Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Чеченский государственный университет» ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Кафедра «Программирование и инфокоммуникационные технологии» УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе и информатизации _____________С.С. Абдулазимов «_____»________________2015 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера» Направление подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (код и наименование направления подготовки) Профиль подготовки «Сети связи и системы коммутации» (наименование профиля подготовки) Квалификация (степень) выпускника Академический бакалавриат Форма обучения Очная Согласовано: Начальник УМУ ________Ш.В. Дукаев «____» ____________2015 г. Рекомендовано кафедрой: Протокол № _______ И.о. зав. кафедрой____С. Р. Шамилев «____» ____________2015 г. Грозный 2015 г. Рецензент кандидат технических наук, доцент Сайдаев Х. Л.-А. Рабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера» /сост. С. Р. Шамилев – Грозный: ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2015. – 25 с. Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины вариативной части студентам очной формы обучения по направлению подготовки 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» в 6 семестре. Рабочая программа составлена с учетом Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 06 марта 2015 г. № 174. Составитель _______________ С.Р. Шамилев (подпись) С.Р. Шамилев, 2015 ФГБОУ ВПО ЧГУ, 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ................................................................ 4 2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО .......................................................... 4 3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ....... 4 4. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) .......................................... 6 4.1. Содержание разделов дисциплины ...................................................................................... 6 4.2. Структура дисциплины ........................................................................................................ 11 4.3. Разделы дисциплины, изучаемые в 7 семестре ................................................................. 11 4.4. Лабораторные работы .......................................................................................................... 12 4.5. Практические занятия .......................................................................................................... 12 4.6. Курсовой проект (курсовая работа).................................................................................... 12 4.7. Самостоятельное изучение разделов дисциплины ........................................................... 12 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ............................................................................... 13 5.1. Интерактивные образовательные технологии, используемые в аудиторных занятиях 13 6 ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ...................................................................................... 14 6.1. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ.................................................................................................. 14 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) ................ 17 7.1. Основная литература. .......................................................................................................... 17 7.2. Дополнительная литература ................................................................................................ 17 7.3. Периодические издания ....................................................................................................... 19 7.4. Интернет-ресурсы, посвященные Excel ............................................................................. 20 7.5. Методические указания к практическим занятиям........... Error! Bookmark not defined. ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ ............ Error! Bookmark not defined. 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Цели и задачи изучения дисциплины «Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера» соотносятся с общими целями Государственного образовательного стандарта высшего образования по профилю «Сети связи и системы коммутации» и предполагают получение более углубленных профессиональных знаний, умений и навыков в различных областях деятельности по профилю данной специальности. Целями дисциплины «Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера» являются существенное повышение качества работы в области архитектур вычислительных систем. Задачами дисциплины является • формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием теоретических знаний в области архитектур вычислительных систем; • получение практических навыков в области выбора архитектуры вычислительной системы, наилучшим образом раскрывающего потенциальные возможности заданного алгоритма с учётом заданных требований к программному обеспечению; • развитие умений, основанных на полученных теоретических знаниях, позволяющих на творческом и репродуктивном уровне применять и создавать эффективные алгоритмы для решения задач обработки информации применительно к данной архитектуре вычислительной системы; • получение студентам навыков самостоятельной исследовательской работы, предполагающей изучение специфических методов анализа архитектур вычислительных систем и функционирующего на них программного обеспечения, инструментов и средств, необходимых для решения актуальной, в аспекте программной инженерии, задачи выбора рациональных алгоритмов в зависимости от особенностей применения разрабатываемых программ. 2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО Дисциплина относится к дисциплинам вариативной части. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при освоении учебных дисциплин «Информатика», «Программирование», «Алгоритмы и структуры данных», «Устройства и оборудование инфокоммуникационных систем и сетей». Дисциплина является основой для последующего изучения дисциплин: «Информационная безопасность», «Проектирование и эксплуатация инфокоммуникационных систем и сервисов», для квалификационной работы. учебной и производственной практики, выпускной 3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций: ОПК-4 – способностью иметь навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях, осуществлять компьютерное моделирование устройств, систем и процессов с использованием универсальных пакетов прикладных компьютерных программ; ПК-2 – способностью осуществлять приемку и освоение вводимого оборудования в соответствии с действующими нормативами; ПК-8 – умением собирать и анализировать информацию для формирования исходных данных для проектирования средств и сетей связи и их элементов; ПК-16 – готовностью изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования; ПК-17 – способностью применять современные теоретические и экспериментальные методы исследования с целью создания новых перспективных средств электросвязи и информатики; ПК-18 – способностью организовывать и проводить экспериментальные испытания с целью оценки соответствия требованиям технических регламентов, международных и национальных стандартов и иных нормативных документов. Студент, изучивший дисциплину, должен Знать: — методы представления числовой информации в вычислительных системах; — методы обработки числовой информации в вычислительных системах; — методы обмена информацией между компонентами вычислительных систем. • Уметь: — оценивать компьютерные архитектуры вычислительных систем в точки зрения комплексных критериев качества; — планировать эксперимент, проводить экспериментальное исследование с помощью натурных или имитационных моделей вычислительных систем. • Владеть: — методами анализа потоков данных в вычислителях различной архитектуры; — инструментами замера времени в программных реализациях алгоритмов; — основами технологий разработки программ для заданных архитектур вычислителей; • Приобрести опыт: оптимизации архитектуры вычислительных систем. 4. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) 4.1. Содержание разделов дисциплины № раздела Наименование раздела 1 История машинного счёта 2 Определения понятия «Архитектур а» в применении к вычислитель ным системам 3 Уровни управления процессом вычислений 4 Общие требования к программном у коду. Потоковые (DATAFLOW) вычислители Содержание раздела Предпосылки необходимости счёта. Мысли великих людей по поводу счёта. От пальцевого счёта к механизации вычислений. Примитивные орудия вычислений. Абак. Барон Джон Непер и его «счёт на палочках». Блез Паскаль и «паскалина». Лейбниц и его арифмометр. Чарльз Беббидж, его механические вычислители и фактическое рождение понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам. Леди Байрон-Лавлейс как первая программистка. Гипотетическая машина Тьюринга. Фон-Неймановские принципы построения процессоров. Гарвардская и Принстонская архитектуры. Электромеханические и электронные вычислительные машины. «Из ряда вон выходящие» вычислительные системы (вычислители с трёхзначной логикой, на основе арифметики остаточных классов). Суперкомпьютеры и задачи класса GRAND CHALLENGES. Общее и разница межу понятиями структура и архитектура. Современные определения понятия архитектуры вычислительных систем. Машина Тьюринга как классика архитектуры вычислителей. Пять принципов фон-Неймана построения вычислителей. Классическая фон-Неймановская (Принстонская) архитектура, Гарвардская архитектура. их сравнительные преимущества и недостатки. Основные архитектуры многопроцессорных и многокомпьютерных вычислительных систем. Сравнительные достоинства и недостатки SMP- и MPP-архитектур. Классификации архитектур вычислителей. Классификация Флинна. Методы управления процессом вычислений. Понятие регистра - счётчика команд (Set Counter). Форматы машинных команд. Методы повышения производительности процессоров. CISC- и RISC-процессоры. Конвейерная и суперскалярная обработка данных. Истинный параллелизм. Управление последовательностью вычислений. Процессор как синтез операционного и управлящего автоматов. Системы счисления современных процессоров. Выбор рационального основания позиционной системы счисления и форматов представления чисел в ЭВМ. Точность представления чисел. Стандарт IEEE 754 для хранения вещественных чисел. Выполнение арифметических действий над числами с фиксированной запятой, проблемы «размножения ошибки» вследствие переноса и невозможности распараллеливания. Использование конвейерной архитектуры для повышения производительности процессора. Особенности функционирования конвейера. Условия корректного выполнения программного кода. Принципы программного управления последовательностью выполнения операций (CONTROL-FLOW) и управления порядком выполнения операций самими данными (DATA-FLOW). Отрицательная роль регистра счётчика команд на возможность распараллеливания вычислений. Исторические попытки модернизации классической фон-Неймановской архитектуры. Принципиальная возможность распараллеливания процесса вычислений по произвольному алгоритму без априорного указания последовательности действий. Использование ЯПФ (ЯрусноПараллельной Формы) информационного графа алгоритма с целью выявления параллельно исполняемых блоков (гранул) программы. Структурная схема вычислителя с управлением последовательностью вычислений потоком данных. Реализации потоковых вычислителей. Проблема ассоциативной памяти. особенности программирования DATA-FLOW машин. Компьютерная модель (симулятор) потокового вычислителя и её Форма текущего контроля ДЗ Р Эссе использование для моделирования и оптимизации процесса вычислений. Понятие интенсивности вычислений и возможность целенаправленного управления ею. Кумулятивная кривая количества исполненных операций. 5 Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативн ые решения 6 Архитектура параллельны х вычислитель ных систем 7 Суперкомпь ютеры Принцип поразрядного последовательного выполнения булевых операций при использовании ПСС (Позиционной Системы Счисления). Распространение ошибки булевых операций от младших к старшим разрядам вследствие «переноса в старший разряд», затруднение выявления ошибки выполнения арифметического действия вследствие этого. Невозможность распараллеливания собственно арифметической операции в ПСС. Методы ускорения вычислений в рамках ПСС. История непозиционных систем счисления. Китайская теорема об остатках. Теория вычетов. Модулярная алгебра. История применения СТО (Системы Остаточных Классов) при разработке арифметических устройств, персоналии. Архитектура арифметических устройств на основе СОК. Табличный метод определения результатов арифметической операции по заданном основанию vs вычислительный метод, условия выбора одного из этих методов. Реальные ЭВМ, использующие вычисления на основе СОК. Преимущества и недостатки арифметических устройств на основе СОК. Цель параллелизации обработки информации. Ускорение вычислений vs надёжность. Физические ограничения повышения производительности процессоров на едином кристалле. Доказательство возможности полного распараллеливания вычислений для конкретного алгоритма. Параллелизация внешняя и истинная. Технологии параллелизации. Конвейерный принцип. Векторные процессоры. Контр-фонНеймановские архитектуры вычислителей. Типы параллелизаций параллелизация вычислений vs параллелизация по данным. Абстрактные модели параллельных вычислений. Концепция неограниченного параллелизма. Понятие тонкой информационной структуры алгоритма. Формальное определение гранулы (зерна, блока) параллелизации. Глубина распараллеливания. Определение суперкомпьютера. Психоэмоциональное состояние «механетикс» (шутл.). Задачи и области применения суперкомпьютеров. Проблемы класса GRAND CHALLENGES (ЗАДАЧИ БОЛЬШОГО ВЫЗОВА). Методы определения производительности суперкомпьютеров, требования к методам. История - вычислительные смеси Гибсона. Тесты LinPACK, HPL (HighPerformance Linpack benchmark). Диапазон производительности современных суперкомпьютеров. Вычислительные кластеры. Реальное и пиковое быстродействие. Проблемы пета- и экзафлопса. Энергетическая стоимость одной арифметической операции. Оценка погрешности вычислений в зависимости от точности представления данных и числа выполненных операций. Обоснование использования вещественной арифметики двойной точности (IEEE 754) при суперкомпьютерных вычислениях. Топологии коммуникационных сред суперкомпьютеров. Концепция неограниченного параллелизма. Закон Амдаля и сетевой закон Амдаля. 8 Нейронные сети и нейрокомпью теры. 9 Зависимость производител ьности вычислитель ного кластера MPPархитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи 10 Транспьютер ы 11 Метакомпью тинг и концепция GRID Биологический нейрон. Дерево входов (дендриты), выход (аксон), понятия возбуждения и торможения нейрона. Связь нейронов в коре головного мозга. Искусственные нейроноподобные структуры. Нейронная сеть (НС). Функция активации нейрона. Множества входов и выходов НС. Перцептрон. Понятие «решить задачу» в применении к НС. Обучение нейронной сети. Нейронные сети Кохонена, Хопфилда. Когнитрон. НС с обратным распространением информации. Обучающая, тестовая, рабочая последовательности. Признак окончания обучения НС. Одно- и многослойные НС. Процедуры обучения НС. Метод обратного распространения ошибки (back propagation), условие применимости этого метода. Самообучающиеся НС. Программные реализации НС. Аппаратная реализация НС. Применения НС. Нейронная сеть как решатель, функционирующий на основе теории нечёткой логики. Вычислительный кластер как представитель многопроцессорных вычислительных систем (МВС) архитектуры MPP. Вычислительные кластеры BEOWULF. МВС как симбиоз вычислительных узлов (ВУ) и коммуникационной сети (КС). Потоки данных в МВС. Необходимость синхронизации времени отдельных ВУ кластера. Задержка данных при обмене информацией через КС как источник простоя ВУ. Латентность (инерционность) сети передачи данных. Понятие тонкой информационной структуры программы и гранулы (зерна, блока) параллелизма. Коэффициент гранулярности. технологии разработки параллельных программ. Параллельное программирование с использованием передачи сообщений MPI (Messages Passing Interface). Многозначность параллельных реализаций единого математического алгоритма. Пример - ленточный алгоритм параллельного умножения матриц классическим способом. Системные скрипты компиляции и запуска на исполнение MPI-программ. Определение зависимости времени обмена по компьютерной сети и производительности сети от размера сообщения (при обменах типа “точка - точка”). Исследование зависимости производительности МВС от размера обрабатываемых данных и количества вычислительных узлов. Верификация кубичной зависимости времени выполнения параллельной программы от размерности данных. Интерпретация результатов. Предпосылки перехода к распределённой архитектуре вычислений. Энтони Хоар как инициатор разработки транспьютерной архитектуры. Транспьютер как специализированный процессор с большим количеством каналов связи с подобными. Роль компании Inmos в разработке первых транспьютеров. Архитектура транспьютера T805 фирмы Inmos. Топологии объединения транспьютеров. Языки программирования для транспьютеров. Современное состояние транспьютерной индустрии. Транспьютеры как элементы реализации архитектур систолических массивов, вычислителей с реконфигурируемой структурой. Понятия метакомпьютера и метакомпьютинга. Вычислительная сеть (GRID). Архитектура метакомпьютера. Отличия метакомпьютера от традиционного компьютера. Понятие добровольных вычислений. Инструментальные системы организации и управления метакомпьютинга. Реализации метакомпьютерных вычислительных систем. Облачные вычисления как частный случай метакомпьютинга. Концепция доверительных отношений между заказчиком и фирмой, предоставляющей услугу облачного сервиса. Облачный сервис с точки зрения конечного пользователя. Доводы за и против облачных технологий. Ричард Столлман против использования проприентарных программ и ресурсов. 12 Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA 13 Аналоговые вычислитель ные системы 14 Вычислители с программиру емой архитектурой . Пути усовершенств ования архитектур вычислителе й 15 Квантовые вычислители и системы передачи данных История совершенствования графических карт. Шейдерный механизм вычислений как основа использования карт в качестве графических процессоров (GPU - Graphics Processing Unit). GPU как процессор массового параллелизма архитектуры SIMD. Графические процессоры фирм NVIDIA и AMD. направление GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units). Потоковый процессор, вычислительные ядра потокового процессора. Программирование графических процессоров. Модель программирования в CUDA (Compute Unified Device Architecture). Понятие устройства (device), центрального процессора (host), потока (нити, thtread). Компилятор NVCC. Значение Compute Capability как показатель вычислительных возможностей GPU. Принципиальные различия между нитями GPU и нитями CPU. Бесплатность SDK CUDA и уровень поддержки пользователей и разработчиков фирмой NVIDIA. Типовой шаблон работы с GPU на языках высокого уровня. Поддерживаемые языки высокого уровня с CUDA. Программирование c использованием низкоуровневого CUDA driver API и высокоуровневого CUDA runtime API. Идентификация вычислительных ядер и распределение блоков данных для обработки на конкретных ядрах. Типовые примеры (язык С++ интегрированной среды Microsoft Visual Studio) программ для CUDA. Экспериментальная оценка производительности GPU vs CPU. Аналоговый и цифровой способы представления и хранения информации. История механических аналоговых вычислителей. Аналоговая вычислительная машина (АВМ) - механический дифференциальный анализатор (Уильям Томсон, лорд Кельвин). Классификация АВМ по используемому рабочему телу. Интегрирование (суммирование) на гидроинтеграторах. Нейронные сети как аналоговые вычислителя. Архитектура аналоговых вычислителей. Базовые элементы электронных АВМ. Операционный усилитель как основа электронной АВМ. Устройства ввода и вывода АВМ. Модели аналоговых вычислителей и их функциональные возможности. Метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) и его применение к решению уравнений Лапласа. Области применения АВМ. Достоинства и недостатки АВМ. Гибридные вычислительные системы, преимущества перед цифровыми вычислительными системами. Аналогоцифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Предпосылки разработки вычислительных систем с программируемой архитектурой. Реконфигурация как средство создания вычислительной структуры, максимально эффективной для заданного алгоритма. Связь реконфигурируемых вычислительных систем с идеей клеточных автоматов фон-Неймана (1948). Понятие процессорного элемента (ПЭ), универсальной коммутационной среды (УКС). Два этапа настройки реконфигурируемых вычислительных систем на выполнение конкретной задачи. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) как основа создания реконфигурируемых систем. Эффективность систем с программируемой архитектурой. Перспективные пути совершенствования архитектур вычислителей переход к принципу перемещения кода к данным (а не наоборот, как принято сейчас), обработки данных по мере их готовности (потоковый принцип), теговая память, домены санкционированного доступа в память, реализация одноуровневой памяти. Определение квантового компьютера, история идеи. Принципиальная возможность сверхбыстрого выполнения вычислений. Понятие кубита, квантовой связанности (спутанности). Число линейно независимых состояний системы N кубитов. Физическая реализация кубитов. Квантовые проблемы задания исходных данных и считывания результата. Фундаментально вероятностный характер квантовых вычислений. Известные алгоритмы для квантовых компьютеров (алгоритмы Гровера, Залки-Визнера, Шора). Современные реализации квантовых вычислителей. Неэффективность известных методов шифрования при использовании квантового Р ДЗ компьютера для дешифрации. Недостаки современных линий передачи информации. Использование квантовых эффектов для детектирования перехвата данных копированием. 16 Архитектура систем поиска информации в сети InterNet Краткая история и современные параметры сети InterNet. Проблемы и технологии поиска информации в сети InterNet. Технологии Data Mining. Классификация поисковых систем в сети InterNet. Каталоги и специализированные базы данных сетевых ресурсов. Активные поисковые системы. Закон Зипфа (George Kingsley Zipf) в применении к системам поиска информации. Архитектура и принципы функционирования машин поиска информации в сети InterNet. Принципы ранжирования информации в поисковых системах. Понятие релевантности. Поисковая машина Google. История развития компании Google. Отличия принципов ранжирования и поиска информации Google существующих. Архитектура аппаратной части поисковых машин Google. Принцип построения серверов Google – простота и дублирование. Эссе В графе 4 приводятся планируемые формы текущего контроля: защита лабораторной работы (ЛР), выполнение курсового проекта (КП), курсовой работы (КР), расчетнографического задания (РГЗ), домашнего задания (ДЗ), написание реферата (Р), эссе (Э), коллоквиум (К), рубежный контроль (РК), тестирование (Т) и т.д. 4.2. Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц (252 часов) Трудоемкость, часов в 5 семестре 252 72 Вид работы Общая трудоемкость Аудиторная работа: Лекции (Л) Практические занятия (ПЗ) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа: Курсовой проект (КП), курсовая работа (КР)[1] Расчетно-графическое задание (РГЗ) Реферат (Р) Эссе (Э) Домашнее задание Самостоятельное изучение разделов: Контрольная работа (К) Самоподготовка (проработка и повторение лекционного материала и материала учебников и учебных пособий, подготовка к лабораторным и практическим занятиям, коллоквиумам, рубежному контролю и т.д.), Подготовка и сдача экзамена Вид итогового контроля (зачет, экзамен) 36 36 140 16 16 16 98 40 зачет 4.3. Разделы дисциплины, изучаемые в 6 семестре № раздела 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Наименование разделов История машинного счёта Определения понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам Уровни управления процессом вычислений Общие требования к программному коду. Потоковые (DATAFLOW) вычислители Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения Архитектура параллельных вычислительных систем Суперкомпьютеры Нейронные сети и нейрокомпьютеры. Зависимость производительности вычислительного кластера MPPархитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи Транспьютеры Метакомпьютинг и концепция GRID Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA Аналоговые вычислительные системы Вычислители с программируемой архитектурой. Пути усовершенствования архитектур вычислителей Квантовые вычислители и системы передачи данных Архитектура систем поиска информации в сети InterNet Итого: 12 Аудиторная работа Л ПЗ ЛР 2 2 12 2 2 8 12 2 2 8 12 2 2 8 12 2 2 8 12 12 12 2 2 2 2 2 2 8 8 8 12 2 2 8 12 14 14 14 2 2 2 2 2 2 2 2 8 10 10 10 14 2 2 10 18 18 212 4 4 36 4 4 36 10 10 140 Количество часов Внеаудиторная работа 8 4.4. Лабораторные работы № раздела 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Наименование разделов История машинного счёта Определения понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам Уровни управления процессом вычислений Общие требования к программному коду. Потоковые (DATA-FLOW) вычислители Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения Архитектура параллельных вычислительных систем Суперкомпьютеры Нейронные сети и нейрокомпьютеры. Зависимость производительности вычислительного кластера MPP-архитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи Транспьютеры Метакомпьютинг и концепция GRID Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA Аналоговые вычислительные системы Вычислители с программируемой архитектурой. Пути усовершенствования архитектур вычислителей Квантовые вычислители и системы передачи данных Архитектура систем поиска информации в сети InterNet 4.5. Практические занятия № раздела 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Наименование разделов История машинного счёта Определения понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам Уровни управления процессом вычислений Общие требования к программному коду. Потоковые (DATA-FLOW) вычислители Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения Архитектура параллельных вычислительных систем Суперкомпьютеры Нейронные сети и нейрокомпьютеры. Зависимость производительности вычислительного кластера MPP-архитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи Транспьютеры Метакомпьютинг и концепция GRID Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA Аналоговые вычислительные системы Вычислители с программируемой архитектурой. Пути усовершенствования архитектур вычислителей Квантовые вычислители и системы передачи данных Архитектура систем поиска информации в сети InterNet 4.6. Курсовой проект (курсовая работа) Не предусмотрены 4.7. Самостоятельное изучение разделов дисциплины № раздела 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Наименование разделов История машинного счёта Определения понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам Уровни управления процессом вычислений Общие требования к программному коду. Потоковые (DATA-FLOW) вычислители Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения Архитектура параллельных вычислительных систем Суперкомпьютеры Нейронные сети и нейрокомпьютеры. Зависимость производительности вычислительного кластера MPP-архитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи Транспьютеры Метакомпьютинг и концепция GRID Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA Аналоговые вычислительные системы Вычислители с программируемой архитектурой. Пути усовершенствования архитектур вычислителей Квантовые вычислители и системы передачи данных Архитектура систем поиска информации в сети InterNet 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Предусмотрено использование в учебном процессе активных форм проведения занятий (индивидуальный и фронтальный опрос в ходе занятий, контроль выполнения индивидуальных и групповых заданий, заслушивание рефератов и эссе, обсуждение, дискуссии, разработка конкретных ситуаций, компьютерных симуляций, деловых и ролевых игр, разбор конкретных ситуаций, компьютерные и иные тренинги). Внеаудиторные работы проводятся в компьютерном классе с использованием современных программных систем, проектора, интерактивной доски, интернет. 5.1. Интерактивные образовательные технологии, используемые в аудиторных занятиях Семестр 3 Итого: Вид занятия (Л, ПР, ЛР) Л ПР ЛР Используемые интерактивные образовательные технологии Компьютер, интерактивная доска, интернет Компьютер, интерактивная доска, интернет Компьютерный класс, интерактивная доска, интернет Количество часов 36 36 72 6 ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ 6.1. Вопросы к зачету 1. История машинного счёта 2. Определения понятия «Архитектура» в применении к вычислительным системам 3. Уровни управления процессом вычислений 4. Общие требования к программному коду. Потоковые (DATA-FLOW) вычислители 5. Недостаток процесса вычислений в позиционной системе счисления и альтернативные решения 6. Архитектура параллельных вычислительных систем 7. Суперкомпьютеры 8. Нейронные сети и нейрокомпьютеры. 9. Зависимость производительности вычислительного кластера 10. MPP-архитектуры от параметров оборудования и решаемой задачи 11. Транспьютеры 12. Метакомпьютинг и концепция GRID 13. Архитектура GPU фирмы NVIDIA и технология CUDA 14. Аналоговые вычислительные системы 15. Вычислители с программируемой архитектурой. Пути усовершенствования архитектур вычислителей 16. Квантовые вычислители и системы передачи данных 17. Архитектура систем поиска информации в сети InterNet 18. Понятия метакомпьютера и метакомпьютинга 19. Вычислительная сеть (GRID) 20. Архитектура метакомпьютера 21. Отличия метакомпьютера от традиционного компьютера 22. Понятие добровольных вычислений 23. Инструментальные системы организации и управления метакомпьютинга 24. Реализации метакомпьютерных вычислительных систем 25. Облачные вычисления как частный случай метакомпьютинга 26. Концепция доверительных отношений между заказчиком предоставляющей услугу облачного сервиса 27. Облачный сервис с точки зрения конечного пользователя и фирмой, 28. Доводы за и против облачных технологий 29. Ричард Столлман против использования проприентарных программ и ресурсов 30. История совершенствования графических карт 31. Шейдерный механизм вычислений как основа использования карт в качестве графических процессоров (GPU - Graphics Processing Unit) 32. GPU как процессор массового параллелизма архитектуры SIMD 33. Графические процессоры фирм NVIDIA и AMD 34. направление GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing 35. Аналоговый и цифровой способы представления и хранения информации 36. История механических аналоговых вычислителей 37. Аналоговая вычислительная машина (АВМ) - механический дифференциальный анализатор (Уильям Томсон, лорд Кельвин) 38. Классификация АВМ по используемому рабочему телу 39. Интегрирование (суммирование) на гидроинтеграторах 40. Нейронные сети как аналоговые вычислителя 41. Архитектура аналоговых вычислителей 42. Базовые элементы электронных АВМ 43. Операционный усилитель как основа электронной АВМ 44. Устройства ввода и вывода АВМ 45. Модели аналоговых вычислителей и их функциональные возможности 46. Метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) и его применение к решению уравнений Лапласа 47. Области применения АВМ 48. Достоинства и недостатки АВМ 49. Гибридные вычисли-тельные системы, преимущества перед цифровыми вычислительными системами 50. Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи 51. Предпосылки разработки вычислительных систем с программируемой архитектурой 52. Реконфигурация как средство создания вычислительной структуры, максимально эффективной для заданного алгоритма 53. Связь реконфигурируемых вычислительных систем с идеей клеточных автоматов фон-Неймана (1948) 54. (УКС) Понятие процессорного элемента (ПЭ), универсальной коммутационной среды 55. Два этапа настройки реконфигурируемых вычислительных систем на выполнение конкретной задачи 56. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) как основа создания реконфигурируемых систем 57. Эффективность систем с программируемой архитектурой 58. Перспективные пути совершенствования архитектур вычислителей - переход к принципу перемещения кода к данным (а не наоборот, как принято сейчас), обработка данных по мере их готовности (потоковый принцип), теговая память, домены санкционированного доступа в память, реализация одноуровневой памяти 59. Определение квантового компьютера, история идеи 60. Принципиальная возможность сверхбыстрого выполнения вычислений 61. Понятие кубита, квантовой связанности (спутанности) 62. Число линейно независимых состояний системы N кубитов 63. Физическая реализация кубитов 64. Квантовые проблемы задания исходных данных и считывания результата 65. Фундаментально вероятностный характер квантовых вычислений 66. Известные алгоритмы для квантовых компьютеров (алгоритмы Гровера, Залки- Визнера, Шора) 67. Современные реализации квантовых вычислителей 68. Неэффективность известных методов шифрования при использовании квантового компьютера для дешифрации 69. Недостаки современных линий передачи информации 70. Использование квантовых эффектов для детектирования перехвата данных копированием 71. Краткая история и современные параметры сети InterNet 72. Проблемы и технологии поиска информации в сети InterNet 73. Технологии Data Mining 74. Классификация поисковых систем в сети 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) 7.1. Основная литература. Хорошевский В.Г.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера. Издательство: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. -520 с. Кожевников Д.Ю.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера Мелеуз, МГУТУ, 2009 г., 90 с. Цапко И.В., Цапко С.Г.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера: Учебное пособие Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 168 с. 7.2. Дополнительная литература GPU. Архитектура и программная модель CUDA. Учебное пособие. — М.: Изд. Московского университета, 2012. — 336 с. Алабужев А.А. Архитектура параллельных ЭВМ. — СПб.: Пермь, 2007. — 89 с. [стр. 78–79]. Аналоговая вычислительная машина. Русская энциклопедия ТРАДИЦИЯ. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://traditioru. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем. Учебник для ВУЗ'ов. — СПб.: Питер, 2009. — 720 с. Буза М.К. Архитектура компьютеров. — Минск.: Новое знание, 2008. — 559 c. [стр. 394–402, 436-448]. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 609 с. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 609 с. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 609 с. [стр. 154–162]. Вязилов Е.Д. Архитектура, методы и средства Интернет-технологий. — М.: URSS, 2009. — 512 с. Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. — М.: БИНОМ, 2007. — 423 с. Головко В.А. Нейронные сети сети: обучение, организация и применение. Учебное пособие для ВУЗ'ов. — М.: ИПРЖР, 2001. — 256 с. Д.Крекрафт, С.Джерджели. Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигналов. — М.: Техносфера, 2005. — 360 с. Дж.Сандерс, Э.Кенрот. Технология CUDA в примерах: введение в программирование графических процессоров (пер. с англ.). — М.: ДМК Пресс, 2011. — 232 с. Дордопуло А.И., Каляев И.А., Левин И.И. и др. Высокопроизводительные реконфигурируемые вычислительные системы. // Журнал «Суперкомпьютеры», № 3(3), 2010, с. 44-47. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_03-2010.pdf , свободный. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВПетербург, 2010. — 352 с. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВПетербург, 2010. — 352 с. [стр. 79–82]. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для ВУЗ'ов. — СПб.: БХВПетербург, 2010. — 352 с. [стр. 73–78]. Жуков-Емельянов О.Д. Информационные технологии на основе модулярной алгебры. —М.: КРАСАНД, 2010. — 248 с. Злобин В.К., Ручкин В.Н. Нейросети и нейрокомпьютеры. Учебное пособие. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 256 с. Колдаев В.Д., Лупин С.А. Архитектура ЭВМ. Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2009. — 384 c. Колесов А.А. IT-отрасль. Сгущается Облачность. // Журнал «Суперкомпьютеры», № 3(3), 2010, с. 8-13. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_03-2010.pdf , свободный. Комарцова Д.Г., Максимов А.В. Нейрокомпьютеры. Учебное пособие для ВУЗ'ов. — М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. — 400 с. Кормен T., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. — М.: МЦНМО, 2001, — 960 с. [стр. 631–650]. Корнеев В.В. Вычислительные системы. — М.: Гелиос АРВ, 2004. — 512 с. [стр. 187– 203]. Королёв Л.Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. — М.: Наука, 1978. —352 с. [стр. 157–158]. Лацис А.О. Как построить и использовать суперкомпьютер. — М.: Бестселлер, 2003. — 240 с. Лупин С.А., Посыпкин М.А. Технологии параллельного программирования. — М.: ИД «ФОРУМ», 2008. — 208 с. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера. Учебник. — М.: Форум, 2010. — 512 с. Мишин Г.Т. Современная аналоговая микроэлектроника. Теория и практика. — М.: Радиотехника, 2007. — 208 с. Николенко С.И., Тулупьев А.Л. Самообучающиеся системы. — М.: МЦНМО, 2009. — 288 с. [стр. 81–117]. Обухов Игорь. Сны об аналоговых вычислениях. // Журнал «Суперкомпьютеры», № 3(11), с. 2012, 59-61. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_11-2012.pdf, свободный. Попов Артём. Эффективная методика поиска информации в сети Интернет. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://citforum.ru/pp/search_03.shtml , свободный. Саймон Сингх. Книга шифров. — М.: ACT: Астрель, 2007. — 447 с. [стр. 357–393]. Стерлинг Томас. Многоточие Стерлинга. // Журнал “Суперкомпьютеры”, № 3(3), 2010, с. 17-20. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_03-2010.pdf , свободный. Стерлинг Томас. Многоточие Стерлинга. // Журнал “Суперкомпьютеры”, № 3(3), 2010,с. 17-20. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_03-2010.pdf , свободный. Сысоев Сергей. Квантовые вычисления: от бита к кубиту. // Журнал «Суперкомпьютеры», № 2(10), 2012, с. 30-33. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_10-2012.pdf , свободный. Ушаков И.А. От счётных машин до ЭВМ: как люди научили машины думать. Серия «История науки сквозь призму озарений», книга 6. — М.: КомКнига, 2009. — 176 c. Ушаков И.А. От счётных машин до ЭВМ: как люди научили машины думать. Серия «История науки сквозь призму озарений», книга 6. — М.: КомКнига, 2009. — 176 c. Ушаков И.А. От счётных машин до ЭВМ: как люди научили машины думать. Серия «История науки сквозь призму озарений», книга 6. — М.: КомКнига, 2009. — 176 c. [стр. 124– 136]. Хорошевский В.Г.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера. Учебное пособие для ВУЗ'ов. — М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008. — 520 с. [стр. 365–399]. Хорошевский В.Г.Архитектура ЭВМ и язык Ассемблера. Учебное пособие для ВУЗ'ов. — М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008. — 520 с. [стр. 273–363]. Черняк Леонид. Транспьютеры - британский феномен восьмидесятых. // Журнал «Суперкомпьютеры», № 1(5), 2011, с. 18-20. [Электронный ресурс] — Режим доступа: Э.Таненбаум. Архитектура компьютера. — СПб.: Питер, 2011. — 844 с. Яхъяева Г.Э. Нечёткие множества и нейронные сети. Учебное пособие. — М.: БИНОМ, 2008. — 316 с. 7.3. Периодические издания • «Мир ПК», Издательство: «Открытые системы», М. • «Компьютер», Издательство: ООО «Компьютер-Медиа» • «Upgrade», Издательство: «Венето» • «Windows IT Pro/RE», Издательство: «Открытые системы» • «PC Magazine», Издательство: «СК Пресс» • Баканов В.М. Параллелизация обработки данных на вычислителях потоковой (DataFlow) архитектуры. // Журнал “Суперкомпьютеры”, № 5, 2011, с. 54-58. 7.4. Интернет-ресурсы http://www.s390.ru org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B2 %D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%8 2%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0 %B8%D0%BD%D0%B0 , свободный. http://www.supercomputers.ru/images/stories/arhive/Supercomputers_05-2011.pdf , свободный. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем - http://do.rksi.ru/library/courses/arh/ Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования - http://arch.cs.msu.su/ Викиверситет - http://ru.wikiversity.org/wiki/ Лекции по архитектуре ЭВМ - exir.ru/other/files/Lectures.pdf Состояние и тенденции развития ЭВМ - http://itmu.vsuet.ru/Subjects/Architecture/tema1.htm 7.5. Методические указания к лабораторным занятиям Не предусмотрено 7.6. Методические указания к практическим занятиям Для обеспечения текущего контроля прохождения дисциплины применяется балльнорейтинговая система, которая основана на использовании совокупности контрольных точек, оптимально расположенных на всем временном интервале изучения дисциплины. Дисциплина разделена на ряд логически завершенных блоков (модулей), по которым проводится промежуточный контроль. Итоговая оценка по курсу: определяется на основе суммы баллов, полученных по всем разделам по результатам самостоятельной работы при условии, что студент по каждому виду набрал количество баллов не менее зачетного минимума. 7.7. Методические указания к курсовому проектированию и другим видам самостоятельной работы Не предусмотрено 7.8. Программное обеспечение современных информационно-коммуникационных технологий MS Windows; MS Office 2003/07; браузеры 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Компьютерный класс с мультимедийным оборудованием и доступом к сети Интернет. Приложение В (обязательное) В1 Форма листа согласования рабочей программы дисциплины ООП ВПО подготовки бакалавра и специалиста Приложение 1 к приказу №____ от «_____» 2011 г. ЛИСТ согласования рабочей программы Направление подготовки: _____________________________________________________________ код и наименование Специальность:1 _____________________________________________________________________ код и наименование Специализация:1 ____________________________________________________________________ наименование Дисциплина: _______________________________________________________________________ Форма обучения: ____________________________________________________________________ (очная, очно-заочная, заочная) Учебный год ____________ РЕКОМЕНДОВАНА заседанием кафедры _______________________________________________ наименование кафедры протокол N ________от «___» __________ 20__г. Ответственный исполнитель, заведующий кафедрой ________________________________________________________________________________ ___ наименование кафедры подпись расшифровка подписи дата Исполнители: ____________________________ ___________ ___________________ _________ должность подпись расшифровка подписи дата ____________________________ ___________ ___________________ _________ должность подпись расшифровка подписи дата Рабочая программа зарегистрирована в УМУ под учетным номером __________ на правах учебно-методического электронного издания. Начальник УМУ _______________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата 1 Для рабочих программ ООП ВПО подготовки специалистов СОГЛАСОВАНО: Заведующий кафедрой2 _________________________________________________________ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий кафедрой ___________________________________________________________ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Председатель методической комиссии по специальности (направлению подготовки) _____________________________________________________________________________ шифр наименование личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий отделом комплектования научной библиотеки ______________________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Согласование осуществляется со всеми кафедрами, за которыми приказом закреплены дисциплины, изучение которых опирается на данную дисциплину 2 В2 Форма листа согласования рабочей программы дисциплины ООП ВПО подготовки магистра ЛИСТ согласования рабочей программы Направление подготовки: _______________________________________________________ код и наименование Наименование магистерской программы: __________________________________________ _____________________________________________________________________________ Дисциплина: __________________________________________________________________ Форма обучения: ______________________________________________________________ (очная, очно-заочная, заочная) Учебный год ____________ РЕКОМЕНДОВАНА заседанием кафедры ____________________________________________________ наименование кафедры протокол N ________от «___» __________ 20__г. Ответственный исполнитель, заведующий кафедрой _____________________________________________________________________________ наименование кафедры подпись расшифровка подписи дата Исполнители: _____________________________________________________________________________ должность подпись расшифровка подписи дата _____________________________________________________________________________ должность подпись расшифровка подписи дата СОГЛАСОВАНО: Заведующий кафедрой3 _________________________________________________________ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий кафедрой _________________________________________________________ наименование кафедры личная подпись расшифровка подписи дата Председатель методической комиссии, научный руководитель по направлению подготовки __________________________________________________________________ код наименование личная подпись расшифровка подписи дата Научный руководитель магистерской программы __________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Заведующий отделом комплектования научной библиотеки _____________________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Рабочая программа зарегистрирована в УМУ под учетным номером __________ на правах учебно-методического электронного издания. Начальник УМУ_______________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Согласование осуществляется со всеми кафедрами, за которыми приказом закреплены дисциплины, изучение которых опирается на данную дисциплину 3 Дополнения и изменения в рабочей программе дисциплины В рабочую программу дополнения и изменения не внесены, утверждена на заседании кафедры «Программирование и инфокоммуникационные технологии», протокол № ____ от «____» ____________ 201 г. Заведующий кафедрой (подпись) (Ф.И.О.) ________________ С.Р. Шамилев Одобрено советом факультета____________________________ протокол № ____ от «____» __________ 201 г. Председатель ________________ _____________ (подпись) (Ф.И.О.)