Geum.ru

Рабочая программа по дисциплине «Вычислительные комплексы, системы и сети» Для студентов, обучающихся по направлению

Вид материалаРабочая программа

Содержание


17 часов Зачет 8 семестр
Вычислительной техники
1. Требования к курсу
2. Принципы построения курса
3. Цели курса
3.2. Предмет изучения
3.3. Объектами изучения являются
3.4. Результаты изучения дисциплины
4. Содержание курса
4.2. Раздел 1. Класс SIMD (22 часа)
4.3. Раздел 2. Класс MIMD (32 часа)
4.4. Раздел 3. Методы параллельных вычислений (8 часов)
4.5. Раздел 4. Алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем (8 часов)
4.6. Раздел 5. Производительность вычислительных систем (4 часа)
4.7. Раздел 6. Сети ЭВМ и телекоммуникации (22 часа)
4.8. Заключение (2 часа)
5. Лабораторные занятия, их наименование, объем в часах (34 часа)
6. Расчетно-графическая работа
7. Курсовой проект
8. Список литературы
...
Полное содержание
Подобный материал:

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


«УТВЕРЖДАЮ»


Декан факультета АВТ,

проф. В. В. Губарев


«31» августа 2001 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА


по дисциплине «Вычислительные комплексы, системы и сети»


Для студентов, обучающихся по направлению 552800


«Информатика и Вычислительная Техника»

номер и наименование специальности (направления)


Факультет АВТ


Кафедра Вычислительной техники


Курс 4 Семестр 7,8


Лекции 102 часа


Лабораторные занятия 34 часа Экзамен 7,8 (гос. экзамен) семестр


Индивид. работа 17 часов Зачет 8 семестр


Самостоятельная работа 69 часа


Всего 222 часа


РГР 7 семестр


Курсовой проект 8 семестр


Новосибирск 2001 г.

Курс входит в число дисциплин, включенных в учебный план направления по решению Ученого Совета ВУЗа.

Рабочая программа включает в себя разделы из дисциплин «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций».


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры


Вычислительной техники


«31» августа 2001 г. Протокол № 8


Программу составил: к. т. н., доцент Мищенко В. К.


Заведующий кафедрой,

ответственный за основную

образовательную программу, профессор В. В. Губарев


Дополнения и изменения к рабочей программе на 20 /20 учебный год


В рабочую программу вносятся следующие изменения:


Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры «___» _______20 г.


Заведующий кафедрой


«___» _______20 г.


1. ТРЕБОВАНИЯ К КУРСУ

Рабочая программа включает в себя разделы из дисциплин «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Сети ЭВМ и средства телекоммуникации».

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КУРСА

Курс разделен на шесть разделов:
  • вычислительные системы класса SIMD;
  • вычислительные системы класса MIMD;
  • методы параллельных вычислений;
  • алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем;
  • производительность вычислительных систем;
  • сети ЭВМ и телекоммуникации.

3. ЦЕЛИ КУРСА

3.1. Основной целью курса является формирование и закрепление системного подхода к изучению и проектированию сложных систем:

3.1.1. Дать студентам систематизированные сведения о структуре и принципах работы вычислительных систем разного назначения, о методах исследования вычислительных систем, об основах их проектирования.

3.1.2. Другой целью дисциплины является систематизация знаний и умений по вычислительной технике и программированию через изучение различных архитектур параллельных вычислительных систем и основ параллельного программирования. Она является одной из завершающих дисциплин, формирующих специалистов по вычислительной технике.

3.2. Предмет изучения

3.2.1. Основные структуры вычислительных систем.

3.2.2. Алгоритмы функционирования.

3.2.3. Методы параллельных вычислений.

3.2.4. Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций.

3.3. Объектами изучения являются:

3.3.1. Структуры современных вычислительных систем.

3.3.2. Протоколы глобальных и локальных вычислительных сетей.

3.3.3. Математическое обеспечение вычислительных систем и сетей.

3.4. Результаты изучения дисциплины:

3.4.1. Представления

В результате изучения дисциплины у студентов должны быть сформированы представления о:
  • способах параллельной обработки информации;
  • принципах системной организации вычислительных средств;
  • параллельном программировании и алгоритмах функционирования;
  • современном состоянии развития вычислительных систем, сетей ЭВМ и средств телекоммуникаций.

3.4.2. Знания

После изучения дисциплины студент должен приобрести систематизированные знания в следующих областях:
  • основных архитектур параллельных вычислительных систем;
  • параллельного программирования;
  • вычислительных сетей и средств телекоммуникаций.

3.4.3. Умения и навыки

После изучения дисциплины студент должен:
  • приобрести навыки работы с отечественным и зарубежным информационно-справочным материалом;
  • уметь выбрать структуру ВС и режим ее функционирования;
  • уметь разрабатывать структурные и функциональные схемы всех ее составляющих;
  • применять методы повышения производительности систем и увеличения ее надежности
  • выбрать необходимый набор и структуру компонентов математического обеспечения;
  • оценить проектируемое им устройство с точки зрения быстродействия, стоимости и надежности.

4. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

4.1. Введение (4 часа)

История параллелизма. Скалярная и векторная обработка информации. Матричная обработка. Мультипроцессорная обработка. Конвейер. Специализированные ЭВМ. Сети ЭВМ. Уровни параллелизма. Систематика Флинна и другие классификации. Основная литература по дисциплине и ее краткий анализ.

4.2. Раздел 1. Класс SIMD (22 часа)

4.2.1. Векторно-конвейерные системы (4 часа)

Общие принципы магистральной обработки. Архитектурные принципы. Функциональные устройства. Скалярные и векторные регистры. Стадии параллелизма. Уровни реализации магистрального принципа. Системы STAR-100, CRAY-1.

4.2.2. Матричные системы (4 часа)

Матричная обработка информации. Общие принципы построения и функционирования матричных архитектур. Многомодальная логика процессорных элементов. Организация памяти. Управление вычислительным процессом. Массивы процессорных элементов. Сети обмена между процессорными элементами. Система ILLIAC-IV, ПС-2100.

4.2.3. Ассоциативные системы (4 часа)

Общие принципы ассоциативной обработки информации. Особенности поиска в ассоциативной памяти: маскирование и сравнение. Категории ассоциативных систем: полностью параллельные, поразрядно-последовательные, пословно-последовательные, блочно-ориентированные. Подсистема управления. Память команд. Модули ассоциативных матриц. Системы PEPE, STARAN. Флип-сеть, разрядные сечения.

4.2.4. Систолические матричные процессоры (6 часов)

Общие принципы систолической обработки. Синхронность вычислений. Методы синхронизации. Н-деревья. Модульность и регулярность систолических массивов. Особенности связей между процессорными элементами. Пространственная и временная локальность. Конвейеризуемость. Свойства систолических архитектур. Методы синтеза систолических массивов. Отображение графа алгоритма на систолические матричные процессоры.

4.2.5. Волновые матричные процессоры (4 часа)

Общие принципы волновой обработки. Асинхронные системы. Автосинхронность систем, управляемых данными. Регулярность, модульность и локальность межсоединений. Конвейеризуемость вычислений. Особенности проектирования процессорного элемента для волнового процессора. Отображение графа алгоритма на волновые матричные процессоры.


4.3. Раздел 2. Класс MIMD (32 часа)

4.3.1. SMR-системы (2 часа)

Общие принципы построения организации масштабируемых вычислительных систем. Система SP-2. Структура процессорных узлов. Пулы интерактивных, последовательных и параллельных заданий. Назначение процессорных узлов: файл-серверы, серверы-шлюзы, серверы баз данных, серверы резервного копирования.

4.3.2. Кластерные архитектуры (2 часа)

Общие принципы построения кластерных архитектур. Гетерогенные и гомогенные кластеры. Коммуникационные структуры кластерных систем. Обмен сообщениями в кластерах.

4.3.3. MPP-системы (2 часа)

Особенности организации MPP-систем. Система CRAY Т3Д. Узлы процессорных элементов. Сеть связи. Чередование узлов. Маршрутизация. Организация памяти.

4.3.4. Транспьютеры (4 часа)

Общие принципы построения транспьютерных систем. Транспьютерное семейство фирмы Inmos. Внутренняя архитектура транспьютера. Процессор. Системный сервис. Интерфейс памяти. Внутренняя память. Регистры. Поддержка параллелизма. Язык Оккам.

4.3.5. Вычислительные системы с программируемой структурой (12 часов)

Модель коллектива вычислителей. Принципы построения. Функциональный, коммуникационно-настроечный автомат. Функциональная структура элементарной машины. Системные операции. Организация межмашинных взаимодействий. ОВС «Минимакс», «Сумма». Структура связей, системные команды, элементарные машины, программное обеспечение. Распределенные вычислительные системы. Система АСТРА.

4.3.6. Однородные вычислительные среды (4 часа)

Принципы построения вычислительных сред. Среды с коллективным и индивидуальным поведением элементов. Соединительные и функциональные элементы среды. Универсальность элементов вычислительной среды. Настройка среды. Физическая реализация элементов вычислительной среды.

4.3.7. Отказоустойчивые вычислительные системы (6 часов)

Концепция устойчивости вычислительных систем к отказам. Требования к системам высокой готовности. Алгоритмы обнаружения неисправностей. Прямое и обратное восстановление в отказоустойчивых вычислительных системах. Эффект «домино» и методы его устранения. Маскирование ошибок в отказоустойчивых вычислительных системах. Перераспределение процессов в отказоустойчивых вычислительных системах. Вычислительная система космического корабля «Шаттл».

4.4. Раздел 3. Методы параллельных вычислений (8 часов)

Основные подходы при организации параллельных вычислений. Естественный параллелизм. Распараллеливание на уровне алгоритмических языков. Асинхронное программирование. Ярусно-параллельные формы. Крупноблочное распараллеливание. Особенности реализации P-алгоритмов на распределенных вычислительных системах.

4.5. Раздел 4. Алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем (8 часов)

Основные понятия и методы планирования выполнения последовательности работ (заданий). Основные режимы функционирования ВС. Режим решения сложной задачи. Эффективность решения сложной задачи. Решение набора задач на ВС. Эвристические алгоритмы, основанные на минимизации функции штрафа. Функционирование ВС при поступлении потока задач. Основные подходы к решению задачи организации функционирования. Организация функционирования распределенных вычислительных систем. Понятие о надежности и живучести ВС.

4.6. Раздел 5. Производительность вычислительных систем (4 часа)

Пиковая и реальная производительность. Закон Гроша. Способы измерения реальной производительности. Методы оценки производительности.

4.7. Раздел 6. Сети ЭВМ и телекоммуникации (22 часа)

Общие принципы построения вычислительных сетей. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации. Модель OSI. Уровни и протоколы. Стек OSI. Протоколы канального, сетевого, транспортного и сеансового уровней. Конфигурации локальных вычислительных сетей и методы доступа в них. Разновидности сетей Ethernet. Технологии Token Ring, FDDI. Сети ЭВМ с моноканалом и кольцевые. Конфигурации глобальных сетей и методы коммутации в них. Сетевой уровень как средство построения больших сетей. Принципы маршрутизации, реализация межсетевого взаимодействия средствами TCP/IP. Протоколы управления, адресация в Internet. Проблемы секретности в сетях ЭВМ и методы криптографии.

4.8. Заключение (2 часа)

Основные тенденции развития архитектурных принципов в области вычислительных систем и сетей. Современные тенденции развития телекоммуникационных систем.

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ, ИХ НАИМЕНОВАНИЕ, ОБЪЕМ В ЧАСАХ (34 ЧАСА)
  1. Анализ способов и выбор дисциплины обслуживания заданий однопроцессорного комплекса реального масштаба времени (4 часа).
  2. Анализ критериев эффективности управляющего вычислительного комплекса и определение оптимального быстродействия процессора (4 часа).
  3. Исследование алгоритмов маршрутизации в вычислительных системах сетевой архитектуры с регулярной структурой (4 часа).
  4. Исследование алгоритмов маршрутизации и реконфигурации в матричных вычислительных системах (4 часа).
  5. Моделирование отказоустойчивых многопроцессорных вычислительных систем (4 часа.)
  6. Изучение протокола NETBIOS сети NOVELLNETWARE (4 часа).
  7. Построение базовых структур и команд протокола NETBIOS на языке С (4 часа).
  8. Создание MPI-интерфейса для сетевого кластера (4 часа).
  9. Зачетное занятие (2 часа).

6. РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

Тематика работ:
  1. Реферат на заданную тему.
  2. Составление модели вычислительной системы заданной структуры.

7. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Примерная тематика проекта:
  1. Разработать системное устройство или его фрагмент для связи двух процессоров.
  2. Разработка алгоритма функционирования системного устройства.
  3. Разработка модели отказоустойчивой системы заданной структуры с программной или аппаратной избыточностью.
  4. Темы поискового характера.



8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  1. А. М. Ларионов, С. А. Майоров, Г. И. Новиков. Вычислительные комплексы, системы и сети: учебник для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 288 с.
  2. В. Г. Хорошевский. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. – М.: Радио и связь, 1987. – 256 с.
  3. Ю. Блэк. Сети ЭВМ. Протоколы, стандарты, интерфейсы/ Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 506 с.
  4. О. Хокни, К. Джезхоуп. Параллельные ЭВМ. – М.: Радио и связь, 1986. – 396 с.
  5. А. Б. Барский. Параллельные процессы в вычислительных системах. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.
  6. А. Г. Додонов, М. Г. Кузнецова, Е. С. Горбанчик. Введение в теорию живучих вычислительных систем. – Киев: Наук. Думка, 1990. – 184 с.
  7. К. Ги. Введение в локальные вычислительные сети. – М.: Радио и связь, 1986. – 176 с.
  8. Транспьютеры /под ред. Г. Харта. – М.: Радио и связь, 1993. – 304 с.
  9. В. И. Жиратков. Вычислительные системы большой производительности /НГТУ. Новосибирск, 1993. – 83 с.
  10. Супер-ЭВМ /под ред. С. Фернбаха. – М.: Радио и связь, 1991. – 320 с.
  11. Э.Якубайтис. Локальные информационно-вычислительные сети. – Рига: Зинантне, 1985. – 284 с.
  12. В. И. Жиратков. Введение в теорию отказоустойчивых вычислительных систем /НГТУ. Новосибирск, 2001. – 62 с.
  13. В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2001. – 672 с.

9. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

экзаменационные вопросы:
  1. Классификация архитектур ВС.
  2. Систематика Флинна.
  3. Классификация Шора.
  4. Уровни параллелизма.
  5. Принципы магистральной обработки информации.
  6. Система CRAY.
  7. Матричная обработка информации.
  8. ВС ILLIAC-IV.
  9. Ассоциативные ВС.
  10. Система PEPE.
  11. ВС STARAN.
  12. Систолические процессоры.
  13. Синхронизация систолических массивов.
  14. Отображение алгоритмов на матричные структуры.
  15. Волновые матричные процессоры.
  16. Проектирование ПЭ волнового матричного процессора.
  17. Сети обмена между ПЭ.
  18. Архитектура кристалла ПЭ.
  19. Транспьютеры.
  20. Транспьютеры фирмы INMOS.
  21. Модель коллектива вычислителей.
  22. Типовые схемы обмена информацией при реализации P-алгоритмов.
  23. Вычислительные среды.
  24. Функциональные и коммутационные элементы вычислительной среды.
  25. Программирование и настройка вычислительной среды.
  26. ЭМ ОВС. Состав. Функциональное назначение.
  27. Системное устройство ОВС.
  28. Системные операции.
  29. Основные свойства ОВС с программируемой структурой.
  30. Архитектурные аспекты создания операционных систем ВС.
  31. Классификация ОВС. Области применения.
  32. Архитектура ОВС «Минимакс».
  33. Элементарная машина ОВС «Минимакс».
  34. Системное устройство ОВС «Минимакс».
  35. ПО ОВС «Минимакс».
  36. ОВС «Сумма».
  37. Распределенные ВС. Особенности.
  38. Реализация системных операций в РВС. РВС «АСТРА».
  39. Отказоустойчивые ВС. Обнаружение ошибок.
  40. Эффект «домино» и методы его устранения.
  41. ВС космического корабля «Шаттл».
  42. Основные подходы при организации параллельных вычислений.
  43. Распараллеливание на уровне алгоритмических языков.
  44. Ярусно-параллельные формы.
  45. Крупноблочное распараллеливание.
  46. Особенности реализации P-алгоритмов на распределенных вычислительных системах.
  47. Основные режимы функционирования ВС. Режим решения сложной задачи.
  48. Решение набора задач на ВС.
  49. Эвристические алгоритмы. Алгоритм, основанный на минимизации функции штрафа.
  50. Функционирование ВС при поступлении потока задач.
  51. Организация функционирования распределенных вычислительных систем.
  52. Производительность ВС. Закон Гроша.
  53. Методы оценки производительности.
  54. Общие принципы построения вычислительных сетей.
  55. Понятие «открытая система». Модель OSI.
  56. Уровни и протоколы. Стек OSI.
  57. Прототипы канального и сетевого уровней.
  58. Прототипы транспортного и сеансового уровней.
  59. Прототипы представительного и прикладного уровней.
  60. Конфигурации локальных вычислительных сетей и методы доступа в них.
  61. Разновидности сетей Ethernet.
  62. Технология Token Ring.
  63. Технология FDDI.
  64. Сети ЭВМ с моноканалом и кольцевые.
  65. Конфигурации глобальных сетей и методы коммутации в них.
  66. Сетевой уровень как средство построения больших сетей.
  67. Принципы маршрутизации. Маршрутизаторы.
  68. Реализация межсетевого взаимодействия средствами TCP/IP.
  69. Протоколы управления, адресация в Internet.
  70. Проблемы секретности в сетях ЭВМ и методы криптографии.
  71. Основные тенденции развития архитектурных принципов в области вычислительных систем и сетей.