Вычислительные машины и системы

ВЫСШАЯ АТТЕСТАЦИОННАЯ КОМИССИЯ
Утверждено
постановлением президиума
ВАК Беларуси
от "_13" 06_2003__ № 13/1
ПРОГРАММА – МИНИМУМ ПО
СПЕЦИАЛЬНОСТИ 05.13.15
«ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ»
Минск-2002
УТВЕРЖДЕНО
Первый заместитель Министра
образования Республики Беларусь
_____________________А.И.Жук
"____"__________200__г.
УТВЕРЖДЕНО
Проректор по научной работе БГУИР
____________________Муравьев В.В.
"___"______________________2001г.
РЕКОМЕНДОВАНО
К УТВЕРЖДЕНИЮ
Экспертный совет № ____
(протокол от "__"______2001, №___)
Председатель экспертного совета
___________________
Разработчики
Садыхов Р.Х., д.т.н., профессор,
зав. кафедрой ЭВМ БГУИР,
Лосич В.А., к.т.н., доцент кафдры
ЭВМ БГУИР,
Луцик Ю.А., к.т.н., доцент кафедры
ПОИТ БГУИР
Радишевский В.А., к.т.н., доцент
кафедры ЭВМ БГУИР
СОГЛАСОВАНО
Председатель совета Д 02.15.04
____________________ Ярмолик
В.Н.
"___"_________________2001
Одобрено на заседании кафедры ЭВМ БГУИР
(протокол от "_2__"___05_____2001 г. №_32__)
Зав.кафедрой_________________ Садыхов Р.Х.
Рецензенты: научно-технический совет по информатике и
вычислительной технике
(протокол от «____» ________ 2001г. №____)
Председатель совета________________В.Н.Ярмолик
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Целью изучения программы является подготовка специалистов в области вычислительных машин и систем, способных самостоятельно решать задачи проектирования вы-
числительных машин и компьютерных систем различного уровня сложности, а также эффективно выполнять научные исследования в данной области.
2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
2.1 Основы высшей математики
2.1.1. Алгебра.
Множества и отношения. Операции над множествами. Мощность множества. Отношения. Отношения эквивалентности и порядка. Группа. Поле. Кольцо многочленов.
Числовые поля. Основная теорема алгебры. Линейное (векторное) пространство. Линейная зависимость. Размерность. Базис. Координаты. Линейные подпространства.
Матрицы и линейные операторы. Матрицы оператора. Операции над матицами.
Транспонирование. Обратная матрица. Переход к другому базису. Определители и их
свойства. Системы линейных алгебраических уравнений. Условия существования и
единственности решений.
2.1.2. Геометрия.
Метрическое пространство. Сходимость в метрическом пространстве. Полнота. Топологическое пространство. Замыкание и граница множества. Связность. Компактность.
Евклидово пространство. Скалярное произведение векторов. Длина вектора. Угол
между векторами. Ортогональность Процесс ортогонализации. Уравнение прямой и
плоскости. Расстояние от точки до прямой и плоскости. Кривые второго порядка.
Приведение к каноническому виду. Кривые на плоскости: касательная, нормаль, кривизна. Длина кривой.
2.1.3. Теория вероятностей и математическая статистика.
Вероятностное пространство. Случайные величины, функции и плотности распределения. Условные вероятности. Моменты случайных величин. Математическое ожидание и дисперсия. Независимые случайные величины. Дисперсия суммы зависимых
случайных величин. Многомерные случайные величины и их функции распределения.
Многомерное нормальное распределение. Ковариация и коэффициент корреляции.
Предельные теоремы теории вероятностей. Неравенство Чебышева. Закон больших
чисел. Центральная предельная теорема.
Случайные процессы (случайные функции). Статистическое моделирование случайных процессов. Стационарные случайные процессы. Марковские процессы. Цепи
Маркова. Основные задачи математической статистики: оценивание параметров и
проверка гипотез. Общие свойства оценок. Методы нахождения оценок. Метод максимального правдоподобия. Оценки математического ожидания, дисперсии, ковариационной матрицы. Линейные регрессионные модели. Метод наименьших квадратов.
Свойства МНК-оценок. Проверка гипотез о распределениях по критериям «хи квадрат» и Колмогорова-Смирнова.
2.1.4. Исследование операций.
Предмет и цели исследования операций. Основные понятия и принципы. Математические модели операций. Разновидности задач исследования операций и подходов к
их решению. Прямые и обратные задачи исследования операций. Линейное программирование. Задачи линейного программирования. Транспортная задача. Задача целочисленного программирования. Основные понятия о нелинейном программировании.
Метод и задача динамического программирования в общем виде. Принцип оптимальности. Теория массового обслуживания (ТМО). Задачи ТМО. Классификация систем
массового обслуживания (СМО). Схема гибели и размножения. Характеристики
СМО: одноканальная СМО с неограниченной очередью; одноканальная с ограниченной очередью.
Многокритериальные задачи принятия решений. Основные группы методов решения многокритериальных задач. Проблема выбора решения в условиях неопределенности. Игровые методы обоснования решений.
2.1.5. Теория графов.
Графы. Типы графов. Маршруты и связность. Степени. Экстремальные графы. Операции над графами. Деревья. Описания деревьев. Центры и центроиды. Независимые
циклы и коциклы. Связность, реберная связность, разбиения. Плоские и планарные
графы. Характеристики планарных графов. Описание графов матрицами связности и
инциндентности. Перечисления. Помеченные графы. Перечисления графов, деревьев.
Орграфы. Орграфы и соединимость. Орграфы и матрицы.
2.2 Основы вычислительной техники
2.2.1. Логические и арифметические основы вычислительной техники.
Общие сведения об информации. Формы представления информации. Системы счисления
в ЭВМ. Кодирование чисел для выполнения арифметических операций в ЭВМ. Машинные алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления чисел в ЭВМ. Методы ускорения выполнения арифметических операций в ЭВМ. Двоично-десятичные коды. Выполнение арифметических операций над числами в двоично-десятичных кодах. Одноразрядный двоично-десятичный сумматор. Основные понятия и законы булевой алгебры. Системы функций алгебры логики, функционально-полный базис. Методы минимизации булевых функций. Метод Квайна (Квайна — Мак-Класки). Метод минимизирующих карт Вейча (Карно). Минимизация функций в базисах Шеффера и Пирса. Минимизация неполностью определенных (частичных) функций. Применения законов и правил алгебры логики
на примерах синтеза некоторых цифровых устройств вычислительной техники. Элементы
теории конечных автоматов. Канонический метод синтеза автомата с памятью. Синтез
микропрограммного автомата (МПА) по граф-схеме алгоритма. Методы декомпозиции
при синтезе МПА. Гонки. Риск сбоя. Синхронизация автоматов.
2.2.2. Схемотехника.
Базовые логические элементы цифровых интегральных схем ТТЛ-, ЭСЛ-, И2Л-, МДП- и
КМДП- типов: схемы, назначение компонентов, принцип работы, определение потенциалов в различных точках схем, параметры, характеристики, временные диаграммы, область
применения. Цифровые интегральные схемы на основе арсенида галлия и оптоэлектронные схемы. Стандартные функциональные узлы вычислительной техники: шифраторы,
дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, АЛУ, преобразователи кодов, схемы
свертки по модулю 2, триггеры, регистры, счетчики и пересчетные устройства. Оперативные запоминающие устройства статического и динамического типов на биполярных и
МДП- структурах, схемы запоминающих элементов. Постоянные масочные, однократно
программируемые и репрограммируемые ПЗУ. Программируемые логические матрицы и
программируемые матрицы логики. Перспективные направления развития запоминающих
устройств.
Элементы аналоговых устройств. Операционные усилители: основные параметры и характеристики, использование в устройствах линейной и нелинейной обработки сигналов.
Аналоговые ключи и коммутаторы. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Системы сбора и обработки данных.
2.2.3. Основы технической диагностики вычислительных устройств.
Модели неисправностей вычислительных устройств. Типовые задачи и мнтоды моделирования неисправностей. Детерминированные методы синтеза тестов комбинационных
схем. Функциональное тестирование типовых узлов и микропроцессоров. Модели неисправностей ОЗУ. Алгоритмы функционального тестирования ОЗУ. Методы компактного
тестирования. Сигнатурный анализ. Типовые схемы сигнатурных анализаторов. Досто-
верность сигнатурного анализа. Генераторы тестов. Генераторы псевдослучайных последовательностей. Средства самотестирования BILBO. Понятия управляемости и наблюдаемости. Правила тестопригодного проектирования. Методы синтеза тестопригодных комбинационных схем. Методы тестопригодного проектирования на основе сканирования регистров сдвига. Методы LSSD, теневого регистра, граничного сканирования. Стандарт
JTAG.Методы обеспечения отказоустойчивости. Способы структурного резервирования.
Коды Хемминга.
2.3 Архитектуры вычислительных машин и систем
2.3.1. Структурная и функциональная организация.
Организация ввода-вывода в компьютерных системах. Структурная схема и временные
диаграммы при обмене данными между процессором и УВВ. Последовательный вводвывод. Синхронный и асинхронный обмен данными. Прерывания программ. Система обработки прерываний с программным опросом. Векторная система обработки прерываний.
Организация компьютерной памяти. Проектирование схем статического и динамического
ЗУ. Организация прямого доступа к памяти. Структурная схема и алгоритм обмена ВУ через ПДП с памятью компьютера. Ассоциативная, стековая и КЭШ-память компьютерных
систем. Архитектура компьютерных устройств. Система команд компьютера. Форматы
команд. Структура аппаратных средств для выполнения основных типов команд. Методы
адресации операндов.
2.3.2 Архитектура ПЭВМ.
Принципы построения ПЭВМ. Шинная архитектура. Структурная организация памяти
ПЭВМ. Расширенная и отображаемая память. Страничный режим. Логическая организация памяти ПЭВМ. КЭШ - память. Подсистема прерываний ПЭВМ. Системный таймер
ПЭВМ. Клавиатура ПЭВМ. Видеоадаптеры ПЭВМ. Дисковая подсистема ПЭВМ. Размещение информации на диске. Интерфейсы ввода-вывода ПЭВМ. Последовательный и
параллельный интерфейс.
2.3.3. Мультимикропроцессорные системы.
Архитектура и система команд микропроцессора фирмы Intel. Система прерываний. Контроллер клавиатуры и индикации. Программируемый таймер. Прямой доступ к памяти.
Структура микроконтроллера серии 1816. Память микроконтроллера серии 1816. Организация ввода/вывода в микроконтроллере серии 1816. Прерывания в микроконтроллере
серии 1816. Таймер-счетчик микроконтроллера серии 1816. Подключение внешней памяти программ и данных к микроконтроллеру серии 1816.
Организация параллельной обработки информации. Многопроцессорные вычислительные
комплексы: принципы организации параллельной обработки информации, назначение и
классификация МПВК, МПВК с общей шиной, МПВК с перекрестной коммутацией,
МПВК с многовходовыми ОЗУ.
Многопроцессорные вычислительные комплексы. Матричные и однородные вычислительные системы. Ассоциативные вычислительные системы и системы с управлением
от потока данных. Конвейерные вычислительные системы. Нейросети и нейрокомпьютеры.
2.3.4. Системное программное обеспечение ЭВМ.
Понятие процесса. Задачи управления процессами. Понятие ресурса. Концепция виртуализации ресурсов. Файловая система и их разновидности. Планирование вычислительных процессов. Понятие компилятора. Типы компиляторов. Т-диаграммы. Нотации Бекуса-Наура. Общая структура компилятора. Лексический и синтаксический анализ. Грамматики. Классификация грамматик по Хомскому. Грамматики типа LL(n), LR(n). Регулярные выражения. Использование регулярных
выражений при построении лексического анализатора. Метод
рекурсивного спуска и его применение при по-
строении синтаксического анализатора. Средства автоматизации разработки компиляторов – программы LEX и JACC. Понятие Ассемблера. Типы Ассемблеров. Понятие виртуальной машины. Задачи синхронизации процессов. Механизмы межпроцессного взаимодействия.
2.3.5. Глобальные и локальные вычислительные сети.
Общие понятия о вычислительных сетях: назначение, обобщенная структура и основные
характеристики вычислительных сетей, классификация и топология сетей, понятие процессов в вычислительных сетях и их взаимодействие при функционировании сети, уровни
управления, протоколы и интерфейсы в вычислительных сетях(модель OSI/ISO), стеки
протоколов, распределение основных функций управления по системам сети. Задачи и типы протоколов высокого уровня, протокол виртуального терминала, протокол передачи
файла, протокол удалённого ввода заданий, сеансового уровня управления, электронной
почты и административного управления, защита данных и идентификация пользователей
в вычислительных сетях. Общие сведения об ЛВС: определение, классификация, топология и уровни управления в ЛВС, каналы и физические сигналы, используемые в ЛВС для
передачи данных, уровни управления логическим и физическим каналами в ЛВС. Протоколы канального уровня локальных сетей: протоколы семейства Ethernet, протоколы семейства Token Ring, протоколы FDDI, Fast Ethernet, 100 VG-AnyLAN.
2.3.6. Системы цифровой обработки сигналов и изображений.
Алгоритм быстрых преобразований сигналов в базисах Фурье, Уолша, Хаара. Задачи анализа и синтеза сигналов. Виды сигналов и их особенности. Теоремы сдвига и корреляции,
свертки, линейности и комплексной сопряженности для временных последовательностей.
Алгоритм вычисления оценок ковариационной и взаимной ковариационной функций. Методы вычисления авто и взаимного спектра мощности случайного процесса. Классификация детерминированных и случайных процессов. Ортогональность сигналов. Теорема
Парсеваля.
Изображение. Получение изображения. Метрические свойства для изображения. Сегментация изображений посредством выделения границ области. Метод пространственной области для предварительной обработки изображений. Сжатие данных. Задача распознавания образов. Основные этапы распознавания. Принцип обучения в системах распознавания. Классификация нейросетевых систем. Виды пороговых функций в нейросети. Обучающий алгоритм для персептрона. Обобщенный алгоритм персептрона. Классификаторы
для распознавания 2-х, 3-х, 4-х, k классов образов по критерию наименьшего среднеквадратичного расстояния.
Нейронные сети Хопфилда, Хемминга. Сети встречного распространения. Структура системы распознавания с применением ортогональных преобразований.
3. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Шпаковский Г.И. Архитектура параллельных ЭВМ: Учебное пособие для ВУЗов. Мн.:Университетское, 1989. -192с.
2. Савельев А.Я. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. М.: Высшая
школа, 1980.
3. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия.
4. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов. М. Высшая школа, 1981.
5. Лысиков Б.Т. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. М. 1980.
6. Схемотехника ЭВМ. Учебник для студентов ВУЗов по специальности ЭВМ./Под
ред.Г.Н.Соловьева. -М.: Высшая школа, 1985.
7. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие
/С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Л.И.Нисельсон и др. Под ред. С.В.Якубовского. 2-е изд., М.: Радио и связь, 1985.
8. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. Учебное пособие для студентов
ВУЗов. /Под ред. И.П.Степоненко. -М.: Радио и связь, 1982.
9. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. -М.:
Мир, 1982.
10. Мулярчик С.Г. Интегральная Схемотехника (Функционально-логический уровень). М.: Изд.БГУ, 1983.
11. Федорков Г.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифроаналоговые и
аналого-цифроые преобразователи. -М.: Радио и связь, 1984.
12. Вишняков В.А., Петровский А.А. Системное обеспечение микроЭВМ. -Мн. Вышэйшая
школа, 1989.
13. Скляров В.А. Программное и лингвистическое обеспечение персональных ЭВМ: Новые системы: Справ.пособие. -Мн.: Выш.шк., 1992. -334с.
14. Венгер В.А. и др. Аппаратура персональных компьютеров и ее программирование.
IBM PC/XT/AT и PS/2. -М.: Радио и связь, 1995.
15. Руководство по архитектуре IBM PC AT/ Ж.К.Голенкова, А.В. Заблоцкий,
М.Л.Мархасин и др.; Под общ.ред. М.Л.Мархасина. -Мн.:ООО «Консул», 1992.
16. У. Претт. Цифровая обработка изображений, М. Мир, 1982.
4. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев В.Л. Видеосистемы ПК фирмы IBM. -М.: Радио и связь, 1993.
2. Ю.И.Лю, Г.Гибсон. Микропроцессоры семейства 8086/8088. -Радио и связь, 1987.
3. Дж.Фрир. Построение вычислительных систем на базе персональных микропроцессоров. -Мир, 1990.
4. С.Т.Хвощ, Н.Н.Варлинский, Е.А.Попов. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник Л. «Машиностроение», 1987.
5. Каган Б.М., Мкртумян И.Б. Основы эксплуатации ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. .Ярмолик В.Н. Контроль и диагностика цифровых узлов ЭВМ. Мн.: Наука и техника,
1988.
7. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. -Л.: Энергия, 1979.
8. Закревский А.Д. Логический синтез каскадных схем. -М.: Наука, 1981.
9. Щербо В. К. и др. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник. - М.:
Радио и связь, 1990. - 282 с.
10. Олифер Н. А., Олифер В. Г. Коммуникационное оборудование вычислительных сетей.
(Информационно-аналитический обзор.) Часть I. - М.: Центр информационных технологий, 1995. - 197 с.
11. Проблемы построения корпоративных сетей. Методическое пособие. Часть I. - М.:
Центр информационных технологий, 1995. - 168 с.
12. Проблемы построения корпоративных сетей. Методическое пособие. Часть II. - М.:
Центр информационных технологий, 1995. - 186
13. Садыхов Р.Х., Чеголин П.М., Шмерко В.П. Методы и средства обработки сигналов в
дискретных базисах, Мн. 1987.