دوره بهینه‌سازی کد برای معماری‌های CPU همراه با فلش‌کارت آموزشی — ارائه روی فلش مموری

🎓 دوره آموزشی جامع

📚 اطلاعات دوره

عنوان دوره: دوره بهینه‌سازی کد برای معماری‌های CPU

موضوع کلی: برنامه نویسی

موضوع میانی: محاسبات سطح بالا (High-Performance Computing)

📋 سرفصل‌های دوره

• 1. موضوع کلی: برنامه نویسی
• 2. موضوع میانی: محاسبات سطح بالا (High-Performance Computing)
• 3. عنوان دوره: بهینه‌سازی کد برای معماری‌های CPU
• 4. مقدمه ای بر محاسبات سطح بالا (HPC) و اهمیت عملکرد
• 5. معیارهای سنجش عملکرد کد: زمان، توان عملیاتی، تأخیر
• 6. مفهوم گلوگاه (Bottleneck) و شناسایی آن
• 7. چرخه عمر بهینه‌سازی: تحلیل، پیاده‌سازی، اعتبارسنجی
• 8. نقش معماری CPU در عملکرد کد
• 9. بررسی اجمالی معماری‌های مدرن CPU (Intel, AMD, ARM)
• 10. مدل‌های ذهنی برای درک عملکرد سیستم
• 11. چالش‌ها و ملاحظات اخلاقی در بهینه‌سازی
• 12. ساختار کلی یک پردازنده مدرن: اجزا و وظایف
• 13. رجیسترها، واحدهای اجرایی (ALU, FPU, AGU)
• 14. خط لوله دستورالعمل (Instruction Pipeline)
• 15. مفهوم تأخیر (Latency) و توان عملیاتی (Throughput) دستورالعمل‌ها
• 16. پیش‌بینی انشعاب (Branch Prediction) و پیامدهای آن
• 17. اجرای خارج از ترتیب (Out-of-Order Execution)
• 18. وابستگی‌های داده (Data Dependencies) و کنترل (Control Dependencies)
• 19. مجموعه دستورالعمل‌ها (Instruction Set Architectures - ISA)
• 20. معماری x86-64 و دستورالعمل‌های پایه‌ای
• 21. آشنایی با میکرومعماری (Microarchitecture) و اهمیت آن
• 22. پورت‌های اجرایی (Execution Ports) و محدودیت‌های آنها
• 23. فرکانس کلاک و تعداد دستورالعمل در کلاک (IPC)
• 24. سلسله مراتب حافظه: رجیستر، کش، RAM، دیسک
• 25. اصول کش (Cache): Locality of Reference
• 26. سطوح کش L1, L2, L3: اندازه، سرعت و خط مشی
• 27. خطوط کش (Cache Lines) و اندازه آنها
• 28. انواع عدم تطابق کش (Cache Misses): اجباری، ظرفیتی، تعارضی
• 29. تأثیر دسترسی حافظه بر عملکرد کلی (Memory Wall)
• 30. Translation Lookaside Buffer (TLB) و مدیریت حافظه مجازی
• 31. دسترسی غیر یکنواخت به حافظه (NUMA)
• 32. پهنای باند حافظه (Memory Bandwidth) و تأخیر (Latency)
• 33. تکنیک‌های Prefetching داده‌ها
• 34. نقش کامپایلر در بهینه‌سازی کد
• 35. سطوح بهینه‌سازی کامپایلر (-O1, -O2, -O3, -Os)
• 36. بهینه‌سازی‌های رایج: حذف کد مرده، ثابت‌سازی، انتشار ثابت
• 37. Inlining توابع (Function Inlining)
• 38. Loop Optimizations: Loop Unrolling, Fusion, Fission
• 39. بهینه‌سازی‌های مبتنی بر پروفایل (Profile-Guided Optimization - PGO)
• 40. بهینه‌سازی‌های زمان لینک (Link Time Optimization - LTO)
• 41. آشنایی با گزینه‌های بهینه‌سازی در GCC و Clang
• 42. طراحی الگوریتم‌های کارآمد و تحلیل پیچیدگی
• 43. انتخاب ساختارهای داده مناسب برای عملکرد
• 44. بهینه‌سازی حلقه‌ها (Loops): کاهش محاسبات و فراخوانی‌ها
• 45. باز کردن حلقه‌ها به صورت دستی (Manual Loop Unrolling)
• 46. اجتناب از شاخه‌های (Branches) غیرضروری و پیش‌بینی‌ناپذیر
• 47. بهینه‌سازی عبارات شرطی و استفاده از Conditional Move
• 48. حذف محاسبات تکراری (Loop Invariant Code Motion)
• 49. استفاده از انواع داده بهینه و کاهش اندازه متغیرها
• 50. بهینه‌سازی عملیات ورودی/خروجی (I/O)
• 51. کاهش تخصیص حافظه پویا (Dynamic Memory Allocation)
• 52. استفاده از حافظه استک (Stack) در صورت امکان
• 53. بهینه‌سازی فراخوانی توابع و کاهش سربار آنها
• 54. بهبود Locality of Reference در کد
• 55. طرح‌بندی داده‌ها (Data Layout) برای کش‌فرندلی بودن
• 56. Padding و Alignment داده‌ها: اهمیت و کاربرد
• 57. آرایه ساختارها (AoS) در مقابل ساختار آرایه‌ها (SoA)
• 58. مفهوم False Sharing و استراتژی‌های جلوگیری از آن
• 59. استفاده از Huge Pages برای بهبود TLB
• 60. تکنیک‌های Zero-Copy
• 61. مدیریت حافظه سفارشی (Custom Memory Allocators)
• 62. فشرده‌سازی داده‌ها برای استفاده بهینه از کش
• 63. طراحی ساختارهای داده Cache-Aware
• 64. مروری بر مفهوم ILP و اهمیت آن
• 65. SuperScalar Pipelines و پورت‌های اجرایی
• 66. Micro-ops و بازسازی دستورالعمل‌ها
• 67. تکنیک‌های افزایش ILP: Instruction Scheduling
• 68. Register Renaming و Reorder Buffer
• 69. نقش کامپایلر در بهره‌برداری از ILP
• 70. مقدمه‌ای بر Single Instruction, Multiple Data (SIMD)
• 71. معماری‌های SIMD: SSE, AVX, AVX2, AVX-512
• 72. مفهوم وکتورسازی (Vectorization) و اصول آن
• 73. وکتورسازی خودکار توسط کامپایلر: توانایی‌ها و محدودیت‌ها
• 74. استفاده از Intrinsics برای وکتورسازی دستی و دقیق
• 75. نکات و ترفندهای وکتورسازی برای حلقه‌ها
• 76. کاربرد عملیات Bitwise برای بهینه‌سازی در سطح پایین
• 77. مطالعه موردی: بهینه‌سازی ضرب ماتریس با SIMD
• 78. ملاحظات عملکردی در انتخاب مجموعه دستورالعمل SIMD
• 79. ابزارهای تحلیل وکتورسازی (Vectorization Reports)
• 80. مقدمه‌ای بر موازی‌سازی با رشته‌ها (Threads)
• 81. مدل برنامه‌نویسی حافظه مشترک (Shared Memory)
• 82. سربار ایجاد و مدیریت رشته‌ها
• 83. معرفی OpenMP: اصول و پرگماها
• 84. موازی‌سازی حلقه‌ها با `#pragma omp parallel for`
• 85. همگام‌سازی (Synchronization) در OpenMP: Critical, Atomic, Barrier
• 86. مفهوم False Sharing در Multithreading و راهکارها
• 87. زمان‌بندی (Scheduling) وظایف در OpenMP
• 88. انتخاب تعداد مناسب رشته‌ها برای بار کاری
• 89. مقایسه OpenMP با Pthreads و Thread Building Blocks (TBB)
• 90. مشکلات رایج در برنامه‌نویسی چند رشته‌ای: Deadlock, Race Condition
• 91. بهینه‌سازی قفل‌ها (Locks) و تکنیک‌های Lock-Free
• 92. روش‌شناسی تحلیل عملکرد: شناسایی گلوگاه‌ها
• 93. معرفی ابزارهای پروفایلینگ در لینوکس (Perf)
• 94. استفاده از Perf برای ردیابی رویدادهای سخت‌افزاری
• 95. ابزارهای پروفایلینگ تجاری/پیشرفته (مانند Intel VTune Amplifier)
• 96. استفاده از Valgrind برای تحلیل حافظه و عملکرد
• 97. اندازه‌گیری دقیق زمان با C++ `std::chrono`
• 98. اصول صحیح بنچمارک‌سازی (Benchmarking)
• 99. طراحی و اجرای تست‌های عملکرد
• 100. تجسم داده‌های عملکرد و تفسیر نتایج