05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Приказ Высшей аттестационной Комиссии Республики Беларусь от 23 августа 2007г. № 138
 

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

I. Общие методические рекомендации

Предметом дисциплины являются теория, алгоритмы синтеза и анализа элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.

Целью изучения дисциплины является приобретение аспирантами теоретических и практических знаний по методам анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления, по преобразовательным элементам и устройствам, аналоговым элементам и устройствам, формирующим, импульсным и генерирующим элементам, по надежности элементов и устройств, по вопросам оптимизации элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.

В результате изучения дисциплины аспиранты должны:

ЗНАТЬ

  • методы методы анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

  • преобразовательные, формирующие, импульсные и генерирующие элементы и устройства

  • эффективные алгоритмы оптимизации элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

  • расчет надежности элементов и устройств

УМЕТЬ

  • выбрать эффективный алгоритм анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

  • применять современную элементную базу при проектировании устройств вычислительной техники и систем управления

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О

  • современном уровне и перспективах развития элементов и устройств вычислительной техники и систем управления

  • В основу программы положены вузовские дисциплины: «Электронные усилители», «Импульсная техника», «Электронная измерительная техника», «Интегральная схемотехника», «Основы автоматики», «Основы вычислительной техники».

II. Содержание курса

1. Методы анализа и синтеза элементов и устройств

Элементы теории линейных цепей. Основные теоремы.

Методы анализа электрических цепей: матричный, топологический, метод графов.

Анализ нелинейных электрических цепей.

Методы анализа переходных и частотных характеристик. Анализ переходных процессов в линейных и нелинейных электрических цепях.

Методы анализа схем с обратными связями. Виды обратных связей. Методы преобразования схем в ОС. Основы теории обратной связи. Устойчивость устройств с ОС, ее критерии,  меры обеспечения устойчивости. Нелинейные колебания.

Методы синтеза линейных электрических цепей. Основные этапы  синтеза: аппроксимация и реализация требуемых передаточных функций.

2. Преобразовательные элементы и устройства

Преобразователи механических величин. Физические принципы построения. Преобразователи угловых и линейных перемещений, скоростей, ускорений, давлений и напряжений. Тензочувствительные элементы, интегральные тензопреобразователи.

Термоэлектирические преобразователи. Терморезистры, термопары.

Оптоэлектрические преобразователи.

Датчики Холла, магниторезистры,  магнитотранзисторы, магнитные варикапы.

Ультразвуковые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП прямого и уравновешивающего преобразования. АЦП на основе сигма-дельта модуляции. Основные характеристики и параметры.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Принципы построения. Основные характеристики и параметры.

Основы теории погрешности и чувствительности  преобразователей. Методы математического описания чувствительности и точности средств преобразования. Детерминистский и вероятностный методы оценки погрешности. Статические и динамические погрешности преобразования.

3. Аналоговые элементы и устройства

Импульсные усилители. Основные характеристики импульсных усилителей и методы их улучшения. Усилители субнаносекундного и пикосекундного диапазона. Особенности анализа и проектирования.

Широкополосные усилители. Методы улучшения их характеристик.

Усилители постоянных сигналов. Усилители с непосредственной связью. Усилители с коррекцией дрейфа. Усилители с преобразованием сигнала.

Операционные усилители (ОУ). Анализ схем ОУ, их  основные параметры и характеристики. Температурный и временной дрейф. Методы компенсации дрейфа. Устойчивость схем ОУ, их коррекция.

Компараторы, методы повышения чувствительности и быстродействия.

Избирательные усилители и активные фильтры. Резонансные и полосовые LC-усилители. Селективные RC-усилители. Селективные и полосовые усилители на ОУ. Активные фильтры.

Аналоговые умножители и модуляторы. Балансные модуляторы.

Аналоговые ключи. Схема выборки-хранения.

Диэлектрические усилители.

4.Формирующие, импульсные и генерирующие элементы

Формирователи импульсов. Формирующие устройства на линиях задержки.

Триггерные схемы. Основные варианты схем симметричных и несимметричных триггеров на биполярных и полевых транзисторах. Анализ статического режима и переходных процессов.

Регенеративные импульсные устройства. Мультивибраторы, принципы построения и режим работы. Анализ процессов в схемах мультивибраторов. Методы улучшения формы выходных импульсов и повышение скважности импульсов. Ждущий режим работы мультивибраторов. Одновибраторы. Синхронизация и деление частоты.

Генераторы линейно-изменяющегося напряжения и тока. Принципы построения и основные схемные решения. Анализ процессов в базовых схемах, методы повышения линейности. Генераторы синусоидальных колебаний, основные схемные решения, методы повышения стабильности частоты и амплитуды. Генераторы специальных функций. Нелинейное преобразование колебаний. Импульсные устройства на основе интегральных операционных усилителей и логических элементов.

5. Формирование и регистрация данных.

Формирование и регистрация многоканальных данных. Опрос и коммутация каналов. Структуры многоканальных данных. Выбор информации из кадровых и позиционно-ориентированных структур. Временная привязка данных в натурном эксперименте. Формирование и запись кодов времени. Идентификации многоканальной информации.

Организация процессов сортировки, и отображения многоканальных данных .Компьютеризированная организация процессов сбора и обработки многоканальных данных.

6. Цифровые элементы и устройства

Классификация логических элементов. Определение основных статических и динамических параметров и характеристик логических элементов.

Сравнительная оценка современных интегральных логических микросхем.

Принципы построения интегральных триггерных схем, их классификация и основные характеристики.

Типовые интегральные логические узлы; регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы, мультиплексоры, арифметико-логические узлы. Принципы построения и основные характеристики. Системы синхронизации при организации совместной работы узлов.

Интегральные микросхемы запоминающих устройств (ЗУ). Виды интегральных запоминающих устройств. Интегральные схемы оперативных запоминающих устройств с произвольной выборкой и с последовательной выборкой. Интегральные схемы постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Программируемые и перепрограммируемые ПЗУ. Программируемые логические матрицы. Сравнительная оценка современных динамических и статических микросхем ЗУ.

Интегральные микросхемы ассоциативных ЗУ, принципы построения.

Представления о новых разработках микросхем запоминающих устройств: ЗУ на приборах с зарядовой связью, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах. Голографические ЗУ.

Микропроцессоры. Определение и назначение. Блок-схема типового микропроцессора, принцип действия. Основные характеристики и параметры. Обработка прерываний. Многозадачность, аппаратные средства поддержки многозадачности. Виртуальная память, аппаратные средства поддержки виртуальной памяти. Принцип микропрограммного управления. Прерывания программ. Организация и распределение оперативной памяти в ПЭВМ. Стандарты расширенной памяти ПЭВМ. Системный таймер, структура, функционирование и использование таймера в ПЭВМ. Аппаратная и программная поддержка работы клавиатуры в ПЭВМ. Видеоадаптеры в ЭВМ, режимы работы, организация экранной памяти.

Размещение информации на гибком и жестком магнитных дисках. Организация прямого доступа к памяти ПЭВМ. Назначение и функционирование контроллера прерываний в ПЭВМ. Обработка внешних аппаратных прерываний.

Проблемно-ориентированные вычислительные средства Процессор цифровой обработки сигналов: гарвардская архитектура, организация памяти.

7. Элементы цифровой обработки сигналов

Дискретные преобразователи Фурье. Дискретное преобразование Фурье длины N. Свойства дискретного преобразования Фурье. Циклическая свертка. Вычисление дискретного преобразования Фурье. Элементы теории. Алгоритм вычисления спаренного преобразования Фурье. Алгоритм преобразования двойной длины. Алгоритм вычисления обратного преобразования Фурье. Обратное преобразование Фурье двух функций. Вычисление обратного преобразования Фурье посредством прямого дискретного преобразования Фурье. Алгоритм быстрого пребразования Фурье (БПФ). Алгоритмы БПФ с прореживанием по времени и по частоте. Вычислительная сложность алгоритма БПФ. Схемы алгоритма БПФ.

Цифровые фильтры. Конструкции цифровых фильтров. Синтез цифровых фильтров. Эффект квантования. Обобщенная линейная фильтрация. Системы многоступечатой дискретизации сигнала. Децимация с целым коэффициентом компрессии М. Итерполяция (обратная децимация) с целым коэффициентом М экспандера частоты. Децимация с рациональным коэффициентом компрессии. Приведение двух выборок сигнала с разными частотами дискретизации к общей частоте дискретизации. Синтез цифровых нерекурсивныхфильтров на базе фильтров дециматоров и интерполяторов: метод Беланжера, метод Рабинера и Крошьера.

8. Проектирование контролепригодных цифровых узлов ЭВМ.

Управляемость, наблюдаемость и тестируемость цифровых схем. Практические правила для упрощения задачи проведения тестового эксперимента. Проектирование контролепригодных комбинационных схем. Разложение Рида-Маллера, трехуровневое ИЛИ-И-ИЛИ проектирование. Проектирование легкотестируемых ПЛМ. Проектирование контролепригодных последовательностных схем. Методы сканирования состояний элементов памяти. Метод LSSD. Метод произвольного сканирования. Проектирование СБИС по методу граничного сканирования.

Методы построения тестов. Метод активизации одномерного пути. Метод активизации многомерного пути. Булево-дифференциальный метод построения тестов. Метод эквивалентных нормальных форм. Метод случайного поиска. Особенности построения тестов для последовательностных схем. Методы компактного тестирования. Обобщенная структура компактного тестирования. Метод счета единиц. Синдромное тестирование. Вероятностное тестирование. Исчерпывающее тестирование. Сигнатурный анализ. Достоверность сигнатурного анализа. Организация процедуры диагностирования с использованием сигнатурного анализа. Построение многоканальных сигнатурных анализаторов.

Тестирование запоминающих устройств. Модели неисправностей ОЗУ. Неисправности ОЗУ. Тесты типа N, N,N3/2 , и их сравнительная характеристика. Повышение надежности ОЗУ. Структурное, временное и информационное резервирование. Построение тестов для микропроцессоров и микро-ЭВМ. Функциональное тестирование микропроцессоров. Метод Татта-Абрахама. Метод тестирования секционных микропроцессоров. Метод самотестирования микропроцессоров и микро-ЭВМ. Проектирование самотестирующихся цифровых узлов. Аппаратная реализация генераторов тестов и анализаторов выходных реакций. Универсальные модули для организации самотестирования цифровых узлов. Модуль BILBO. Самотестируемые ОЗУ. Стендовое оборудование. Внутрисхемный контроль. Ложе из гвоздей. Параметрический контроль.

9. Элементы источников питания

Основные параметры и характеристики источников питания, основные пути обеспечения высоких эксплуатационных показателей. Стабилизаторы напряжения линейного типа. Параметрические стабилизаторы. Стабилизаторы напряжения и тока с обратной связью. Принципы построения. Основные характеристики и параметры. Пути и методы повышения эксплуатационных показателей. Импульсные стабилизаторы напряжения. Принципы построения, основные характеристики. Преобразователи постоянного напряжения. Принципы построения и характеристики. Эталонные источники напряжения и тока. Состояние и перспективы интегрального исполнения источников питания.

10. Надежность элементов и устройств

Устойчивость элементов и устройств к внешним воздействиям. Характеристики климатических воздействий. Механическая прочность. Радиационная стойкость элементов и устройств. Виды воздействующих излучений: корпускулярные,  квантовые, волновые. Обратимые и остаточные эффекты. Изменение параметров пассивных и активных компонентов под действием радиации. Пути повышения радиационной стойкости элементов и устройств.

Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронных элементов, устройств и систем. Испытания на электромагнитную совместимость и безопасность в лабораторно-стендовых и в  условиях сложного натурного эксперимента. Методы и средства повышения электромагнитной совместимости и безопасности.

Надежность элементов и устройств, ее количественные характеристики. Внезапные и постепенные отказы. Влияние электрических и тепловых режимов на их надежность. Методы повышения надежности. Ускоренные методы повышения испытаний на надежность.

Методы диагностики и прогнозирования отказов элементов и устройств. Статистические и экспериментальные методы оценки отказов. Влияние шумовых, переходных, тепловых и других явлений и воздействий на надежность элементов и устройств. Компоновка устройств, линия связи. Обеспечение электромагнитной совместимости и тепловых режимов.

11. Оптимизация элементов и устройств

Расчет разброса параметров устройств. Детерминированные методы расчета. Варианты расчета на наихудший случай. Численные вероятностные расчеты. Оценка точности. Сравнение методов вероятностного расчета.

Оптимизация элементов и устройств. Формулировки задачи оптимального расчета. Алгоритмы одновременного поиска. Одновременный поиск при наличии ограничений и в многоэкстремальных задачах. Простейшие методы многомерного поиска без ограничений. Методы сопряженных направлений. Алгоритмы случайного поиска. Поиск в многоэкстремальных задачах. Многомерный поиск при наличии ограничений. Методы штрафных функций.

Поиск экстремума унимодальных функций. Методы дихотомии, Фибоначчи. Оптимизация обработки массивов информации. Задачи упорядочивания и согласования. «Временные срезы» многоканальных данных. Оптимизация и моделирование устройств и систем сетями Петри. Колмогоровский (событийный) подход к представлению и оптимизации загрузочных параметров и конфигурации сложных устройств и систем.

12. Принципы искусственного интеллекта при анализе и оптимизации элементов и устройств.

Искусственный нейрон .Виды активационноых функцией и искусственных нейронных сетей. Персептронная представляемость искусственного нейрона. Алгоритм обучения персептрона. Нейроконтроллер. ПИД-нейроконтроллер с самоорганизацией. Нейроэмуляция.

III. Основная литература

  1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, М., «Энергия», 1977.

  2. Белецкий В.В. Теория и практические методы резервирования радиоэлектронной аппаратуры. М., «Энергия», 1977.

  3. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов. – С.-Петербург: Политехника, 1998.

  4.  Трофимов А.И. и др. Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. Линейные стационарные и нестационарные модели:  Учеб. для вузов / А.И.Трофимов, Н.Д.Егулов, А.Н.Дмитриев; Под ред. К.А.Пупкова. – М.: Энергоатомиздат, 1997.

  5. Афанасьев В.Н. и др. Математическая теория конструирования систем управления: Учеб. для вузов / В.Н.Афанасьев, В.Б.Калмановский, В.Р.Носов. – 2-е изд., доа. – М.: Высш.шк., 1998.

  6. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов / В.Н.Брюханов, М.Г.Косов, С.П.Протопов и др.; под ред. Ю.М.Соломенцева. – 2-е изд., испр. – М.: Высш.шк., 1999.

  7. Компьютеры на СБИС: В 2-х кн. Кн. 1, Кн. 2: Пер. с япон./ Мотоока Т., Томита С., Танака Х. И др. – М.: Мир, 1988.

  8. Киносита К., Асада К., Карацу О. Логическое проектирование СБИС: Пер. с япон. – М.: МИР, 1988.

  9. Морисита И. Аппаратные средства микроЭВМ: Пер. с япон. – М.: МИР, 1988.

  10. Строганов Р.П. Управляющие машины и их применение. Учебное пособие для вузов. М., Высшая школа, 1986.

  11. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника.- Мн. Дизайн ПРО, 2000. - 352 с.

  12. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы.-Мн.: Выш. шк.. 1999._415с.

  13. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник/ А.Г.Остапенко, С.И.Лавлинский, А.Б.Сушков и др.; Под ред. А.Г.Остапенко. -М.: Радио и связь, 1994 - 264с.

  14. Шпаковский Г.И. Параллельные микропроцессоры для цифровой обработки сигналов и медиа данных. – Мн.: БГУ, 2000. 196с.

  15. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., Мир, 1976.

  16. А.В.Оппенгейм, Р.В.Шафер. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Связь, 1979.

  17. А.Е.Верешкин, В.Я.Катковник. Линейные цифровые фильтры и методы их реализации. - М.: Советское радио, 1973.

  18. А.П.Горяшко. Синтез диагностируемых схем вычислительных устройств. – М.: Мир, 1987.

  19. Ю.В.Малышенко, В.П.Чипулис, С.Г.Шаршунов. Автоматизация диагностирования электронных устройств. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

  20. Кудрявцев Е.М. Исследование операций в задачах, алгоритмах, программах.– М.:Радио и связь, 1984.–184 с.

  21. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. –М.: Наука, 1980.–288 с.

  22. Поспелов Д.А. Искусственный интеллект. –М.: Радио и связь. 1990, в 3 кн.

  23. K.K. Parhi. VLSI digital signal processing systems: design and implementation. –NY.: Wiley&Sons, 1999. – 784p.

  24. Programmable digital signal processors: architecture, programming, and applications. – edited by Yu Hen Hu. – NY.: Marcel Dekker, Inc. -2002. -430p.

  25. U.Meyer-Baese. Digital signal processing with field programmable arrays. – Berlin, Springer. – 2004. – 526p.

  26. S.M.Kuo, B.H.Lee, M.Tian. Real-time digital signal processing: implementations and applications. –NY.: Wiley&Sons, 2006. – 646p.

IV. Дополнительная литература

  1. В.В.Витязев. Цифровая частотная селекция сигналов. - М.: Радио и связь, 1993.

  2. Л.М.Гольденберг и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М.Гольденберг, Б.Д.Матюшкин, М.Н.Поляк. - М.: Радио и связь, 1985.

  3. В.Н.Ярмолик. Контроль и диагностика цифровых узлов ЭВМ. Мн.: Наука и техника, 1988.

  4. А.А.Петровский. Методы и микропроцессорные средства обработки широкополосных и быстропротекающих процессов в реальном времени. – Мн.: Наука и техника, 1988.

  5. Зайка В.А. Системы ввода-вывода в натурном эксперименте.–Мн.: Навука i тэхнiка, 1993.–167с.

  6. Применение цифровой обработки сигналов / Под. ред. А.В.Оппенгейма. - М.:Мир, 1980.

  7. Mulgrew B., Grant P., Thompson J. Digital signal processing: concepts and applications, Macmillan press Ltd, 1999.

  8. McClellan J.H., Schafer R.W., Yoder M.A. DSP first: a multimedia approach, N.J., Prentice-Hall, 1998.

  9. Proakis P.G., Manolakis D.G. Digital signal processing: principles, algorithms, and applications, N.J., Prentice-Hall, 1996.

  10. Crochiere R.E., Rabiner L.R. Multirate digital signal processing, Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1983.

  11. Vaidyanathan P.P. Multirate Systems and Filter Banks, Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1993.

  12. Burrus C.S., McClellan J.H., Oppenheim A.V. and etc. Computer-based exercises for signal processing using Matlab, N.J., Prentice-Hall, 1994.

  13. Chassaing R. Digital signal processing with C and the TMS320C30, New York, John Wiley & Sons, 1992.

  14. Сигеру Омату, Марзука Халия, Рубис Юсехор. Нейроуправление и его приложения.Кн.2. Под ред. А.И. Галушкина, В.А. Птичкина.- М.: ИПРЖР. 2000г.- 272 с. Серия: Нейрокомпъютеры и их применение.

  15. Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. Перевод.:  Ю. А. Зуев, В.А. Точенов. - М. 1992.

  16. Д.Рутковская, М.Пилиньский, Л.Рутковский. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. –М.: Горячая линия – Телеком. – 2004. – 383с.

  17. Speech enhancement. – edited by J.Benesty, S.Makino, J.Chen. – NY.: Springer-2005. -406p.

  18. P.Vary, R.Martin. Digital speech transmission. –NY.: Wiley&Sons, 2006. – 625p.