Программа_АрхЭВМиС_ИСиТ_бак_2013_Внуков -07

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Факультет Прикладной математики и кибернетики
Программа дисциплины Архитектура ЭВМ и систем
для направления 230400.62 «Информационные системы и технологии»
подготовки бакалавров
Автор программы:
Внуков А.А., к.т.н., avnukov@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры Кибернетики «_30_»_августа____ 2013 г
Зав. кафедрой Афанасьев В.Н.
Утверждена Ученый совет МИЭМ НИУ ВШЭ «___»_____________20 г.
Ученый секретарь Симонов В.П.________________________
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
1. Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к
знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных
ассистентов и студентов направления 230400.62 «Информационные системы и технологии»
подготовки специалистов, изучающих дисциплину «Архитектура ЭВМ и систем».
Программа разработана в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования (ФГОС) по направлению подготовки бакалавров
специальности 230400.62 «Информационные системы и технологии».
2. Цели освоения дисциплины
Дисциплина «Архитектура ЭВМ и систем» имеет целью обучить студентов пониманию
и использованию универсальных вычислительных архитектур, основанных на международных
стандартах, при проектировании программного обеспечения с применением соответствующих
международных стандартов, принятых в этой области.
Цель и задачи курса «Архитектура ЭВМ и систем» – изучение теоретических основ и
практическое освоение методов и практики использования вычислительной архитектуры
персонального компьютера (ПК) для решения последовательных и параллельных задач
различной сложности. Студенты знакомятся с устройствами универсальных процессоров с
последовательной и параллельной обработкой команд и данных, применяемых в современных
ПК, повышающих их общую производительность, с внутренней архитектурой транспьютеров,
цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), программируемых логических интегральных схем
(ПЛИС).
Для достижения сформулированной цели выделяются следующие задачи при изучении
дисциплины.
Основные понятия и принципы архитектуры ЭВМ, изучение различных систем команд,
тенденций развития архитектуры и систем команд. Архитектуры ЭВМ рассматриваются не
изолированно друг от друга, а в комплексе. При этом делается упор на изучение понятия
архитектуры в узком смысле, предполагающем знание систем команд и программирования на
ассемблере, оказывающем влияние на создание эффективных вычислительных систем
реального времени.
Изучение теоретических основ универсальной архитектуры ПК. Другими целями
являются изучение практического опыта, освоение методики применения ПК реализации для
вычислительно-интенсивных задач реального времени.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Компетенции для программы учебной дисциплины берутся из: стандарта ФГОС/ НИУ,
где перечислены все компетенции по данной образовательной программе.
Процесс изучения курса направлен на формирование следующих компетенций.
общекультурные компетенции (ОК):
- способностью к самостоятельному обучению новым методам исследования, к
изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной
деятельности (ОК-2);
- способностью использовать на практике умения и навыки в организации
исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);
- способностью проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя
всю полноту ответственности (ОК-5);
- способностью адаптироваться к изменяющимся условиям, переоценивать
накопленный опыт, анализировать свои возможности (ОК-7);
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
- готовностью использовать знания правовых и этических норм при оценке
последствий своей профессиональной деятельности, при разработке и осуществлении
социально значимых проектов (ОК-9).
б) профессиональными (ПК):
 общепрофессиональные:
- готов к самостоятельной работе (ПК-1);
- способен использовать современные прикладные программные средства и осваивать
современные технологии программирования (ПК-2);
 производственно-технологическая деятельность:
- способен использовать стандартные пакеты прикладных программ для решения
практических задач на ЭВМ, отлаживать, тестировать прикладное программное обеспечение
(ПК-3);
- способен и готов настраивать, тестировать и осуществлять проверку вычислительной
техники и программных средств (ПК-4);
- способен и готов демонстрировать знания современных языков программирования,
операционных систем, офисных приложений, Интернета, способов и механизмов управления
данными; принципов организации, состава и схемы работы операционных систем (ПК-5).
 организационно-управленческая деятельность:
- способен и готов решать проблемы, брать на себя ответственность (ПК-6);
- способен проводить организационно-управленческие расчёты, осуществлять
организацию и техническое оснащение рабочих мест (ПК-7);
- способен организовать работу малых групп исполнителей (ПК-8);
- способен определять экономическую целесообразность принимаемых технических и
организационных решений (ПК-9);
- владеет основными методами защиты производственного персонала и населения от
возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ПК- 10);
 научно-исследовательская деятельность:
- знает основные положения, законы и методы естественных наук; способен выявить
естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности,
готов использовать для их решения соответствующий естественнонаучный аппарат (ПК-11);
- готов применять математический аппарат для решения поставленных задач, способен
применить соответствующую процессу математическую модель и проверить ее адекватность
(ПК-12);
- готов применять знания и навыки управления информацией (ПК-13);
- способен самостоятельно изучать новые разделы фундаментальных наук (ПК-14).
 специальные знания и навыки:
- умеет использовать базы данных, создавать сложные запросы для извлечения
информации;
- может включать в программы обработки информации элементы искусственного
интеллекта;
- владеет основными методами и алгоритмами машинной графики для создания и
обработки изображений;
-
В результате изучения курса студент должен:
знать основные принципы архитектуры ЭВМ, особенности функционирования и тенденции
современных ПК, уметь применять их на практике для имитационного моделирования,
3
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
-
-
исследования объектов критических технологий - технических, информационных,
медицинских, биологических, экологических, макро- и микроэкономических систем;
управления объектами и процессами в режиме масштаба реального времени;
знать принципы построения современных CISC и RISC-архитектур ЭВМ;
знать общие особенности использования регистров, памяти, групп команд современных ПК
с параллельной обработкой команд и данных;
знать язык программирования ассемблер;
иметь представление о принципах организации современной ЭВМ;
иметь представление о принципах внутренней архитектуры других современных
процессоров;
уметь демонстрировать способность и готовность грамотно подойти к разработке
программного обеспечения сложней технической и информационной системы;
уметь демонстрировать способность и готовность формализовать прикладную задачу,
выбирать для неё подходящие структуры данных и алгоритмы обработки;
уметь грамотно подойти к разработке структуры программного комплекса на ЭВМ
правильно распределить вычисления между программами на разных языках
программирования;
иметь навыки разработки программ для компьютерных комплексов систем реального
времени с распределёнными вычислениями;
иметь навыки разработки моделирующих программ для визуализации загруженности
организационных узлов обработки, хранения, передачи данных компьютерных комплексов;
иметь навыки разработки моделирующих программ для визуализации ускорения
выполнения алгоритмов компьютерных комплексов.
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих
компетенций в соответствии с ФГОС ВПО по направлению «Прикладная математика»:
А) общекультурных (ОК):
 владеть культурой мышления, обладать способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
 уметь логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь
(ОК-2);
 готовность к кооперации с коллегами (ОК-6);
 способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы
(ОК-14);
 уметь создавать и редактировать тексты профессионального назначения (ОК-15);
 способность использовать для решения коммуникативных задач современные
технические средства и информационные технологии (ОК-16).

Б) профессиональных (ПК):
 готовность к самостоятельной работе (ПК-1);
 способность использовать современные прикладные программные средства и осваивать
современные технологии программирования (ПК-2);
 знать основные положения, законы и методы естественных наук (ПК-11);
 готовность применять математический аппарат для решения поставленных задач (ПК12);
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
4. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Курс относится к профессиональному циклу (общепрофессиональные дисциплины)
дисциплин по выбору блока Б.3.ДВ.0, является обязательным курсом, читается на 2 и 3 курсе и
базируется на материале курсов ОД: «Технологии программирования», «Организации
компьютерных комплексов» и служит методологической основой для курсов СД: «Методы
оптимизации», «Управление данными», «Программирование для Интернет» и др.
Для освоения дисциплины требуется также компетенции по следующим областям
знаний:
 Математический анализ;
 Теория матриц;
 Теория дифференциальных уравнений:
5. Тематический план учебной дисциплины
Тематический план отражает содержание дисциплины (перечень разделов),
структурированное по видам учебных занятий с указанием их объемов в соответствии с РУП.
Таблица 1. Дисциплина, закрепленная за одной кафедрой
№
Название раздела
1. Раздел 1. Архитектура ЭВМ
2. Раздел 2. Архитектура микропроцессоров
системы команд IA-32
Раздел 3. Язык программирования Ассемблер
Раздел 4. Архитектура системы команд IA-64
Раздел 5. Архитектура графических процессоров
Раздел 6. Архитектура отечественных
микропроцессорных линий Эльбрус и МЦСТ-R
7. Раздел 7. Суперкомпьютеры (СК) в России,
США, Китае, ЕС.
8. Раздел 8. Квантовые компьютеры
9. Всего:
3.
4.
5.
6.
Всего
часов
Аудиторные часы
Лабораторные
Лекции
работы
Самостоятельная
работа
16
16
4
6
2
2
8
10
16
16
16
16
6
4
4
4
4
4
2
2
8
10
8
10
16
4
2
8
14
126
4
36
2
18
10
72
6. Формы контроля знаний студентов
Для текущего контроля указывается неделя семестра, на которой проводится контроль.
Для промежуточного и итогового контроля - отметка, в каком семестре проводится.
В графе Параметры указывается регламент постоянных или временных правил,
регулирующих внутреннюю организацию и формы деятельности проведения контроля, и
заполняется для каждого контроля соответственно. В параметрах таблицы 2 указаны
отведенные часы по плану.
Таблица 2. Формы контроля знаний студентов
Тип контроля Форма контроля
3 год
Кафедра
Параметры
(Проведение, проверка в час)
5 сем.
Текущий
Домашние задания 2 и 3 неделя Кибернетики Отпечатанные отчеты,
(неделя)
программы (3 часа)
Итоговый
Курсовая работа
Экз. сессия Кибернетика Отпечатанный отчет, программы
(20.5 часа)
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
Итоговый
Всего
6.1
Экзамен
Экз. сессия
Итоговый контроль Экз. сессия
Кибернетики Устный экзамен (4.5 часа)
Кибернетика 25 часов
Критерии оценки знаний, навыков
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Для формирования практических навыков предусмотрены аудиторные лекционные
занятия. При этом студент должен продемонстрировать не только уровень знаний, но и
результаты самостоятельной работы: стремление к выполнению профессиональной
деятельности, способность к поиску информации, использование для выполнения заданий
компьютерных технологий.
С целью текущего контроля успеваемости предусмотрен контроль уровня знаний.
Оценка за аудиторные лекционные занятия и самостоятельную работу учитывает:
 Насколько точно студент выполнил задание, сформулированное на аудиторном
лекционном занятии;
 Степень и полноту усвоенных навыков работы с инструментальным средством.
 Насколько слушатель правильно и аргументировано ответил на все вопросы при
обсуждении выполненного задания;
 Качество оформления отчета по решению поставленной задачи.
Для текущей аттестации студентов используется рассмотренное и рекомендованное на
лекциях инструментальное программное обеспечение.
Порядок формирования оценок по дисциплине
Преподаватель оценивает работу студентов на аудиторных занятиях: (активность
студентов во время лекций, дискуссиях, правильность ответов на контролирующие вопросы на
лекциях). Оценки за работу на аудиторных занятиях преподаватель выставляет в рабочую
ведомость. Накопленная оценка по 10-ти балльной шкале за работу на практических занятиях
определяется перед итоговым контролем - Оаудиторная.
Преподаватель оценивает самостоятельную работу студентов (правильность выполнения
домашних работ по подготовке к лекционным занятиям, задания для которых выдаются на
практических занятиях). Оценки за самостоятельную работу студента преподаватель
выставляет в рабочую ведомость. Накопленная оценка по 10-ти балльной шкале за
самостоятельную работу определяется перед промежуточным или итоговым контролем – Осам.
работа.
Накопленная оценка за текущий контроль учитывает результаты студента по текущему
контролю следующим образом:
6.2
Онакопленная= k1* Отекущий + k2* Оауд + k3* Осам.работа
где
Отекущий
рассчитывается как взвешенная сумма всех форм текущего
контроля, предусмотренных в РУП
Отекущий = n1·Оэссе + n2·Ок/р + n3·Ореф + n4·Окол + n5·Одз ;
Сумма удельных весов должна быть равна единице: ∑ni = 1. Способ округления
накопленной оценки текущего контроля способ – арифметический, в пользу студента.
Результирующая оценка за дисциплину рассчитывается следующим образом, если
дисциплина преподается один семестр:
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
Орезульт = k1* Онакопл + k *·Оэкз/зач
Способ округления накопленной оценки промежуточного (итогового) контроля в форме
зачета – арифметический, в пользу студента.
Таким образом, получаем, что для данной дисциплины с учетом РУП имеют место
следующие формулы с подставленными значениями коэффициентов:
Онакопленная= 0* Отекущий + k2* Оауд + k3* Осам.работа
Отекущий = 0·Оэссе + 0·Ок/р + 0·Ореф + 0·Окол + 0·Одз
Подставляем в формулу для Орезульт выражение, полученное для Орезульт и присваиваем
весовые коэффициенты со значениями, имеющими место в окончательной формуле:
Орезульт = 0.75*(0* Отекущий + 0.5* Оауд + 0.5* Осам.работа) + 0.25*·Оэкз/зач
Все оценки выставляются в 10-и балльной системе.
Содержание дисциплины
7.
Раздел представляется в удобной форме (список, таблица). Изложение строится по
разделам и темам. Содержание темы может распределяться по лекционным и практическим
занятиям.
7.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Раздел 1. Архитектура
ЭВМ
1
2
3
Раздел 2. Архитектура
микропроцессоров
системы команд IA-32
Раздел 3. Язык
программирования
Ассемблер
Таблица 3. Содержание разделов
Содержание раздела
Тема 1. Функциональная и каноническая структура ЭВМ ФонНеймана.
Тема 2. Определение и понятие архитектуры ЭВМ.
Тема 3. Семейство и поколения ЭВМ.
Тема 4. Показатель эффективности архитектурных свойств
ЭВМ.
Тема 4. Конструктивно-технологический и функциональный
признаки СВТ.
Тема 5. Понятие архитектуры современного x86-процессора.
Процессорное ядро. Различия между ядрами одной
микроархитектуты. Частота работы ядра. Микроархитектура
процессоров Intel Itanium 2.
Тема 6. Критерии эффективности и ресурсы вычислительной
системы.
Тема 7. Обобщенная характеристика СБИС. Минимальный
структурный размер элемента. Рассеиваемая тепловая энергия,
задержка электрического сигнала. Цели создания хорошей БИС
Тема 8. Архитектура микропроцессоров IA-32.
Тема 9. Регистры и структура памяти IA-32.
Тема 10. Система команд IA-32.
Тема 11. Группы команд IA-32.
Тема 12. Поколения и классификация языков
программирования
Тема 13. Распространенные языки программирования
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
4
5
6
7
Тема 14. Язык программирования Ассемблер. Встраивание
программных секций на ассемблере в программу на языке
высокого уровня. Регистры. Инструкции стека. Инструкции для
перемещения данных mov. Математические инструкции.
Логические инструкции. Сравнение и переходы
Раздел 4. Архитектура
Тема 15. RISC– и CISC–процессоры. Группы команд.
системы команд IA-64
Тема 16. Принципы современных CISC и RISC-архитектур
(Введение в IA-64).
Тема17. Принципы архитектуры IA-64 (Intel). Сравнение IA-64
и традиционных архитектур. Микроархитектура процессоров
Intel Itanium 2
Тема 18. Регистры архитектуры x86.
Тема 19. Команды архитектуры x86-64. Объединение команд в
группы команд архитектуры х86.
Тема 20. Принципы архитектуры x86-64 (AMD). Сравнения и
амбиции: x86-64 против IA-64.
Тема21. Принцип работы x86-64. Расширение состава
регистров архитектуры х86-64.
Тема 22. Описание ядра представителей архитектуры x86-64
(Athlon 64 и Opteron).
Тема 23. Диаграммы сравнения процессоров Intel и AMD 16-,
32-, 64- битных архитектур. Эволюционно транзисторная
диаграмма с указанием разрядности архитектуры.
Эволюционно транзисторная диаграмма "Компания Intel" для
сравнения с диаграммой "компании AMD".
Раздел 5. Архитектура
Тема 24. Вычисления на графических процессорах NVIDIA (с
графических
реализацией под CUDA-архитектуру). Модули современных и
процессоров
перспективных графических процессоров Tesla, IBM Cell (к-во
ПЭ, ОЗУ, энергия, технологические нормы производства в нм,
к-во транзисторов, размер кристалла, реальное ускорение на
задачах, КПД, стоимость и др.).
Раздел 6. Архитектура
Тема 25. Архитектура системы команд микропроцессоров
отечественных
различных платформ (ПК, транспьютеров, цифровых
микропроцессорных
сигнальных процессоров, программируемых логических
линий Эльбрус и МЦСТ- интегральных схем).
R
Тема 26. Архитектура вычислительного комплекса «Эльбрус90микро».
Тема 27. Развитие архитектурных линий MCST R и Эльбрус.
Тема 28. Блок-схема системы на кристалле «Эльбрус-S» с
архитектурой VLIW для создания высокопроизводительных
одноплатных ЭВМ для носимых и встроенных применений.
Раздел 7.
Тема 29. Вычислительные системы высокой
Суперкомпьютеры (СК) производительности, суперкомпьютеры. Производительность.
в России, США, Китае, Пиковую (теоретическую) производительность Реальную
ЕС.
производительность на некоторой задаче Суперкомпьютеры,
вычислительные системы высокой производительности. Закон
Мура, тенденции роста производительности. Перспективы
создания сверхвысокопроизводительных (1 Эксафлопс=1018
FLOPS) компьютеров к 2018 году (с необходимостью
использования до 108 ядер). Эксафлопные технологии и
концепция по развитию технологии высокопроизводительных
8
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
8
Раздел 8. Квантовые
компьютеры
вычислений на базе суперэвм эксафлопного класса (2012-2020
гг.). Задачи имитационного моделирования, требующие
суперэвм эксафлопного класса. Направления фундаментальных
исследований в области технологий высокопроизводительных
вычислений. Создание эксафлопных суперэвм.
Тема 30. Статистика систем. Области применение. Число
процессоров. Число вычислительных ядер. Типы процессоров.
Тема 31. СК Топ-50 России. Примеры систем сверхвысокой
производительности. СК ЛОМОНОСОВ. СК Чебышев. СК К100. СК СКИФ-Аврора.
Тема 32. Задел РАН по основным направлениям разработки.
Перспективная архитектура вычислительных узлов.
Перспективная отечественная системная сеть. Аппаратная
поддержка перспективных систем программирования. Системы
хранения данных (СХД). Инфраструктура систем уровня Top 110. Базовое системное программное обеспечение для систем
сверхвысокой производительности.
Тема 33. Задел разработок среднесрочной перспективы (2018–
2020 годы) освоения эксафлопсной производительности и
переходу к новым уровням. Оптические соединения и их
влияние на архитектуру. Реализация нетрадиционных подходов
к параллельным вычислениям - dataflow. Обратимые
вычисления. Реверсирование в параллельных вычислительных
системах, элементная база реверсивных вычислительных
систем, реализации реверсивных ЭВМ в 2012 году.
Тема 34. ВК ПС-2000. Реализация синхронной универсальной
многопроцессорной вычислительной системы в 1986-1988,
1989гг. ВК ПС-2000М - перспективная многопроцессорная
вычислительная система для массово-параллельных
вычислений на N-SIMD мультипроцессорах.
Тема 35. СуперЭВМ (СуперКомпьютеры – СК) США
Roadranner, Sequoia (лидеры списка TOP500 СК 2009, 2012),
Titan, Mira (2011-2012гг.) в 10-20 Пфлопс. СуперЭВМ Китая
петафлопного класса на собственной элементной базе (лидер в
2011г.). СуперЭВМ Евросоюз (SuperMUC, Hermit в 20122013гг.) в 3-5 Пфлопс.
Тема 36. Квантовые компьютеры (принципы обработки
информации, представления и хранения данных, кубит).
Реализованные квантовые компьютеры ORION, LEDA, DWAVE I (ONE) в 2008-2011гг.
7.2. Понедельный план проведения лекционных занятий
Понедельный план проведения аудиторных занятий в виде лекций представлен в таблице 4.
Таблица 4. Понедельный план проведения лекций
Вид
Неделя
Тема
занятий
1.
лекция 1
Функциональная и каноническая структура ЭВМ Фон-Неймана.
Определение и понятие архитектуры ЭВМ, семейства и поколения ЭВМ.
2.
лекция 2
Понятие архитектуры современного x86-процессора. Критерии
эффективности и ресурсы вычислительной системы. Обобщенная
характеристика СБИС.
9
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
3.
лекция 3
4.
лекция 4
5.
6.
лекция 5
лекция 6
7.
лекция 7
8.
лекция 8
9.
лекция 9
10.
лекция 10
11.
лекция 11
12.
лекция 12
13.
лекция 13
14.
лекция 14
15.
лекция 15
16.
лекция 16
17.
лекция 17
18.
лекция 18
Архитектура микропроцессоров IA-32. Регистры и структура памяти IA32. Система команд IA-32.
Поколения и классификация языков программирования. Язык
программирования Ассемблер.
RISC– и CISC–процессоры. Группы команд.
Принципы архитектуры IA-64 (Intel). Сравнение IA-64 и традиционных
архитектур.
Принципы архитектуры x86-64 (AMD). Сравнения и амбиции: x86-64
против IA-64. Расширение состава регистров архитектуры х86-64.
Диаграммы сравнения процессоров Intel и AMD 16-, 32-, 64- битных
архитектур.
Вычисления на графических процессорах NVIDIA (с реализацией под
CUDA-архитектуру).
Модули
современных
и
перспективных
графических процессоров Tesla, IBM Cell.
Архитектура системы команд микропроцессоров различных платформ
(ПК,
транспьютеров,
цифровых
сигнальных
процессоров,
программируемых логических интегральных схем).
Архитектура вычислительного комплекса «Эльбрус-90микро», MCST R
и Эльбрус, «Эльбрус-S» с архитектурой VLIW.
Вычислительные
системы
высокой
производительности,
суперкомпьютеры. Закон Мура, тенденции роста производительности.
Перспективы
создания
сверхвысокопроизводительных
(1
18
Эксафлопс=10 FLOPS) компьютеров к 2018 году (с необходимостью
использования до 108 ядер).
Задачи
имитационного
моделирования,
требующие
суперэвм
эксафлопного класса. Направления фундаментальных исследований в
области технологий высокопроизводительных вычислений. Создание
эксафлопных суперэвм. Статистика систем.
Обратимые
вычисления.
Реверсирование
в
параллельных
вычислительных
системах,
элементная
база
реверсивных
вычислительных систем, реализации реверсивных ЭВМ
СК Топ-50 России. Примеры систем сверхвысокой производительности.
СК ЛОМОНОСОВ. СК Чебышев. СК К-100. СК СКИФ-Аврора.
ВК ПС-2000. Реализация синхронной универсальной многопроцессорной
вычислительной системы в 1986-1988, 1989гг. ВК ПС-2000М перспективная многопроцессорная вычислительная система для массовопараллельных вычислений на N-SIMD мультипроцессорах.
СуперЭВМ (СуперКомпьютеры – СК) США Roadranner, Sequoia (лидеры
списка TOP500 СК 2009, 2012), Titan, Mira (2011-2012гг.) в 10-20
Пфлопс. СуперЭВМ Китая СуперЭВМ Евросоюз (SuperMUC, Hermit в
2012-2013гг.) в 3-5 Пфлопс.
Квантовые
компьютеры
(принципы
обработки
информации,
представления и хранения данных, кубит). Реализованные квантовые
компьютеры.
7.3. Понедельный план проведения лабораторных занятий
Понедельный план проведения аудиторных занятий в виде лабораторных работ представлен в
таблице 5.
Таблица 5. Понедельный план проведения лабораторных работ
Неделя
Вид
Тема
10
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
занятий
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
5 семестр
лаб.раб. 1 Выполнить операции умножения и сложения на языке C++ и на ассемблере,
провести замеры времени выполнения операции умножения и сложения и
определить производительность ПК на этих операциях, построить графики
зависимости времени выполнения производительность от числа повторений
замеров времени выполнения. Привести исходный код программы.
лаб.раб. 2 Выполнить умножение матрицы на вектор произвольной размерности на
языке C++ и на ассемблере, провести замеры времени на выполнение
умножений, построить графики зависимости времени выполнения от
размерности матрицы. Размерность матрицы N изменяется от 1 до 16.
Привести исходный код программы.
лаб.раб. 3 Выполнить умножение матрицы на матрицу произвольной размерности на
языке C++ и на ассемблере, провести замеры времени на выполнение
умножений, построить графики зависимости времени выполнения от
размерности матрицы. Размерность матрицы N изменяется от 1 до 16.
Привести исходный код программы.
лаб.раб. 4 Выполнить умножение шести матриц произвольной размерности на языке
C++ и на ассемблере, провести замеры времени на выполнение умножений,
построить графики зависимости времени выполнения от размерности
матрицы. Размерность матрицы N изменяется от 1 до 16. Привести
исходный код программы.
лаб.раб. 5 Разработка
программы
сравнительной
оценки
относительно
последовательного и параллельного алгоритма умножения матриц с
поддержкой многопоточности на языке C# на одном универсальном
высокопроизводительном процессоре. Реализовать графический интерфейс
для наглядного отображения результатов исследований. Привести
исходный код программы.
лаб.раб. 6 Разработка распределённой синхронной параллельной вычислительной сети
для реализации алгоритма умножения двух матриц (ленточных 5-ти и 6-ти
диагональных матриц размерности 4х4). Разработка распределённой
синхронной параллельной вычислительной сети для реализации алгоритма
решения прямой задачи кинематики Т6=А1*А2*А3*А4*А5*А6 (ленточных 5ти диагональных матриц Аi размерности 4х4). Разработать систолический
вычислитель для произвольной размерности матриц. Смоделировать
запаздывание шага при перемножении матриц. Определить полное время
вычислений прямой задачи. Привести исходный код программы.
лаб.раб. 7 Разработка реализации моделей памяти: магазинной, стековой,
разделяемой, локальной и общей для распределённой синхронной и
асинхронной параллельной вычислительной сети процессоров. Привести
исходный код программы.
лаб.раб. 8 1).Разработка
программы,
реализующей
линейный
алгоритм
масштабирования изображения, методом билинейной интерполяции.
11
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
2).Разработка
программы,
реализующей
параллельный
алгоритм
масштабирования изображения методом билинейной интерполяции, и
сравнение их производительности. Привести исходный код программы.
3). Выполнить задания 1 и 2 для метода бикубической интерполяции.
4). Выполнить задания 1 и 2 для метода направленной интерполяции.
16.
17.
лаб. раб. 9 Исследовать преимущества и недостатки многопоточных вычислений на
процессе перемножения матриц. Провести анализ эффективности.
Исследовать эффект от масштабирования вычислительного кластера.
Разработать программы клиент и сервер. Привести исходный код
программы.
18.
8.
Образовательные технологии
В учебном процессе предусмотрено только чтение лекций, которые составляют 100%
аудиторных занятий. В сочетании с внеаудиторной самостоятельной работой, запланированной
по каждому разделу, это способствует формированию и развитию как общекультурных, так и
профессиональных компетенций.
При проведении текущего и итогового контроля особое внимание обращается на умение
интерпретировать принятые решения и результаты разработки программного обеспечения,
поэтому вопросы к зачету содержат теоритические и практические вопросы.
8.1 Методические рекомендации преподавателю
Методические рекомендации (материалы) преподавателю могут оформляться в виде
приложения к программе дисциплины и должны указывать на средства и методы обучения,
применение которых для освоения тех или иных тем наиболее эффективно.
8.2 Методические указания студентам
Методические указания студентам могут оформляться в виде приложения к программе
дисциплины и должны раскрывать рекомендуемый режим и характер учебной работы,
особенно в части выполнения самостоятельной работы и организации самостоятельного
изучения дисциплины.
Возможная тематика домашних заданий для самостоятельной работы по теоретическому
и практическому изучению дисциплины представлена ниже и в таблице 5.
1. Единая система документации программной продукции – ЕСПД.
2. Стадии разработки ГОСТ 19.102-77
3. Требования к содержанию документов по программному обеспечению ГОСТ 24.207-80.
4. Унифицированный язык моделирования UML и сущность объектно-ориентированного
подхода.
Большое значение для приобретения практических навыков имеет самостоятельная
работа. Студенты должны спроектировать и реализовать пилотный проект. При этом они
получают навыки проектирования и реализации законченного программного продукта.
Таблица 5. Задания для самостоятельной работы по изучению дисциплины
Трудоемкость в
№
№ раздела
Наименование самостоятельных работ
часах/зач. единицах
п/п дисциплины
Спецификация требований к ПО. Знакомство с
1.
1, 2
2
CASE-средством Sparx Enterprise Architect.
12
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
2.
2
3.
3
4.
3
5.
4
6.
5
7.
5
8.
6
9.
6
10.
7
Всего
9.
Построение модели предметной области. Создание
глоссария проекта.
Создание начальной версии модели вариантов
использования. Подготовка эскизов интерфейса
пользователя.
Оценка трудоемкости разработки ПО на основе
вариантов использования.
Анализ архитектурных решений в различных
системах с использованием Microsoft Enterprise
Library.
Построение динамической модели системы с
помощью робастных диаграмм.
Уточнение динамической модели системы с
помощью диаграмм последовательностей.
Идентификация классов. Определение атрибутов
и ассоциаций классов.
Формирование архитектурных уровней.
Реализация потоков управления. Применение
существующих шаблонов проектирования.
Реализация разработанного проекта в виде
объектно-ориентированной программы.
Разработка комплекта тестов.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
20
Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1 Тематика заданий текущего контроля
Текущий контроль складывается из оценивания активности студентов во время лекций,
дискуссий, правильность ответов на контролирующие вопросы на лекциях и самостоятельной
работы по выполнению домашних заданий по подготовке к проведению аудиторных занятий.
Самостоятельная работа по выполнению домашних заданий представляется
преподавателю в виде в электронном виде на компьютере индивидуально на каждом
аудиторном занятии.
Тематика заданий текущего контроля берется из таблицы 4 понедельный план
аудиторных занятий.
9.2 Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу для самопроверки студентов.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Единая система документации программной продукции – ЕСПД.
Стадии разработки ГОСТ 19.102-77
Требования к содержанию документов по программному обеспечению ГОСТ 24.207-80.
Унифицированный язык моделирования UML и сущность объектно-ориентированного
подхода.
Спецификация требований к ПО.
Построение модели предметной области.
Создание глоссария проекта.
Создание начальной версии модели вариантов использования.
Подготовка эскизов интерфейса пользователя.
13
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
10. Оценка трудоемкости разработки ПО на основе вариантов использования.
11. Анализ архитектурных решений в различных системах с использованием Microsoft
Enterprise Library.
12. Построение динамической модели системы с помощью робастных диаграмм.
13. Уточнение динамической модели системы с помощью диаграмм последовательностей.
Идентификация классов.
14. Определение атрибутов и ассоциаций классов.
15. Формирование архитектурных уровней.
16. Реализация потоков управления.
17. Применение существующих шаблонов проектирования.
18. Реализация разработанного проекта в виде объектно-ориентированной программы.
19. Разработка комплекта тестов.
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
10.1. Базовый учебник
Норматив обеспеченности студентов базовым учебником - не менее 50 %. Ридеры
указываются при отсутствии базового учебника или неполного покрытия базовым учебником
основных тем программы. Также указываются доступные электронные версии базового
учебника.
1. Применение объектного моделирования с использованием UML и анализ прецедентов.
Розенберг Д. – ДМК Пресс, 2002.
10.2. Основная литература
Обязательная литература, которая является обязательной для освоения студентами, и
доступна студентам по нормативу обеспеченности не менее 50 %. Несоблюдение данного
норматива может распространяться не более чем на 10 % источников из списка основной
литературы. Также указываются доступные электронные версии учебных пособий.
На русском языке:
1. Применение объектного моделирования с использованием UML и анализ прецедентов.
Розенберг Д. – ДМК Пресс, 2002.
На английском языке:
2. Use Case Driven Object Modeling with UML: Theory and Practice. Doug Rosenberg, Matt
Stephens. – Apress, 2007.
3. Foundations of Object-Oriented Programming Using .NET 2.0 Patterns (Foundations).
Christian Gross. – Apress, 2005.
4. C# 3.0 Design Patterns. Judith Bishop. - O'Reilly Media, Inc, 2008.
10.3. Дополнительная литература
Дополнительная литература, которая не является обязательной:
1. Шаблоны реализации корпоративных приложений. К. Бек. - М.: Вильямс, 2008.
2. Язык программирования С# 2008 и платформа .NET 3.5. Э. Троелсен. – М.: Вильямс,
2009.
10.4. Справочники, словари, энциклопедии
Программное обеспечение
1. Операционная система Windows (Windows XP, Windows Vista, Windows 7), среда
разработки Visual Studio 2008, 2010, CASE-средство Sparx Enterprise Architect.
Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
1. Microsoft Enterprise Library:
14
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем»
для направления 230400.62 «Прикладная информатика» подготовки бакалавров
2. http://entlib.codeplex.com/, http://msdn.microsoft.com/library/cc467894.aspx
Материалы о С# на русском языке:
1. http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/ms123401.aspx
2. Visual C#. Для начинающих, примеры и пошаговые руководства.
3. C# Programming Guide и C# Reference на русском языке.
4. Описание среды разработки Visual Studio 2010.
5. http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/kx37x362.aspx
1.1. Программные средства
Для успешного освоения дисциплины, студент использует программные средства:
 профессиональные пакеты программных средств, которые студент должен
использовать на аудиторных занятиях или при самостоятельной работе,
 специальные программные средства для научных исследований,
Профессиональное и специальные программное обеспечение:
 Операционная система: Windows.
 Программное обеспечение среда Visual Studio 2010
 CASE-средство Sparx Enterprise Architect
11. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для успешного освоения дисциплины необходимо оборудование для лабораторных
работ и практических занятий, а также материально-техническое обеспечение
(профессиональная аудио и видео аппаратура, проектор для лекций или семинаров):
Компьютерный класс, с установленной операционной системой Windows, средой Visual
Studio 2010, CASE-средством Sparx Enterprise Architect.
15