• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Магистратура 2019/2020

Архитектура вычислительных систем

Направление: 01.04.04. Прикладная математика
Когда читается: 1-й курс, 4 модуль
Формат изучения: с онлайн-курсом
Прогр. обучения: Системы управления и обработки информации в инженерии
Язык: русский
Кредиты: 3

Программа дисциплины

Аннотация

Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным ре-зультатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчет-ности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Архитектура вычислительных систем», учебных ассистентов и студентов, обучающихся по образовательной программе 01.04.04 Су-перкомпьютерное моделирование в науке и инженерии . Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: • ФГОС ВПО по направлению подготовки 01.04.04 «Прикладная математика» (квалификация (степень) «магистр»). • Объединенным планом на 2018/19 учебный год Московский институт электроники и мате-матики НИУ ВШЭ 01.04.04 Суперкомпьютерное моделирование в науке и инженерии, Маги-стратура 1 курс.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины «Архитектура вычислительных систем» являются формирование у студентов базовых знаний в области архитектуры современных ЭВМ, а также навыков и умений их применения на практике.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • В результате изучения дисциплины студенты будут Знать: Основные принципы, лежащие в основе понятия "архитектура ВС", микроархитектуру процессора, иерархию памяти, способы увеличение производительности устройств, параметры, влияющие на производительность современных вычислительных систем, базовые принципы аппаратной организации современных многоядерных вычислительных комплексов.
  • Уметь: Разбираться в различных архитектурах ЭВМ, сравнивать их по системе команд,, оценивать сложность аппаратной реализации; на основании знания внутренней структуры компьютера, устройства его кэш-памяти, знания реализации шин, уметь оптимизировать свои программы; спроектировать новую ЭВМ, хотя бы на бумаге, смоделировать работу отдельных устройств ВС
  • Иметь навыки: Анализа архитектурных особенностей различных ВС, Проведения исследований моделей отдельных блоков ВС, ускорения программного обеспечения за счет знания внутренней организации процессора, кэш-памяти и многоядерной/многопроцессорной архитектуры ВС.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Общее устройство и организация компьютера
    Основные компоненты аппаратной организации современных компьютеров: процессор, кэш-память, основная оперативная память, долговременная память (жесткие диски), шина передачи данных, коммуникационные сети. Классификация многопроцессорных систем. Системы с общей и распределенной памятью. Графические ускорители. Понятие зависимости по данным в программе.
  • Устройство процессора
    Основные компоненты процессора: регистры, арифметико-логические устройства, кэш-память. Векторные и скалярные операции. Устройство многоядерных процессоров. Технологии гипертрейтинга и турбо-бустинга. Примеры организации современных процессоров: архитектура процессоров семейства Intel Core i7 и IBM Power 9.
  • Устройство графических ускорителей
    Основные компоненты GP-GPU. Потоковый процессор. Концепция SIMT, проблема расхождения потоков. Глобальная и локальная память, организация памяти.
  • Организация оперативной памяти
    Физический и виртуальный адрес, кэш адресов. Банки памяти. Кэш-память, ассоциативность. Когерентность кэш-памяти. Особенности SDRAM и DDRAM.
  • Коммуникационное оборудование
    Шины, виды шин. Синхронные и асинхронные шины. Последовательные и параллельные шины. Примеры шин: DMI и PCI-Express. Сетевое оборудование. Сетевая карта, коммутатор. Стек сетевых протоколов. Топологии сетей. Примеры сетевого оборудования: сети Ethernet и Infiniband.
  • История машинного счёта.
    Основные этапы развития автоматизированных вычислений (этапы - пальцевый счет, абак, палочки Непера, машины Паскаля, Лейбница, идея Лейбница о применении двоичной системы счисления, машина Беббеджа, машина Тьюринга, первые релейные машины, ламповые вычислители, транзисторная техника, квантовые вычислителя, развитие программных средств).
  • Определения понятия "Архитектура" в применении к вычислительным системам.
    Необходимость понятия "архитектура" в применении к сложным техническим системам. Вариации толкования понятия "архитектура". Первые вычислительные системы, к которым понятие "архитектура" обязательно в применении. Отдельные примеры применения понятия "архитектура". Внутренняя архитектура современных микропроцессоров. Классическая Принстонская архитектура (архитектура фон Неймана). Гарвардская архитектура, области применения. Многоядерность, закон Релэя. Кеширование, связанные с кешированием проблемы безопасности. Архитектура суперкомпьютеров. Принципы и системы классификации вычислительных систем. 4 уровня параллелизации при вычислениях.
  • Уровни управления процессом вычислений. Архитектура современных микропроцессоров. Конвейерность. Вычислители в позиционной системе счисления с основанием основанием 3. Стековая машина.
    Уровень языков сверхвысокого/высокого уровня, уровень машинных машинных команд (инструкций) уровень микрокоманд. Программно/аппаратные средства конвертации между уровнями. Особенности машинных команд процессоров ARM, ITANIUM, ЭЛЬБРУС. Понятие машинного такта (тика) процессора. Суперскалярность. Конвейерная архитектура и Сергей Лебедев. Идеологемы CISC и RISC принципов построения вычислителей. Размерность и точность представления данных, стандарт IEEE 754. Николай Брусенцов и стековая машина на основе трехзначной логики СЕТУНЬ.
  • Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения. Простейшие программы на Ассемблере.
    Принципиальная невозможность отойти от частично-последовательного характера операций над битами при вычислениях в позиционных системах счисления. Достоинства и ограничения табличных систем. Непозициолнные системы счисления. Система остаточных классов (СОК) и ее применение при разработке процессоров. Место СОК в иерархии уровней паралллизации вычислений. Израиль Акушский, технические параметры построенных на СОК вычислителей. Современное состояние СОК при разработке процессоров. Простейшие программы на Ассемблере - импорт процедур из системных библиотек, работа командной строкой, форматный вывод данных.
  • Ассемблер в архитектуре X86 - практика разработки программ. Интерактивные среды разработки. Макроассемблер.
    Процессор x86 фирмы Intel, этапы его развития. Ассемблер для 32-x и 64-бит архитектур. Ассемблер для процессоров архитектуры ARM. Поддержка операций над числами с плавающей точкой. Арифметичский сопроцессор, кольцевой регистр при операциях с плавающей точкой, extended-формат обрабатываемых чисел. Приемы вычислений с плавающей точкой. Использования макросов при работе с Ассемблером. Понятие пролога и эпилога. Стандартные соглашения о передаче параметров процедурам (stdcall, cdecl, fastcall). Двоично-десятичная арифметика (BCD) в процессорах x86. Инструкции для работы с цепочками (sequence) элементов (одномерными массивами).
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий прохождение он-лайн курса, аудиторные занятия (выполнение и защита практических работ)
    Преподаватель засчитывает представленный отчет о прохождении он-лайн курса, оценивает работу студентов на практических занятиях: оценивается правильность выполнения заданий, ответов на вопросы. Оценка по 10-ти балльной шкале за работу на практических занятиях определяется перед промежуточным или итоговым контролем — 0,5*Окурс+0,2*.Опр1+0,17*Опр2+0,13*.Опр1 .
  • неблокирующий самостоятельные работы - время, затрачиваемое студентом на подготовку к практическим занятиям
    Преподаватель оценивает самостоятельную работу студентов: оценивается правильность ответов на вопросы по теме практических занятий, задания и моделирующий программный пакет для которых выдаются дистанционно. Оценка по 10-ти балльной шкале за самостоятельную работу включается в оценку за практическую работу
  • неблокирующий Подведение итогов, досдача долгов и выставление накопленной оценки в качестве итоговой по дисципли
  • неблокирующий Контрольно-измерительные материалы
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    Оитог=0,5*Оон-лайн-курса+0,2*Опр1+0,17*Опр2+0,13*Опр3
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Архитектура компьютера, Таненбаум, Э., Гороховского, Ю., 2011

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Компьютерные сети, Таненбаум, Э., Шрага, В., 2005
  • Сажнев А. М. - ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 2-е изд., пер. и доп. Учебное пособие для академического бакалавриата - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 139с. - ISBN: 978-5-534-10883-5 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/cifrovye-ustroystva-i-mikroprocessory-432199