ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

П.П.КРАВЧЕНКО

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

(семестровый курс лекций)

Часть I (модуль 1)

Таганрог

2011

АННОТАЦИЯ

Дисциплина «Архитектура вычислительных систем» (АВС) входит в учебном плане ОПП 230105 в состав блока федеральных компонент СД-дисциплин и является важной составляющей профессиональной подготовки инженеров по специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». Содержание дисциплины определяется соответствующими дидактическими единицами, изложенными в ГОС, а также необходимостью освещения текущих тенденций развития архитектур ВС, вопросов исследования и проектирования информационных вычислительных систем.

В содержании данной дисциплины нашли системное отражение как архитектуры вычислительных систем предшествующих поколений, так и современные и перспективные тенденции их развития: классификация параллельных машин Неймановского типа; многопроцессорная вычислительная система; типы связей в МВС; матричный процессор; процессоры с многими АЛУ; процессоры с конвейеризацией команд; арифметический конвейерный процессор; систолический процессор; развитие технологии СБИС; СISС и RISC архитектуры; проблемы неймановской архитектуры и пути их преодоления; классификация вычислительных механизмов; модель с потоком данных; редукционные машины; архитектура многоядерных и многопотоковых микропроцессоров; кластерные вычислительные системы; примеры архитектур высокопроизводительных ВС параллельной обработки информации и современных микропроцессоров; оценка производительности ВС.

Рассматриваются вопросы исследования архитектур информационных вычислительных систем оперативной обработки запросов: аналитические методы исследования. ВС оперативной обработки; модели устройств; cтохастическая сетевая модель ВС; характеристики стохастических сетей; характеристики многопроцессорных ВС; общие сведения о СПО GPSS/PC; физическое, модельное и машинное время; пример структуры имитационной модели; сущность моделей устройств (сетевого входа, ЦП, оперативной памяти, накопителя на ЖМД, каналы передачи данных, устройства вывода информации); работа с пакетом GPSS/PC; пример программы имитационной модели.

Трудоемкость изучения дисциплины в академических часах определяется согласно учебному плану ОПП 230105 следующим образом. Дисциплина изучается в 8-м семестре, длительность которого составляет 11 недель. По учебному плану объем курса равен 100 часов, из них: лекции –33 час, лабораторные работы – 22 часа, индивидуальное задание 11 час, самостоятельная работа студента – 34 часов, форма контроля – экзамен.

Трудоемкость изучения дисциплины в зачетных единицах (кредитах) согласно действующему в ТТИ ЮФУ положению по переходу на зачетные единицы (кредиты) при организации учебного процесса составляет 4

ОГЛАВЛЕНИЕ КУРСА ЛЕКЦИЙ

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Лекция

Методы исследования вычислительных систем 11

§1.1 Классификация ВС по назначению, по возможностям ОС и методы исследования ВС 11

§1.2. Сущность аналитических методов исследования ВС. Системы массового обслуживания (СМО) и вычислительные системы. 14

§1.3. Модель процессора и оперативной памяти на основе СМО 16

§1.4. Модели каналов на основе СМО, обслуживающих внешние устройства 18

§1.5. Стохастическая сетевая модель. Граф передач и матрица вероятностей передач. Экспоненциальная стохастическая сетевая модель 20

Суммы вероятностей передач по строкам должны удовлетворять соотношению 25

§1.6. Разомкнутые и замкнутые стохастические сети. Параметры стохастических сетей 25

§1.7. Расчет интенсивностей потоков в стохастических сетях 26

§1.8. Характеристики стохастических сетей 28

§1.9. Структура многопроцессорной ВС с общей памятью и ее характеристики 30

§1.10. Структура многопроцессорной ВС с индивидуальной памятью и её характеристики 33

§1.11. Достоинства и недостатки аналитических методов исследования ВС 35

МОДУЛЬ 1.

Методы исследования вычислительных систем

§1.1. Классификация ВС по назначению, по возможностям ОС и методы исследования ВС.

§1.2. Сущность аналитических методов исследования ВС. Системы массового обслуживания и вычислительные системы.

§1.3. Модель процессора и оперативной памяти на основе СМО.

Лекция 3

§1.4. Модели каналов на основе СМО, обслуживающих внешние устройства.

§1.5. Стохастическая сетевая модель. Граф передач и матрица вероятностей передач. Экспоненциальная стохастическая модель. .

§1.6. Разомкнутые и замкнутые стохастические сети. Параметры стохастических сетей.

Лекция 4

§1.7. Расчет интенсивностей потоков в стохастических сетях.

§1.8. Характеристики стохастических сетей.

§1.9. Структура многопроцессорной ВС с общей памятью и ее характеристики.

§1.10. Структура многопроцессорной ВС с индивидуальной памятью и её характеристики.

§1.11. Достоинства и недостатки аналитических методов исследования вычислительных систем.

Лекция 5

§1.12. Сущность использования имитационного моделирования моделирования для исследования вычислительных систем.

§1.13. Общие сведения о СПО GPSS/PC. Сообщения, блоки, Одноканальные и многоканальные устройства, арифметические переменные, выражения, функции, очереди, статистика.

§1.14. Физическое, модельное и машинное время.

Лекция 6

§1.15. Пример структуры ВС для имитационного моделирования. Сущность моделей устройств (сетевого входа, ЦП, оперативной памяти, накопителя на магнитных дисках, каналы передачи данных, устройства ввода-вывода информации).

Лекция 7

§1.16. Пример построения имитационной модели канала передачи данных.

Рекомендуемая литература к модулю 1

Используемые пакеты программ

Контрольные вопросы к модулю 1

Лекция 8

МОДУЛЬ 2

Архитектура вычислительных систем

§ 2.1. Основные определения. Понятие "архитектура" ЭВМ и системы. Системы однопроцессорные, многопроцессорные, многомашинные, распределенной обработки информации, кластеры. Понятие "структура "ЭВМ.

§2.2. Основные исторические вехи в развитии аппаратных и программных средств ЭВМ.

Лекция 9

§ 2.3. Пути повышения производительности ВС и требования к ВС параллельной обработки информации.

§2.4 Способы параллельной обработки информации. Уровни обработки (гранулярность обработки).

Лекция 10

§2.5. Классификация ВС (потоки команд-потоки данных). Примеры систем в соответствии с этой классификацией.

§2.6. Проблемы неймановской архитектуры.

§2.7. Особенности процессоров с CISC и RISK – архитектурой.

Лекция 11

§2.8. Классификация вычислительных моделей и механизмов обработки ЭВМ.

§2.9. Вычислительные системы с управлением потоком данных. Систолические структуры. Редукционные машины.

§2.10. Матричные процессоры с SIMD – обработкой информации. Процессор МРР для обработки изображений.

Лекция 12

§2.11 . Особенности архитектур современных микропроцессоров с SIMD- обработкой информации.

§2.12. Процессоры с многими АЛУ.

§2.13. Конвейерное АЛУ (на примере). Процессоры с конвейеризацией команд.

§2.14. Направления развития современных архитектур микропроцессоров.

§2.15. Суперскалярная архитектура и направления ее развития. Примеры.

Лекция 13

§2.16. Особенности архитектуры Pentium IV.

§2.17. Особенности архитектуры супер-ЭВМ Cray-1.

§2.18. Многопроцессорные системы. Типы. Способы организации связей между процессорами.

Лекция 14

§2.19. Разновидности ОС многопроцессорных систем,отличающихся способом организации выполнения заданий.

§2.20. Мультипроцессорные системы на базе микропроцессоров Alpha 21364. Однокристальные многопроцессорные микропроцессоры семейства ТМS320C8x.

§2.21. Векторно-конвейерные компьютеры Cray C90, T90.

§2.22. Многопроцессорные вычислительные системы семейства МВС - 1000.

§2.23. Многопроцессорная ВС "Эльбрус".

Лекция 15

§2.24. Многоядерные и многопотоковые микропроцессоры.

§2.25. Кластерные системы. Концепция GRID-архитектур.

§2.26. Особенности архитектуры транспьютерных систем. Пример специализированного процессора на основе транспьютеров для обработки сигналов.

Лекция 16

§2.27. Примеры формального представления сегментированных программ для параллельного исполнения.Скалярное произведение векторов. Векторное произведение векторов. Произведение двух матриц.

§2.28. Показатели производительности ВС.

Рекомендуемая литература к модулю 2

Контрольные вопросы к модулю 2