Рабочая программа дисциплины архитектура вычислительных систем (стр. 2 )

Тип контроля	Форма контроля	Модули	Параметры
1	2
7-я  не-	Разработка программы и решение
Контрольная работа	деля	задачи на симуляторе вычислите-
Текущий	ля потоковой архитектуры
2-я – 7-я	Исследование зависимости произ-
(неделя)
недели	водительности  многопроцессор-
Домашнее задание
ной вычислительной системы  от
параметров системы
Промежуточный	Зачет	*	Устный зачет 30 мин.

Критерии оценки знаний, навыков

Текущий контроль предусматривает контрольную работу и домашнее задание.

Контрольная работа предусматривает программную реализацию на компьютере предло-женного алгоритма. Выполняется на лабораторном занятии. Оценка за контрольную работу вы-ставляется по критериям, описанным в примерном задании на контрольную работу. Пересдача контрольной работы с целью повышения оценки не допускается. Допускается выполнение контрольной работы в более поздний срок при пропуске по уважительной причине.

Домашнее задание включает разработку, кодирование, тестирование и отладку программ реализации одной задачи (по выбору), исследование и сравнительный анализ алгоритмов ее решения. По домашнему заданию оформляется отчет в электронном виде.

6. Содержание дисциплины

6.1 Содержание лекций

Тема 1. История машинного счёта

Предпосылки необходимости счёта. Мысли великих людей по поводу счёта. От пальцевого счёта к механизации вычислений. Примитивные орудия вычислений. Абак. Барон Джон Непер и его "счёт на палочках". Блез Паскаль и "паскалина". Лейбниц и его арифмометр. Чарльз Беб-бидж, его механические вычислители и фактическое рождение понятия "Архитектура" в при-менении к вычислительным системам. Леди Байрон-Лавлейс как первая программистка. Гипо-тетическая машина Тьюринга. Фон-Неймановские принципы построения процессоров. Гар-вардская и Принстонская архитектуры. Электромеханические и электронные вычислительные машины. "Из ряда вон выходящие" вычислительные системы (вычислители с трёхзначной ло-гикой, на основе арифметики остаточных классов). Суперкомпьютеры и задачи класса GRAND CHALLENGES.

Литература по теме 1:

От счётных машин до ЭВМ: как люди научили машины думать. Серия "Ис-тория науки сквозь призму озарений", книга 6. — М.: КомКнига, 2009. — 176 c.
, Архитектура ЭВМ и систем. Учебник для ВУЗ'ов. — СПб.: Питер, 2009. — 720 с.
, , Архитектура вычислительных систем. Учебник.

— М.: Форум, 2010. — 512 с.

Тема 2. Определения понятия "Архитектура" в применении к вычислительным системам

Общее и разница межу понятиями структура и архитектура. Современные определения понятия архитектуры вычислительных систем. Машина Тьюринга как классика архитектуры вычислителей. Пять принципов фон-Неймана построения вычислителей. Классическая фон-Неймановская (Принстонская) архитектура, Гарвардская архитектура. их сравнительные пре-имущества и недостатки. Основные архитектуры многопроцессорных и многокомпьютерных вычислительных систем. Сравнительные достоинства и недостатки SMP - и MPP-архитектур. Классификации архитектур вычислителей. Классификация Флинна. Методы управления про-цессом вычислений. Понятие регистра - счётчика команд (Set Counter). Форматы машинных команд. Методы повышения производительности процессоров. CISC - и RISC-процессоры. Конвейерная и суперскалярная обработка данных. Истинный параллелизм.

Литература по теме 2:

1. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. — СПб.: Питер, 2011. — 844 с.

Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 352 с.

3. Архитектура параллельных ЭВМ. — СПб.: Пермь, 2007. — 89 с.

Тема 3. Уровни управления процессом вычислений

Управление последовательностью вычислений. Процессор как синтез операционного и управлящего автоматов. Системы счисления современных процессоров. Выбор рационального основания позиционной системы счисления и форматов представления чисел в ЭВМ. точность представления чисел. Стандарт IEEE 754 для хранения вещественных чисел. Выполнение арифметических действий над числами с фиксированной запятой, проблемы "размножения ошибки" вследствие переноса и невозможности распараллеливания. Использование конвейер-ной архитектуры для повышения производительности процессора. Особенности функциониро-вания конвейера.

Литература по теме 3:

От счётных машин до ЭВМ: как люди научили машины думать. Серия "Ис-тория науки сквозь призму озарений", книга 6. — М.: КомКнига, 2009. — 176 c.
, Архитектура ЭВМ. Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИН-ФРА-М, 2009. — 384 c.
Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВ -

Петербург, 2010. — 352 с. [стр. 79–82].

Тема 4. Общие требования к программному коду. Потоковые (DATA-FLOW) вычислители

Условия корректного выполнения программного кода. Принципы программного управле-ния последовательностью выполнения операций (CONTROL-FLOW) и управления порядком выполнения операций самими данными (DATA-FLOW). Отрицательная роль регистра - счётчи-ка команд на возможность распараллеливания вычислений. Исторические попытки модерниза-ции классической фон-Неймановской архитектуры. Принципиальная возможность распаралле-ливания процесса вычислений по произвольному алгоритму без априорного указания последо-вательности действий. Использование ЯПФ (Ярусно-Параллельной Формы) информационного графа алгоритма с целью выявления параллельно исполняемых блоков (гранул) программы. Структурная схема вычислителя с управлением последовательностью вычислений потоком данных. Реализации потоковых вычислителей. Проблема ассоциативной памяти. особенности программирования DATA-FLOW машин. Компьютерная модель (симулятор) потокового вычислителя и её использование для моделирования и оптимизации процесса вычислений. Понятие интенсивности вычислений и возможность целенаправленного управления ею. Куму-лятивная кривая количества исполненных операций.

Литература по теме 4:

Архитектура компьютеров. — Минск.: Новое знание, 2008. — 559 c. [стр. 394– 402, 436-448].

2. Параллелизация обработки данных на вычислителях потоковой (DataFlow)  архитектуры. // Журнал “Суперкомпьютеры”, № 5, 2011, с. 54-58. [Электронный ресурс]

—  Режим  доступа:  http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_05-

2011.pdf, свободный.

Тема 5. Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения

Принцип поразрядного последовательного выполнения булевых операций при использова-нии ПСС (Позиционной Системы Счисления). Распространение ошибки булевых операций от младших к старшим разрядам вследствие "переноса в старший разряд", затруднение выявления ошибки выполнения арифметического действия вследствие этого. Невозможность распаралле-ливания собственно арифметической операции в ПСС. Методы ускорения вычислений в рамках ПСС. История непозиционных систем счисления. Китайская теорема об остатках. Теория выче-тов. Модулярная алгебра. История применения СТО (Системы Остаточных Классов) при разработке арифметических устройств, персоналии. Архитектура арифметических устройств на основе СОК. Табличный метод определения результатов арифметической операции по задан-ном основанию vs вычислительный метод, условия выбора одного из этих методов. Реальные ЭВМ, использующие вычисления на основе СОК. Преимущества и недостатки арифметических устройств на основе СОК.

Литература по теме 5:

Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 352 с. [стр. 73–78].
Жуков- Информационные технологии на основе модулярной алгебры. — М.: КРАСАНД, 2010. — 248 с.

Тема 6. Архитектура параллельных вычислительных систем

Цель параллелизации обработки информации. Ускорение вычислений vs надёжность. Физи-ческие ограничения повышения производительности процессоров на едином кристалле. Дока-зательство возможности полного распараллеливания вычислений для конкретного алгоритма. Параллелизация внешняя и истинная. Технологии параллелизации. Конвейерный принцип. Век-торные процессоры. Контр-фон-Неймановские архитектуры вычислителей. Типы параллелиза-ций - параллелизация вычислений vs параллелизация по данным. Абстрактные модели парал-лельных вычислений. Концепция неограниченного параллелизма. Понятие тонкой информа-ционной структуры алгоритма. Формальное определение гранулы (зерна, блока) параллелиза-ции. Глубина распараллеливания.

Литература по теме 6:

Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. — М.: Наука, 1978. — 352 с. [стр. 157–158].
, Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 609 с.

3. Архитектура параллельных ЭВМ. — СПб.: Пермь, 2007. — 89 с.