Технологическая карта: Занятие 19 «Многопрограммная работа ЭВМ. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы»

Сценарий и дидактическая структура учебного занятия. Хронометраж: базовый регламент (80 минут) и сокращённый регламент (60 минут). Очное выполнение оцениваемых заданий предусмотрено в обоих сценариях.

1. Паспорт учебного занятия

Тема занятия Многопрограммная работа ЭВМ. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы
Дидактическая цель Формирование у обучающихся устойчивых знаний по архитектурным парадигмам параллелизма (многопрограммность ОС, многопроцессорные системы SMP/ccNUMA, слабосвязанные кластеры MPI), освоение аппаратных механизмов кэш-когерентности (протокол MESI, ложное разделение данных False Sharing) и расчетно-аналитическое обоснование спецификации вычислительного оборудования под прикладные задачи.
Задачи занятия Обучающие: изучить аппаратные уровни параллелизма (ILP, DLP, TLP); выявить физические различия изоляции памяти и механизмов обмена данными между ОС, SMP и кластерами; освоить состояния и переходы протокола MESI; изучить архитектуру кластерных интерконнектов (Ethernet, RoCE v2, InfiniBand) и технологию RDMA; закрепить расчет масштабируемости по законам Амдала и Густафсона-Барсиса.
Развивающие: развить аналитические навыки выявления узких мест масштабирования (латентность сети, штрафы NUMA, кэш-когерентность), навыки обоснованного выбора аппаратных конфигураций под специализированные задачи.
Воспитательные: сформировать профессиональную культуру ответственного проектирования аппаратных систем и экономически обоснованного выбора оборудования.
Оценочная точка Индивидуальный продукт: сравнительная схема моделей параллелизма плюс тренировочный расчетно-аналитический кейс в интерактивном бланке zanyatie.html на 4 балла (корректность таблиц и расчетов — 2 б., объяснение принципов MESI и интерконнекта — 1 б., проверка кейса по варианту — 1 б.). Оцениваемая работа выполняется очно как в 80-минутном, так и в 60-минутном регламенте.
Оборудование Персональный компьютер преподавателя с мультимедийным проектором, персональные компьютеры обучающихся с современным веб-браузером, локальный методический комплекс HTML-материалов.

2. Поэтапный сценарий учебного занятия (80 минут / 60 минут)

Этап и время (80 / 60 мин) Дидактическая задача Деятельность преподавателя Деятельность обучающихся Контроль и фиксация результата
1. Вводный этап
5 мин / 5 мин		 Организация внимания, проблематизация темы, постановка учебных задач Приветствует учащихся, проверяет готовность рабочих мест. Формулирует проблему: почему частота одиночных ядер не растет и зачем объединять процессоры в SMP и кластеры? Ставит цели занятия. Включаются в диалог, формулируют гипотезы об энергопотреблении и пределе частоты, записывают тему в тетради. Устные ответы на проблемные вопросы преподавателя.
2. Изложение нового материала
25 мин / 18 мин		 Формирование фундаментальных знаний по многопрограммности, SMP, MESI и кластерам Демонстрирует слайды 1–13 презентации. Объясняет различия процессов и потоков, цену переключения контекста (TLB), структуру SMP и ccNUMA, протокол MESI, ложное разделение False Sharing, модель MPI и интерконнекты InfiniBand/RoCE. В 60-мин регламенте концентрируется на MESI и интерконнектах. Конспектируют таблицу состояний MESI, схему шинного снупинга, сравнительные задержки интерконнектов Ethernet vs InfiniBand, формулы масштабирования. Промежуточный опрос по состояниям строки кэша в протоколе MESI.
3. Демонстрационный разбор
10 мин / 7 мин		 Демонстрация методики анализа кэш-когерентности и расчета масштабируемости Разбирает на доске эталонную задачу: поведение кэша при чтении из состояния Modified и расчет ускорения по Амдалу/Густафсону для $n=8$ узлов. Показывает выявление эффекта False Sharing. Следят за логикой решения, задают уточняющие вопросы, сопоставляют формулы Strong Scaling и Weak Scaling. Корректность ответов на уточняющие вопросы преподавателя.
4. Самостоятельная работа
30 мин / 22 мин		 Очное индивидуальное выполнение оцениваемых заданий практикума Организует самостоятельную работу в интерактивном бланке zanyatie.html по 4 вариантам кейсов. Консультирует обучающихся, контролирует самостоятельность расчетов. В 60-мин регламенте базовые задания и расчет кейса выполняются очно, углубленный аналитический подпункт завершается самостоятельно. Заполняют сравнительную таблицу моделей параллелизма, матрицу переходов MESI, рассчитывают ускорение по Амдалу/Густафсону, выявляют узкие места и обосновывают конфигурацию оборудования под свой вариант. Промежуточный визуальный контроль экранов, проверка локального сохранения данных.
5. Итоговый контроль и рефлексия
10 мин / 8 мин		 Анализ выполнения, разбор типичных дефектов, инструктаж по сохранению и резервному заданию Разбирает типичные ошибки (неправильный статус кэша при записи, нереалистичный выбор интерконнекта). Поясняет открытую 4-балльную шкалу. Дает инструкцию по экспорту PDF. Напоминает регламент резервного ДЗ domashnee_zadanie.html. Проводят критериальную самооценку по 4-балльной матрице, экспортируют электронный PDF-документ бланка с решениями. Фиксация сохранения PDF-бланков студентами, выставление предварительных отметок.

3. Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение