解答》和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義，通過(guò)作業(yè)和課外實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠更扎實(shí)地理解和掌握并行和分布計(jì)算的基本理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

另外，我們已在本校計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建立了兩個(gè)多核計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，擁有近200臺(tái)雙核微機(jī)，并在這些機(jī)器上安裝相應(yīng)的開源軟件，使得學(xué)生能在該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)和實(shí)踐并行程序。在Web服務(wù)器上建立了本課程的教學(xué)資料和輔導(dǎo)材料的網(wǎng)站，包括課程介紹、教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，使得學(xué)生能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，我系還計(jì)劃組織安排學(xué)生參觀我校的上海超級(jí)計(jì)算中心分中心。

以上各種措施豐富了教學(xué)形式，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性實(shí)踐的能力，使教學(xué)質(zhì)量達(dá)到一個(gè)新的高度。

2.3 課程特色

(1) 提出并實(shí)施了“開放－研究”為主的課堂教學(xué)新模式

并行與分布計(jì)算技術(shù)發(fā)展很快，封閉式的教材為主的教學(xué)方式不適合本課程的教學(xué)，因此我們以網(wǎng)絡(luò)上或者相關(guān)公司提供的最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，在“開放”模式下有層次地“研究”最新的計(jì)算機(jī)知識(shí)，從而達(dá)到掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)的目的。

(2) 構(gòu)建了全面的課程體系

我們從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、算法、程序設(shè)計(jì)方面，建立了并行和分布計(jì)算全面的課程體系，并在不同教學(xué)階段有所側(cè)重。

(3) 提出了軟硬件相結(jié)合的理論及實(shí)踐教學(xué)方法

軟件的高性能必須依賴于硬件的高性能，硬件的高性能只能依賴軟件才能最大程度發(fā)揮出來(lái)。在多處理器、多核機(jī)器框架下研究軟硬件之間的關(guān)系，建立以多核為主的測(cè)試環(huán)境，實(shí)踐軟硬件相結(jié)合產(chǎn)生的巨大威力。

3 課程建設(shè)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)

“并行與分布計(jì)算”是當(dāng)前新興的軟件設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，它需要結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，還需要掌握并行算法設(shè)計(jì)的基本思想和方法，以改進(jìn)和優(yōu)化已有的串行程序設(shè)計(jì)。這對(duì)課程的教學(xué)和研究都提出了新的要求。我們?cè)谠撜n程的建設(shè)中在以下方面取得了一些經(jīng)驗(yàn)。

(1) 重視科研工作和教學(xué)的聯(lián)系，以最新科研成果帶動(dòng)教學(xué)水平的提高

本課程團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)軟件的研究工作，對(duì)當(dāng)前并行與分式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展比較了解，充分認(rèn)識(shí)到并行與分布計(jì)算體系結(jié)構(gòu)對(duì)已有軟件設(shè)計(jì)方法提出的新挑戰(zhàn)和新問(wèn)題，并在并行與分布計(jì)算出現(xiàn)之初就搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開始了并行與分布計(jì)算的研究工作。正是這些研究工作使得我們具備了并行與分布計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，掌握了關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)識(shí)到其中可能存在的誤區(qū)和問(wèn)題，這為后續(xù)的課程建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

同時(shí)，在科研工作中我們積累了一批項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，這些成果直接為建立并行與分布計(jì)算的實(shí)踐案例提供了豐富的素材。

(2) 重視案例教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)

如何通過(guò)并行與分布及多核體系結(jié)構(gòu)提升軟件的性能是本課程的核心目標(biāo)，這需要學(xué)生具備一定的并行算法設(shè)計(jì)能力。針對(duì)本科學(xué)生的知識(shí)水平和接收能力，本課程盡量簡(jiǎn)化了相關(guān)的理論內(nèi)容，而采用學(xué)生熟悉的串行算法的并行化過(guò)程作為教學(xué)案例。通過(guò)對(duì)這些教學(xué)案例的深入分析，使得學(xué)生能比較直觀地理解并行算法設(shè)計(jì)的基本思路和方法。

同時(shí)，本課程還充分利用已有的多核計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境，以及Intel公司新近捐贈(zèng)的多核服務(wù)器，為學(xué)生提供了良好的并行與分布計(jì)算實(shí)踐環(huán)境。通過(guò)對(duì)兩個(gè)經(jīng)典串行問(wèn)題(優(yōu)先級(jí)查找和K值算法)并行化改造過(guò)程的實(shí)踐，提高分析和解決問(wèn)題的能力，以及實(shí)際動(dòng)手編程的能力。

4 總結(jié)

“并行與分布計(jì)算”是隨著并行與分布計(jì)算的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一門新興課程，內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和并行算法等多個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)領(lǐng)域。在“并行與分布計(jì)算”課程中，突出了教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)并行與分布計(jì)算基本技術(shù)的訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生自主分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和評(píng)估并行與分布計(jì)算上的經(jīng)典并行算法，并利用多核軟件分析工具對(duì)已有軟件進(jìn)行性能分析和改進(jìn)，以期增強(qiáng)學(xué)生利用并行與分布計(jì)算并行特性自主解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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Discussion on Parallel and Distributed Computing Curriculum Construction

GUO Wei-bin, ZHENG Hong, LI Jian-hua, LUO Yong-jun

Abstract: Parallel and distributed computing course, an undergraduate course, has been offered for senior undergraduates of computer sciences (CS) over ten years, in the department of computer science and engineering at East China University of Science and Technology (ECUST). This paper summarizes and discusses the experiences of course practice and curriculum construction, and gives some improvement suggestions for future curriculum construction..

Keywords: parallel and distributed computing, curriculum construction, innovation