Рабочая программа дисциплины архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей для студентов специальности 35. 15. 00

Вид материала

Содержание

3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
4. Содержание дисциплины. 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
6. Лабораторный практикум
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины. 7.1. Рекомендуемая литература

Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета ВТ

д.т.н., профессор

___________ Шашков Б.Д.

«___»____________ 2004 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Для студентов специальности 35.15.00

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И АДМИНИСТРИРОВАНИЕ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Пенза, 2004 г.

Программу разработал

к.т.н. М.Н. Селиверстов

Программа одобрена

на заседании каф. «Системы автоматизированного проектирования», протокол № ___от ___________ 2004 г.

Зав каф. «Системы автоматизированного проектирования»

д.т.н, профессор А.М. Бершадский

Согласовано

Председатель НМК ФВТ

д.т.н., профессор П.П. Макарычев

Программа разработана в соответствии со следующими документами:

государственным образовательным стандартом минобразования РФ по специальности 35.15.00;
рабочим учебным планом ПензГУ по специальности 35.15.00;
примерной программой специальности «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем».

1. Цель и задачи дисциплины

Основной целью курса является формирование и закрепление системного подхода к изучению и проектированию сложных систем. Дать студентам систематизированные сведения о структуре и принципах работы вычислительных систем разного назначения, о методах исследования вычислительных систем, об основах их проектирования. 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.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать

основные архитектуры параллельных вычислительных систем;
принципы параллельного программирования;
архитектуры вычислительных сетей и средств телекоммуникаций.

уметь

выбрать структуру ВС и режим ее функционирования;
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.

- иметь опыт

использования стандартных программных средств исследования компьютерных сетей на базе протоколов семейства TCP/IP;
разработки сетевых приложений с использованием программного интерфейса WinSock API;
разработки параллельных программ с использованием библиотек MPI и PVM.

- иметь представление

о способах параллельной обработки информации;
о принципах системной организации вычислительных средств;
о параллельном программировании и алгоритмах функционирования;
о современном состоянии развития вычислительных систем, сетей ЭВМ и средств телекоммуникаций.

Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения дисциплины.

Для успешного освоения курса необходимы знания по дисциплинам: «Дискретная математика», «Основы информатики», «Алгоритмические языки и программирование, «Операционные системы».

3. Объем дисциплины и виды учебной работы.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр
Общая трудоемкость дисциплины	119	8
Аудиторные занятия	68	8
Лекции	34	8
Практические занятия (ПЗ)	-	-
Семинары (С)	-	-
Лабораторные работы (ЛР)	34	8
Самостоятельная работа	51	8
Курсовой проект (работа)	-	-
Расчетно-графические работы	-	-
Реферат	-	-
Другие виды самостоятельной работы	-	-
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	9	зачет экзамен

4. Содержание дисциплины.

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Раздел дисциплины	Объем в часах
№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	Лаб.раб.
1	Введение.	2
2	Класс SIMD.	6
3	Класс MIMD.	6	4
4	Методы параллельных вычислений.	4	12
5	Алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем.	4	4
6	Производительность вычислительных систем.	2	2
7	Сети ЭВМ и телекоммуникации.	10	12

4.2. Содержание разделов дисциплины

4.2.1. Способы организации и типы ВС.

История параллелизма. Скалярная и векторная обработка информации. Матричная обработка. Мультипроцессорная обработка. Конвейер. Однородные системы и среды. RISC-архитектуры. Специализированные ЭВМ. Сети ЭВМ. Уровни параллелизма. Основы метрической теории ВС, систематика Флинна и другие классификации.

4.2.2. Класс SIMD

4.2.2.1. Векторно-конвейерные системы

Общие принципы магистральной обработки. Архитектурные принципы. Функциональные устройства. Скалярные и векторные регистры. Стадии параллелизма. Уровни реализации магистрального принципа.

4.2.2.2. Матричные системы

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.

4.2.2.3. Ассоциативные системы

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. Флип-сеть, разрядные сечения.

4.2.2.4. Систолические матричные процессоры

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.

4.2.2.5. Волновые матричные процессоры

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.

4.2.3. Класс MIMD

4.2.3.1. SMR-системы

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.

4.2.3.2. Кластерные архитектуры

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

4.2.3.3. MPP-системы

Особенности организации MPP-систем. Система CRAY Т3D. Узлы процессорных элементов. Сеть связи. Чередование узлов. Маршрутизация. Организация памяти.

4.2.3.4. Транспьютеры

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

4.2.3.5. Вычислительные системы с программируемой структурой

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

4.2.3.6. Однородные вычислительные среды

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.

4.2.3.7. Отказоустойчивые вычислительные системы

Концепция устойчивости вычислительных систем к отказам. Требования к системам высокой готовности. Алгоритмы обнаружения неисправностей. Прямое и обратное восстановление в отказоустойчивых вычислительных системах. Маскирование ошибок в отказоустойчивых вычислительных системах. Перераспределение процессов в отказоустойчивых вычислительных системах.

4.2.4. Методы параллельных вычислений

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.

4.2.5. Алгоритмы и методы организации функционирования вычислительных систем

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, технология распределенной обработки данных. Понятие о надежности и живучести ВС.

4.2.6. Производительность вычислительных систем

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

4.2.7. Сети ЭВМ и телекоммуникации

Общие принципы построения вычислительных сетей. Каналы связи, модемы; кодирование и защита от ошибок. Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации. Модель OSI. Уровни и протоколы. Стек OSI. Протоколы канального, сетевого, транспортного и сеансового уровней, структура пакета. Конфигурации локальных вычислительных сетей и методы доступа в них. Методы коммутации каналов, сообщений, пакетов. Локальные 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 протоколов TCP/IP. Протоколы управления, адресация в Internet. Программное обеспечение компьютерных сетей. Проблемы секретности в сетях ЭВМ и методы криптографии.

4.2.8. Заключение

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

5. Курсовое проектирование

Курсовое проектирование не предусмотрено программой курса.

6. Лабораторный практикум

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ	К-во
1	5, 6	Исследование структуры университетской сети с использованием стандартных утилит PING, TRACERT, NET.	4
2	5, 7	Разработка клиентской части сетевого приложения на основе программного интерфейса WinSock API.	6
3	7	Разработка клиент/серверного сетевого приложения на основе программного интерфейса WinSock API.	8
4	3, 4	Разработка программы распределенных вычислений с использованием стандарта MPI.	8
5	3, 4	Разработка программы распределенных вычислений с использованием программной библиотеки PVM.	8

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

7.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

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

б) дополнительная литература:

Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник / С.А.Аничкин, С.А.Белов, А.В.Бернштейн и др.; Под ред. И.А.Мизина, А.П.Кулешова. - М.: Радио и связь, 1990. - 504 c.
Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник / В.К.Щербо, В.М.Киричев, С.И.Самойленко; Под ред. С.И.Самойленко. - М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.
Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер. с англ./ Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. - М.: Мир, 1982. - 562с.

Сипсер Р. Архитектура связи в распределенных системах. В 2 кн. - М.: Мир, 1981. 744 с.

Шварц М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. Пер. с англ./ Под ред. В.А. Жожикашвили. - М.: Радио и связь, 1981. - 336 с.
Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П.Сети коммутации пакетов. - М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.
Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 544 с.
Протоколы и методы управления в сетях передачи данных: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Ф.Куо. - М.: Радио и связь, 1985. - 480 с.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.

Лабораторные занятия и курсовое проектирование проводятся в компьютерном классе с применением интегрированной среды разработки приложений Microsoft Visual Studio 6.0 и программных библиотек MPI и PVM.

9. Переутверждение программы на очередной учебный год.

Учебн.

год

Учебн.

группа

Решение

кафедры

№ протокола

Решение

выпускающей

кафедры

№ протокола,

дата, подпись

зав. кафедрой

Лектор,

разработчик

программы

Blog