| Закреплена за кафедрой | Кафедра вычислительной техники и электроники |
|---|---|
| Направление подготовки | 09.04.01. Информатика и вычислительная техника |
| Профиль | Нейроинформационные технологии и робототехнические системы |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 3 ЗЕТ |
| Учебный план | 09_04_01_НТРС-2-2019 |
|
|
||||||||||||
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 1 (1) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 19 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лабораторные | 44 | 44 | 44 | 44 |
| Сам. работа | 64 | 64 | 64 | 64 |
| Итого | 108 | 108 | 108 | 108 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники
Протокол от 26.06.2019 г. № 69/18-19
Заведующий кафедрой д.т.н., Седалищев Виктор Николаевич, профессор, зав. кафедрой вычислительной техники и электроники
| 1.1. | Цель изучения дисциплины – формирование у будущих специалистов теоретических знаний и практических навыков по применению основ вычислительных систем с использованием современных персональных компьютеров и программных средств для решения широкого спектра задач в различных областях, а именно: получение теоретических и практических навыков по разработке и освоению вычислительных систем большой производительности на основе параллельных вычислений. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: Б1.Б.01 |
| ОК-8 | способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) |
| ОПК-6 | способностью анализировать профессиональную информацию, выделять в ней главное, структурировать, оформлять и представлять в виде аналитических обзоров с обоснованными выводами и рекомендациями |
| ПК-5 | владением существующими методами и алгоритмами решения задач цифровой обработки сигналов |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | - теоретические основы разработки вычислительных систем большой производительности; - архитектуры современных вычислительных систем; - методы организации и планирования решения задач и обмена данными при параллельных вычислениях на однородных и неоднородных вычислительных системах. - методы распределения задач по узлам вычислительной сети. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | - эффективно использовать теоретические основы разработки вычислительных систем большой производительности; - применять методы организации и планирования решения задач и обмена данными при параллельных вычислениях на однородных и неоднородных вычислительных системах; - применять методы распределения задач по узлам вычислительной сети. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | - навыками создания программных комплексов синтеза структур ВС и планирования решения задач на ВС; - методами распределения задач по узлам вычислительной сети; - методами организации и планирования решения задач и обмена данными при параллельных вычислениях на однородных и неоднородных вычислительных системах. |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Развитие архитектур вычислительных систем (ВС) | ||||||
| 1.1. | Лабораторная работа №1 «Запуск и анализ характеристик выполнения параллельных приложений в виртуальной среде MPI-машины» | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 1.2. | Архитектуры массово параллельных компьютеров на БИС, СБИС и гипербольших ИС. Мультитредовые модели распараллеливания. | Сам. работа | 1 | 6 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 2. Коммуникационные среды (КС) и их топологии | ||||||
| 2.1. | Лабораторная работа № 2 «Разработка и отладка параллельной MPI-программы для метода Якоби сеточного решения уравнения Лапласа» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 2.2. | Топологии коммутационных сетей многопроцессорных ВС. Коммуникационные среды масштабируемых ВС. Высокопроизводительные универсальные КС. КС MYRINET, КС транспьютеров. | Сам. работа | 1 | 2 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 3. Способы построения коммутаторов ВС | ||||||
| 3.1. | Лабораторная работа № 3 «Разработка и отладка параллельной DVM-программы для метода Якоби сеточного решения уравнения Лапласа». | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 3.2. | Простые коммутаторы, составные коммутаторы Клоза и баньян-сети, распределенные составные коммутаторы, графы с заданными гомоморфизмами, управление коммутаторами, составной коммутатор системы МВС 1000. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 4. Системы совместно протекающих взаимодействующих процессов | ||||||
| 4.1. | Индивидуальная работа № 4 «Разработка и отладка параллельной MPI-программы для задачи по выбору преподавателя». | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 4.2. | Процессы и критические секции; реализация взаимного исключения, синхронизирующие примитивы, синхронизация процессов посредством семафоров, мониторы, дедлоки и защита от них. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 5. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти | ||||||
| 5.1. | Лабораторная работа № 5 «Разработка и отладка параллельной MPI-программы для LU-разложения действительной матрицы» | Лабораторные | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 5.2. | Классификация архитектур ВС. Проблема когерентности памяти ВС. Механизмы неявной реализации когерентности. Аппаратный уровень разделяемой памяти (архитектуры систем с разделяемой памятью, симметричные мультипроцессоры с сосредоточенной памятью, системы с архитектурой NUMA и COMA, системы с рефлексивной памятью). Программный уровень реализации разделяемой памяти. Механизм явной реализации когерентности. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 6. Параллельное программирование для MPP систем. | ||||||
| 6.1. | Занятие 6 (6 часа): Лабораторная работа № 6 «Разработка и отладка параллельной DVM-программы для LU-разложения действительной матрицы» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 6.2. | Классические задачи «распределенного» программирования и программирования с «разделяемыми переменными». Прикладные задачи «синхронного параллельного программирования. Операционная система КОСМОС. | Сам. работа | 1 | 10 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 7. Организация внешней памяти | ||||||
| 7.1. | Лабораторная работа № 7 «Разработка и отладка параллельной MPI-программы для гравитационной задачи N тел» | Лабораторные | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 7.2. | Дисковые системы (RAID-массивы, технология дискового кэширования). Подходы к реализации систем хранения данных. Готовность систем хранения данных. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 8. Надежность параллельных систем. | ||||||
| 8.1. | Лабораторная работа № 8 «Разработка и отладка параллельной DVM-программы для гравитационной задачи N тел» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 8.2. | Отказоустойчивые системы. Различные модели отказоустойчивых систем (горячий резерв, репликация, параллельный сервер базы данных, MPP система). Информационные системы высокой готовности. Отказоустойчивые системы на базе стандартных компонентов. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 9. Оценка производительности ВС. | ||||||
| 9.1. | Индивидуальная работа № 9 «Разработка и отладка параллельной MPI-программы для задачи по выбору преподавателя» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 9.2. | Способы оценки производительности ВС. Тест Linpack. Пакеты тестовых программ SPEC и TPC. Тесты коммуникационной среды – пакет PMB 2.2. | Сам. работа | 1 | 5 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 10. Кластеры и массово параллельные системы (MPP). | ||||||
| 10.1. | Индивидуальная работа № 10 «Разработка и отладка параллельной DVM-программы для задачи по выбору преподавателя» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 10.2. | Нейросетевые ВС. Многопроцессорные серверы. Суперкомпьютеры Cray T3E-900, Cray T3E-1200. ВС из компонентов высокой готовности (Beowulf, Avalon). Проект суперкомпьютера Blue Gene фирмы IBM. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 11. Российские суперкомпьютеры МВС-100 и МВС-1000. | ||||||
| 11.1. | Индивидуальная работа № 10 «Разработка и отладка параллельной программы в системе Linda для задачи по выбору преподавателя» | Лабораторные | 1 | 4 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| 11.2. | Архитектура и ПО суперкомпьютера МВС-1000М. Развитие системного ПО параллельных суперкомпьютеров и сетевые вычисления на базе технологий GRID. Вычислительные кластеры семейства МВС-Х. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-6 | Л1.2, Л1.1 |
| Раздел 12. Аттестация | ||||||
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| Вопросы к экзамену по курсу «Вычислительные системы» Развитие архитектур вычислительных систем (ВС): 1. Основные определения и понятие фон-неймановской архитектуры, ее узкие места и способы их устранения. Классификация вычислительных систем (ВС с пакетным режимом обработки данных, ВС коллективного пользования, ВС реального времени. ВС, использующие параллелизм данных. 2. Принцип скалярной и векторной обработки, ВС на основе векторных и матричных процессоров, ВС на основе ассоциативных процессоров). Архитектуры компьютеров на схемах малой интеграции (однопроцессорные, векторно-конвейерные, параллельные системы класса SIMD). 3. Архитектуры массово параллельных компьютеров на БИС, СБИС и гипербольших ИС (системы с распределенной разделяемой памятью и однокристальные системы, реконфигурируемые процессоры). 4. Традиционные многопроцессорные модели распараллеливания (статическое и динамическое распараллеливание, архитектура суперскалярных процессоров и организация динамического распараллеливания, работа с памятью). 5. Мультитредовые модели распараллеливания (мультитредовые процессоры с тредами, выявляемыми путем анализа потоков управления и потоков данных программ; модель выполнения мультитредовых программ и ее специфика; аппаратные средства для мультитредовой архитектуры). Коммуникационные среды (КС) и их топологии: 6. Топологии коммутационных сетей многопроцессорных ВС (МВС): шинные, матричные и кубические структуры (гиперкуб, омега, баттерфляй, flip). 7. Коммуникационные среды масштабируемых ВС, шины интерфейса ввода-вывода микропроцессора, особенности применения каналов ввода-вывода. 8. Высокопроизводительные универсальные КС на основе масштабируемого когерентного интерфейса SCI (основные характеристики, логическая структура и архитектура, когерентность кэш-памятей). 9. КС MYRINET (основные характеристики, адаптер «шина компьютера – линк сети», коммутаторы логический уровень протокола сети Myrinet, физическая реализация и ПО). 10. КС транспьютеров (технология, передача данных системах фирмы Inmos, КС на базе микропроцессора TMS 320 C4x и КС на базе ADSP 2106X). Способы построения коммутаторов ВС: 11. Простые коммутаторы (с временным и пространственным разделением). 12. Составные коммутаторы Клоза и баньян-сети, распределенные составные коммутаторы (критерии выбора графов межмодульных связей, графы с минимальным диаметром, симметричные графы, кубические графы). 13. Графы с заданными гомоморфизмами, управление коммутаторами, составной коммутатор системы МВС 1000. Системы совместно протекающих взаимодействующих процессов: 14. Процессы и критические секции (программные средства порождения/уничтожения процессов fork и join, синхронизация процессов). 15. Реализация взаимного исключения, синхронизирующие примитивы, синхронизация процессов посредством семафоров, мониторы, дедлоки и защита от них. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти: 16. Классификация архитектур ВС. Проблема когерентности памяти ВС. 17. Механизмы неявной реализации когерентности (аппаратно-программные реализации механизмов когерентности, однопроцессорный и многопроцессорный подходы). 18. Аппаратный уровень разделяемой памяти (архитектуры систем с разделяемой памятью, симметричные мультипроцессоры с сосредоточенной памятью, системы с архитектурой NUMA и COMA, системы с рефлексивной памятью). 19. Программный уровень реализации разделяемой памяти. Механизм явной реализации когерентности. Параллельное программирование для MPP систем: 20. Развитие параллельного программирования. Организация эффективных параллельных вычислений. Проблемы организации параллельных вычислений. 21. Параллельное программирование с использованием интерфейса передачи сообщений MPI. 22. Стандарт Open MP. Примеры программирования. 23. Стандарт PVM. 24. Система программирования DVM, 25. Система программирования mpC. 26. Система программирования Linda. 27. Классические задачи «распределенного» программирования и программирования с «разделяемыми переменными». 28. Прикладные задачи «синхронного параллельного программирования. 29. Операционная система КОСМОС. Организация внешней памяти: 30. Пути совершенствования систем внешней памяти. Типы устройств хранения данных. 31. Дисковые системы (RAID-массивы, технология дискового кэширования). Подходы к реализации систем хранения данных. Готовность систем хранения данных. Надежность параллельных систем: 32. Отказоустойчивые системы. Различные модели отказоустойчивых систем (горячий резерв, репликация, параллельный сервер базы данных, MPP система). 33. Информационные системы высокой готовности. Отказоустойчивые системы на базе стандартных компонентов. Оценка производительности ВС: 34. Способы оценки производительности ВС (пиковая и реальная производительность, способы измерения реальной производительности). 35. Тест Linpack. Пакеты тестовых программ SPEC и TPC. 36. Тесты коммуникационной среды – пакет PMB 2.2. Кластеры и массово параллельные системы (MPP): 37. Основные классы параллельных систем, универсальные ВС с фиксированной и программируемой структурой,. 38. Специализированные ВС с программируемой структурой (однородные ВС, программируемые raw-микропроцессоры, ассоциативный процессор). 39. Нейросетевые ВС. 40. Многопроцессорные серверы (кластеры DIGITAL TruCluster). 41. Суперкомпьютеры Cray T3E-900, Cray T3E-1200. ВС из компонентов высокой готовности (Beowulf, Avalon). Проект суперкомпьютера Blue Gene фирмы IBM. Российские суперкомпьютеры МВС-100 и МВС-1000: 42. Архитектура и организация параллельных вычислений в МВС-100, организация передачи сообщений, реализация и инициация процесса ROUTER. 43. Архитектура МВС-1000/200 и его ПО, организация безопасного удаленного доступа и система планирования запуска заданий. 44. Архитектура и ПО суперкомпьютера МВС-1000М. 45. Развитие системного ПО параллельных суперкомпьютеров и сетевые вычисления на базе технологий GRID. 46. Вычислительные кластеры семейства МВС-Х. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| Темы рефератов: 1. Аппаратные средства для мультитредовой архитектуры. 2. КС на базе микропроцессора TMS 320 C4x и КС на базе ADSP 2106X. 3. Графы с заданными гомоморфизмами. 4. Синхронизация процессов посредством семафоров, мониторы, дедлоки и защита от них. 5. Механизм явной реализации когерентности. 6. Стандарт PVM. 7. Прикладные задачи «синхронного параллельного программирования. 8. Операционная система КОСМОС. 9. Технология дискового кэширования. 10. Информационные системы высокой готовности. 11. Тесты коммуникационной среды – пакет PMB 2.2. 12. Проект суперкомпьютера Blue Gene фирмы IBM. 13. Вычислительные кластеры семейства МВС-Х. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| Блок тематических контрольно-тестовых заданий в системе Moodle Итоговый (курсовой) тест в системе Moodle |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Бройдо В.Л., Ильина О.П. | Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов | СПб.: Питер, 2011 | |
| Л1.2 | Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. | Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учеб. для вузов | М.: Финансы и статистика, 2014 | booksee.org |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | e.lanbook.com/books/ | |||
| Э2 | www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека. | |||
| Э3 | www.nlr.ru/ Российская национальная библиотека. | |||
| Э4 | www.nns.ru/ Национальная электронная библиотека. | |||
| Э5 | www.rsl.ru/ Российская государственная библиотека. | |||
| Э6 | www.microinform.ru/ Учебный центр компьютерных технологий «Микроинформ». | |||
| Э7 | www.tests.specialist.ru/ Центр компьютерного обучения МГТУ им. Н.Э.Баумана. | |||
| Э8 | www.intuit.ru/ Образовательный сайт | |||
| Э9 | www.window.edu.ru/ Библиотека учебной и методической литературы | |||
| Э10 | www.osp.ru/ Журнал «Открытые системы» | |||
| Э11 | www.ihtika.lib.ru/ Библиотека учебной и методической литературы | |||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Для проведения лабораторных занятий необходимо использование компьютерного класса. На компьютерах должны быть установлены программные средства, поддерживающие работу с алгоритмическими языками С/C++, Pascal, Фортран и система параллельного программирования MPI. Microsoft Windows Microsoft Office 7-Zip AcrobatReader | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| не требуется | ||||
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 001вК | склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования | Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032 |
| Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
| 203К | лаборатория цифровой обработки сигналов - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 12 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 2 шт.; компьютеры: марка компьютер Парус модель 945 MSI - 12 единиц; коммутатор D-LINK; методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине "Нейроинформационные технологии": алгоритм обратного рассеяния; обучение без учителя; персептрон; Сети Хопфилда и Хемминга. |
| не требуется |