Методическое руководство для преподавателя: Архитектуры вычислительных систем и оценка производительности

Руководство по организации учебной деятельности на занятии 18 дисциплины «ОП.02 Архитектура аппаратных средств». Содержит разбор дидактических задач, методику ведения интерактивного практикума, анализ типичных ошибок студентов и критерии оценивания по 4-балльной матрице.

1. Дидактические цели и предметная специфика занятия

Занятие 18 объединяет фундаментальную систематизацию архитектур вычислительных систем (таксономия Флинна, организация памяти SMP/UMA vs NUMA vs кластеры) и количественную оценку быстродействия (метрики MIPS, FLOPS, тест Linpack, законы Амдала и Густафсона-Барсиса). Одновременно занятие служит первой частью подготовки к итоговому контролю курса (подготовка 1/2).

2. Типичные когнитивные и расчетные ошибки обучающихся

Тематический узел Характерная ошибка обучающегося Методический комментарий и коррекция
Таксономия Флинна Ошибочное отнесение суперскалярного ЦП к классу MIMD или SIMD на основании наличия нескольких АЛУ. Напомнить, что таксономия Флинна классифицирует системы по логическим программным потокам. Одноядерный суперскалярный CPU выбирает инструкции из одного программного счетчика (PC) над одним потоком данных, поэтому остается в рамках SISD.
Архитектура NUMA Отождествление NUMA с распределенной памятью кластеров; утверждение, что удаленная память адресуется через сокеты сети. Разъяснить концепцию ccNUMA (Cache-Coherent NUMA): память физически распределена по сокетам, но логически образует единое общее адресное пространство. Процессор адресует удаленную память обычной инструкцией MOV, а маршрутизацию и когерентность берет на себя контроллер шины UPI/Infinity Fabric.
Метрика MIPS Прямое сопоставление тактовой частоты и MIPS между RISC (ARM) и CISC (x86) процессорами. Показать, что инструкция CISC выполняет комплексную работу (сложение с операндом из памяти), эквивалентную нескольким инструкциям RISC. Высокий MIPS в RISC не означает автоматического преимущества в скорости выполнения прикладной задачи.
Закон Амдала Попытка деления времени на $n$ целиком; игнорирование того, что доля $s$ не ускоряется: $S = n$ или $S = 1 / (1 - s)$. Акцентировать внимание на базовой формуле: $T(n) = s + \frac{1 - s}{n}$. При $n \to \infty$ слагаемое параллельной части стремится к нулю, и предел ускорения равен строго $\frac{1}{s}$.
Закон Густафсона-Барсиса Путаница между фиксированным объемом задачи (Strong Scaling) и масштабируемым объемом (Weak Scaling). Разъяснить на аналогии: по Амдалу мы строим один и тот же дом силами 100 строителей (узкое место — фундамент). По Густафсону с добавлением рабочих мы строим целый жилой микрорайон за то же самое время.

3. Критерии оценивания по 4-балльной матрице

Шкала перевода в академическую отметку:
4 балла — «отлично» (5); 3 балла — «хорошо» (4); 2 балла — «удовлетворительно» (3); 0–1 балл — «неудовлетворительно» (2, выдается резервное задание domashnee_zadanie.html).

4. Регламент проведения занятия (80 и 60 минут)

Оцениваемый практический продукт выполняется очно в аудитории в обоих сценариях: