Базовый учебник: И.В. Максимов, И.И. Попов, «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем». Москва. Издательство Академия. 2014.
Цель урока: Ввести понятие архитектура вычислительных систем. Закрепить и систематизировать знания учащихся о топологии вычислительных систем.
Задачи:
- обучающие: акцентировать внимание учащихся на архитектуре вычислительных систем, показать разнообразие архитектур вычислительных систем;
- развивающие: формирование интереса к предмету; развивать память, внимание, словесно-логическое мышление, формировать потребность в обучении и саморазвитии, раскрывать творческий потенциал учащихся;
- воспитательные: воспитание самостоятельности, воспитание культуры интеллектуального труда.
Тип урока: Комбинированное занятие.
Необходимое техническое оборудование: Персональные компьютеры, различные носители информации.
План урока:
- Организационный момент (5 мин).
- Постановка темы и цели урока (5 мин).
- Систематизация знаний и умений по пройденному материалу.
Опрос учащихся (18 мин).
- Объяснение нового материала. Ввести понятие архитектура вычислительных систем. Закрепить и систематизировать знания учащихся о топологии вычислительных систем (25 мин.)
- Просмотр презентации на ПК. Работа с учебником (15 мин.)
- Закрепление полученных знаний.(11 мин.)
- Постановка домашнего задания (5 мин.).
- Подведение итогов урока. Выставление оценок (6 мин.).
Ход урока
1. Организационный момент.
Цель: Организовать группу, создание обстановки для естественного самовыражения обучающегося.
Вместе с дежурным учитель проверяет готовность класса к уроку, отмечает отсутствующих.
2. Постановка темы и цели урока.
Цель: Ознакомление с темой урока, постановка проблемы, цели урока.
При постановке проблемы используется ПК для наглядности.
3. Систематизация знаний и умений по пройденному материалу.
Цель: Обобщение и систематизация знаний. Развитие логических умений: сравнивать, выделять главное.
Для подготовки учащихся к усвоению нового материала повторяются и систематизируются их знания и умения в процессе устного опроса:
- Сформулируйте, какие типы вычислительных систем, вы знаете.
- Сформулируйте, из чего состоит у Вас домашний ПК?
- Сформулируйте, способы объединения компьютеров, вы знаете?
4. Изложение нового материала.
Ввести понятия: вычислительная система, архитектура вычислительных систем.
Цель: Усвоение новых знаний, создание положительного эмоционального настроя на работу всех учащихся.
Вычислительная система (ВС) — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Создание ВС преследует следующие основные цели:
- повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;
- повышение надежности и достоверности вычислений;
предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг Отличительной особенностью ВС по отношению к классическим ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Кластерная архитектура
Кластер представляет собой два или более компьютеров (часто называемых узлами), которые объединяются с помощью сетевых технологий на базе шинной архитектуры или коммутатора и предоставляются пользователю в качестве единого информационно-вычислительного ресурса. В качестве узлов кластера могут выступать серверы, рабочие станции или обычные персональные компьютеры. Преимущество кластеризации для повышения работоспособности становится очевидным в случае сбоя какого-либо узла при этом другой узел кластера может взять на себя нагрузку неисправного узла, и пользователи не заметят прерывания в доступе. Возможности масштабируемости кластеров позволяют многократно увеличивать производительность приложений для большего числа пользователей технологий (Fast/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе архитектуры или коммутатора. Такие суперкомпьютерные системы являются самыми дешевыми, поскольку собираются на базе стандартных комплектующих элементов («off the shelf») процессоров, коммутаторов, дисководов и внешних устройств.
Кластеризация может быть осуществлена на разных уровнях компьютерной системы, включая аппаратное обеспечение, операционные системы, программы-утилиты, системы управления и приложения. Чем больше уровней системы объединены кластерной технологией, тем выше надежность, масштабируемость и управляемость кластера.
Типы кластеров.
- Класс I. Машина строится целиком из стандартных деталей, которые продают многие продавцы компьютерных компонент (низкие цены, простое обслуживание, аппаратные компоненты доступны из различных источников).
- Класс П. Система включает эксклюзивные или не широко распространенные детали. Этим можно достичь очень хорошей производительности, однако при более высокой стоимости.
Наиболее употребляемыми типами кластеров являются:
- системы высокой надежности;
- системы для высокопроизводительных вычислений;
Архитектура кластерной системы определяет ее производительность в большей степени, чем тип используемых в ней процессоров. параметром, влияющим на величину производительности такой системы, является расстояние между процессорами.
Рассмотрим пример построения симметричной 16-процессорной системы, в которой все процессоры были бы равноправны. Наиболее естественным представляется соединение в виде плоской решетки, где внешние концы используются для подсоединения внешних устройств. Теория же показывает, что если в системе максимальное расстояние между процессорами больше 4, то такая система не может работать эффективно. Поэтому, при соединении 16 процессоров друг с другом плоская схема является неэффективной. Для получения более компактной конфигурации необходимо решить задачу о нахождении фигуры, имеющей максимальный объем при минимальной площади поверхности.
В трехмерном пространстве таким свойством обладает шар. Но поскольку необходимо построить узловую систему, то вместо шара приходится использовать куб (если число процессоров равно 8) или гиперкуб, если число процессоров больше 8. Размерность гиперкуба будет определяться в зависимости от числа процессоров, которые необходимо соединить. Наиболее эффективной считается архитектура с топологией «толстого дерева» (fat-tree). Поскольку способ соединения процессоров друг с другом больше влияет на производительность кластера, чем тип используемых в ней процессоров, то может оказаться более рентабельным создать систему из большего числа дешевых компьютеров, чем из меньшего числа дорогих.
В кластерах используются операционные системы, стандартные для рабочих станций, чаще всего, свободно распространяемые — Linux, FreeBSD, вместе со специальными средствами поддержки параллельного программирования и балансировки нагрузки.
5. Просмотр презентации.
Работа с книгой И.В. Максимов, И.И. Попов. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Москва Изд. Академия. 2014г
6. Закрепление полученных знаний.
Цель: Закрепление нового материала. Обобщение полученных знаний. Развитие логического мышления. Формирование навыков самоконтроля. Воспитание воли, настойчивости и трудолюбия.
Проверяется правильность выполнения задания.
Фронтальным опросом вместе с учащимися подводятся итоги урока.
7. Постановка домашнего задания.
Цель: Закрепление знаний, применение знаний. Развитие умений и навыков. Воспитание воли, настойчивости, трудолюбия. Воспитание самоконтроля.
На дом задается прочитать объяснительный текст. Учебник И.В. Максимов, И.И. Попов, «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем». Москва. Издательство Академия. 2014 г.
8. Подведение итогов урока.
Цель: Выставление оценок ученикам, анализ ответов учеников, выяснить, что понравилось (не понравилось ) и почему.
Обсудить с детьми, что узнали (чем овладели), что понравилось (не понравилось) и почему, что бы хотелось выполнить еще раз. Выставление оценок (поощрение) при опросе на уроке не только правильного ответа ученика, но и анализ того, как ученик рассуждал, какой способ использовал, почему и в чем ошибся. Отметка аргументируется по ряду параметров: правильности, самостоятельности, оригинальности.