«СБОРНИК РАБОЧИХ ПРОГРАММ Магистерская программа: Автоматизированные системы обработки информации и управления Содержание Страница М.1.1 Интеллектуальные системы 2 М.1.2 Методы оптимизации 9 М.1.3 Цифровая обработка ...»

СБОРНИК РАБОЧИХ ПРОГРАММ

Магистерская программа: Автоматизированные системы обработки информации и

управления

Содержание

Страница

М.1.1 Интеллектуальные системы 2

М.1.2 Методы оптимизации 9

М.1.3 Цифровая обработка многомерных сигналов 19 М.1.4.1 Сигнальные процессоры и СБИС 26 М.1.4.2 Надежность и электромагнитная совместимость информационных систем 38 М.2.1 Вычислительные системы 49 М.2.2 Технология разработки программного обеспеченья М.2.3 Современные проблемы информатики и вычислительной техники М.2.4 Квантовая информатика М.2.5 Микросхемотехника систем обработки информации М.2.6 Основы теории систем М.2.8.1 Технологии синхронизации процессов в распределенных системах обработки информации М.2.8.2 Цифровые технологии защиты информации М.2.9.1 Интерфейсы периферийных устройств М.2.9.2 Архитектура WEB-приложений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_ Направление подготовки: 230100 Информатика и вычислительная техника Программа подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ"

Цикл: общенаучный Часть цикла: базовая № дисциплины по учебному плану: АВТИ; М.1. Часов (всего) по учебному плану: Трудоемкость в зачетных единицах: 2 семестр – Лекции 36 час 2 семестр Учебным планом не Практические занятия предусмотрены Лабораторные работы 36 час 2 семестр Учебным планом не Расчетные задания, рефераты предусмотрены Объем самостоятельной работы по 36 час учебному плану (всего) Экзамен 2 семестр Учебным планом не Курсовые проекты (работы) предусмотрены Москва -

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является приобретение студентами знаний, умений и навыков для разработки и эксплуатации баз знаний, нечетких технологий и интеллектуальных систем.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);

способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);

применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5);

Задачами дисциплины являются Формирование ядра профессиональных знаний по темам:

представление знаний;

метрология и мера;

нечеткие множества;

семантика объекта;

базы знаний;

сопоставление объектов;

распознавание объектов;

управление процессом;

сертификация программных средств.

Формирование ядра интеллектуальных умений:

формализация объекта и разбиение множества его параметров на множества наблюдений и состояний природы объекта;

на множестве наблюдений и состояний по заданным спецификациям разработка семантики разработка описания эталонов базы знаний и процедур ее формирования и обновления;

разработка прагматических схем: сопоставления и распознавания объектов;

формализация системы управления процессом с описанием контура, параметров и условий управления;

разработка базы знания управления процессом;

формализация интерфейса программы;

разработка эталонов базы знаний для сертификации интерфейса программы;

разработка процедур сертификации интерфейса программы.

Формирование ядра профессиональных умений:

разработка семантика объекта;

разработка, обновление и эксплуатация базы знаний;

разработка технологий сопоставления и распознавания объектов;

разработка и эксплуатация систем нечеткого управления процессом;

разработка и эксплуатация систем сертификации интерфейсов программ.

Формирование следующих навыков:

анализ параметров объекта и его описание в терминах нечеткой технологии;

формирования и обновления базы знаний;

сопоставления и распознавания объектов;

однозначного управления процессом;

устойчивой сертификации интерфейсов программ.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к базовой части общенаучного цикла М.1.1 основной образовательной программы подготовки магистров «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» направления 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Математика», «Информатика», «Базы данных», «Метрология, стандартизация, сертификация».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении выпускной квалификационной работы магистра.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

модели представления и методы обработки знаний, системы принятия решений (ПК-5).

Уметь:

разрабатывать математические модели процессов и объектов, методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ (ОК-2, ПК-5).

Владеть:

способами формализации объектов предметной области;

методами управления знаниями;

методами научного поиска (ОК-1, ПК-1).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

Система сертификации лирующая среда для изучения дисциплины Сопоставление Распознавание Сертификация программных средств 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции Система сертификации знаний (CKS) – обучающая и контролирующая среда для изучения дисциплины.

Путь к знаниям: хаос, информация, данные, знания. Характерные признаки знания.

Модели представления знаний: семантические сети, предикаты, продукции, фреймы, нейросети, вычислительная, нечеткие множества. Факторы выбора и условия применения моделей представления знаний.

Функция распределения: определение и свойства. Метрологическое требование к функции распределения. Метрологическая шкала, требования к измерениям, особенности. Нормировка функций. Метрологическая шкала для измерения значений функции принадлежности экспертным путем. Метрологическая особенность функции распределения по диапазону переменной. Функции в интеллектуальных системах: внешние, внутренние, результатные.

Мера и нечеткая мера: определения, свойства, области применения. Сравнение мер.

Классификация мер. Построение нечеткой меры. Супераддитивные и субаддитивные меры.

Синергизм и антагонизм.

Множества: определение, свойства и операции. Аддитивный класс множеств. Борелевские множества. Области определения функций в теории нечетких множеств.

Теория нечетких множеств: парадигмы, направление развития, области применения, ограничения применимости. Нечеткие множества: определение, свойства, формы записи и представления. Операции над нечеткими множествами.

Функция доверия: определение, свойства, область применения. Правило Демпстера и его применение.

Нечеткие отношения: определение, свойства. Прямая и обратная задачи нечетких отношений.

Нечеткие технологии: определение, фрагменты, области применения.

Формализация объекта: семантика, прагматика и противоречие неопределенностей в них.

Учет причинно–следственной связи наблюдений и состояний. Аддитивность в семантике.

Семантика объекта как набор нечетких множеств. Типизация семантики. Построение семантики объектов в различных областях.

Создание базы знаний: постановка, семантика. Пустая база знаний. Формирование и обновление базы знаний.

Прагматики создание базы знаний: экспертная, процедурная, косвенная.

Сопоставление объектов: постановка, семантика.

Прагматика сопоставления объектов: экспертиза эталонов, порог степени сходства, набор степеней сходства, предельно допустимая ошибка сходства, набор исходов {отказ, однозначные состояния, многозначные состояния}.

Распознавание объектов: постановка, семантика.

Прагматика распознавания объектов: экспертиза эталонов, порог степени сходства, набор степеней сходства, предельно допустимая ошибка сходства, набор исходов {отказ, однозначные состояния}.

Определение процесса и постановка задачи управления. Выбор характерного процесса и традиционный подход к решению задачи управления. Нечеткий подход к решению задачи управления.

Обучение базы знаний управления: постановка, семантика, прагматика.

Эксплуатация базы знаний управления: постановка, семантика, прагматика.

17. Сертификация программных средств Сертификация программных средств: постановка, семантика.

18. Сертификация программных средств Прагматика сертификации программных средств: экспертиза эталонов, порог степени сходства, набор степеней сходства, предельно допустимая ошибка сходства, набор исходов {отсутствие соответствия, частичное соответствие, полное соответствие}.

4.2.2. Практические занятия «Практические занятия учебным планом не предусмотрены».

4.3. Лабораторные работы № 1. Прагматика сопоставления объектов.

№ 2. Создание базы знаний и распознавание объектов.

№ 3. Обучение и эксплуатация базы знаний управления.

№ 4. Сертификация программных средств.

4.4. Расчетные задания Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрены.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием ЭОР «Система сертификации знаний» ( № 447 в реестре ЭОР МЭИ ( ТУ ).

Лабораторные работы проводится на ИВЦ МЭИ ( ТУ ) в обучающей и контролирующей среде CKS ( «Система сертификации знаний» ).

Самостоятельная работа включает изучение теоретического материала а также использование домашнего компьютерного тренажера. Проводится по материалам сайта http://cks.mpei.ru.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Приемка лабораторных работ, зачета и экзамена проводится на ИВЦ МЭИ ( ТУ ) в среде CKS. Оценочные средства CKS – формализованное тестирование знаний по разделам дисциплины и по результату решения задачи на экзамене. Оценка определяется как 5 минус число неправильных ответов, но не менее 2. Заключения CKS регистрируются в базе данных на сервере ИВЦ МЭИ (ТУ).

Аттестация по дисциплине – экзамен.

В приложение к диплому вносится оценка, полученная на экзамене.

7. УЧЕБНО–МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. Заде. Л. А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений. – В кн.: Математика сегодня. М.: Знание, 1974. С. 5 – 49.

2. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. / Под ред. Д. А. Поспелова – М.: Наука, 1986. – 311 с.

3. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения. / Под ред. Р. Ягера. – М.: Радио и связь, 1986. – 405 с.

4. Фадеев Н. Н. Нечеткие технологии. Конспект лекций: учебное пособие. – М.:

Издательский дом МЭИ, 2009. – 40 с.

5. Фадеев Н. Н. Нечеткие технологии. Описание лабораторных работ: методическое пособие.

– М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 40 с.

б) дополнительная литература:

не предусмотрена.

7.2. Электронные образовательные ресурсы.

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

http://cks.mpei.ru.

б) другие:

ЭОР «Система сертификации знаний» ( № 447 в реестре ЭОР МЭИ ( ТУ ).

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и локальная вычислительная сеть для выполнения лабораторных работ.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

«УТВЕРЖДАЮ»:

Зав. кафедрой Вычислительных машин, систем и сетей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_ Направление подготовки: 230100 Информатика и вычислительная техника Программа подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ"

Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является методов целенаправленного поиска и аргументации принимаемых решений в области создания и эффективного применения современных средств вычислительной техники.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК- 1);

к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК- 2);

самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК- 6);

применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5);

Задачами дисциплины познакомить обучающихся c особенностями построения и применения вычислительных систем нового поколения;

показать необходимость выработки и принятия теоретически и практически обоснованных решений;

показать преимущество формализованных методов поискового проектирования в части преодоления неопределенности в выборе и оптимизации проектных решений;

раскрыть возможности совершенствования структурной организации вычислительных систем с типовой архитектурой по совокупности внешних показателей качества;

научить студентов ставить и решать открытые (не полностью определенные) задачи поискового проектирования вычислительных систем с использованием имеющихся инструментальных средств;

закрепить полученные знания подтверждением работоспособности изученных методов посредством проведения натурных испытаний и имитационного моделирования.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к базовой части общенаучного цикла М.1 основной образовательной программы подготовки магистров «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» направления 230100 –«Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Информатика», «Математический анализ», «Алгебра и геометрия», «Программирование», «Вычислительные системы (для бакалавров)», «Моделирование».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении выпускной квалификационной работы магистра, а также при изучении дисциплин:

«Современные проблемы информатики и вычислительной техники», «Вычислительные системы (для магистров)», и «Интеллектуальные системы», «Проблемы организации вычислений».

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате успешного освоения учебной дисциплины, обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования.

Знать:

классификацию и основные методы решения задач: одномерной и многомерной, локальной и глобальной, условной и безусловной, непрерывной и дискретной оптимизации (ОК-1, ОК-2);

источники научно-технической информации (журналы, сайты Интернет) по методам поиска, оптимизации проектных решений (ОК-6);

основные подходы, допущения и принципы нахождения эффективных (не улучшаемых) решений при построении и применении современных вычислительных систем и сетей на различных уровнях детализации (ПК-1, ПК-5,).

Уметь:

осуществлять постановку и выбирать методы решения задач оптимизации (ОК-2);

самостоятельно разбираться в особенностях применяемых методов с учетом полноты исходных данных об исследуемом объекте (ОК-6);

ставить и решать открытые задачи поискового проектирования вычислительных систем (ПК-1);

использовать типовые программы оптимизации при моделировании перспективных средств вычислительной техники (ПК-5).

Владеть:

терминологией в области эффективного применения изучаемых методов и средств навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-3);

способами формализации оптимизационных задач (ОК-6);

применением инструментальных средств решения открытых задач поискового проектирования вычислительных систем, представленных на различных уровнях детализации (ПК-1);

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

Методы оптимизации. Их применения Новые тенденции в оптимизации вычислительных систем нетрадиционные вычислительных систем поискового вычислительных систем Необходимость поиска новых архитектурных Значение методологии поискового проектирования 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Методы оптимизации. Их типизация и области применения Введение Проблема совершенствования качественных показателей сложных объектов и процессов. История зарождения теории оптимизации. Основополагающее значение математических моделей. Замкнутые (закрытые) и открытые модели, получаемые по результатам проводимых исследований. Классификация методов оптимизации по закрытым моделям. Одномерная, безусловная, условная оптимизация. От вариационного исчисления – к математическому программированию. Дискретное и комбинаторное программирование.

Многокритериальная оптимизация и область существования эффективных решений.

Принципы нахождения компромиссных решений. Кажущаяся адекватность применения классических методов оптимизации в повышении качества недоопределенных объектов.

Вычислительная система как «вечно» недоопределенный объект. Возможные подходы к оптимизации вычислительных систем в условиях дефицита знаний.

2. Новые тенденции в построении и оптимизации вычислительных систем Требования,. предъявляемые к организации современных Вычислительных систем (ВС). Многозадачность. Масштабируемость. Отказоустойчивость. Топологическая и функциональная распределённость. Мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Интероперабельность в обеспечении взаимодействия баз данных.

Эволюционные изменения и прорывы вперед в построении персональных и профессиональных компьютеров, кластеров рабочих станций, мэйнфреймов, суперкомпьютерных и метакомпьютерных систем. Параллельные архитектуры : Intel PARAGON, SGI/CRAY T3E, HP 9000 V-class, SGI Origin 2000, NUMA- Q2000, Linux-cluster AVALON, NT Supercluster NCSA и др. примеры. Рост количественных и качественных показателей.

3. Традиционные и нетрадиционные проблемы развития вычислительных систем Проблема инвариантности архитектуры к классу решаемых задач. Проблема системной интеграции вычислительных средств. Проблема сбалансированности конфигурации ВС и др. проблемы. Формирование эмпирических знаний в области создания и эффективного применения ВС—ключевой момент в решении отмеченных проблем.

Проблема активного обобщения опыта. Способы представления необходимого эмпирического знания. Логико-аналитическая модель "удачи". Деревья экспертных заключений и продукционные правила 4. Методология поискового проектирования вычислительных систем Особенности современных ВС как объекта проектирования: неопределенность в задании цели, неаналитичность требований, неколичественное описание внутренних свойств, несвязность области структурных решений, неполнота имеющихся фактов—примеров удачных и неудачных вариантов построения и применения ВС. Общий подход к автоматизированному синтезу искомого знания. Основополагающие понятия поискового (познавательного) проектирования ВС: "Открытая задача", "Поисковое пространство".

Стратегия активного пополнения фактов. Укрупненная блок-схема методологии "открытий".

Представление о теоретическом аппарате решения открытых задач. Принцип структурного дополнения. Правила преобразования поискового пространства. Согласованное решение открытых задач. Сценарии коллективного творчества. Показатели эффективности "открытий". Инструментальные средства поискового проектирования ВС. Решатель открытых задач и рекомендации по его применению.

5. Примеры и приемы поискового проектирования вычислительных систем Начальная стадия поискового проектирования. Выбор архитектуры ВС под заданную область проблемной ориентации. Представление о распределенных промышленных, экономических, торгово-финансовых, образовательных и др. приложениях. Проблема повышения темпа обработки данных. Архитектурные принципы и опыт построения ПМКсети. Программируемый жезл и барьерная синхронизация как механизмы высокоуровневой синхронизации удаленных вычислителей. Конструкции входного языка и особенности подготовки конвейерно-параллельных программ к решению. Эксперименты по оценке эффективности ПМК - сети на реальных задачах.

6. Необходимость поиска новых архитектурных решений.

Альтернатива макро-конвейеризации параллельных вычислений. Схема CoMIMD и ее возможные преимущества. Обобщение “геометрического подхода” С.Чена к оценке инвариантности ВС к классу решаемых задач. Принципы балансировки мультиконвейера.

Вложение схемы CoMIMD в сетевую среду. Понятие параллельной мультикомпьютерной сети (ПМК-сети). Известные зарубежные аналоги ПМК- сетей и метакомпьютерных систем:

MACH, AMOEBA, PVM и др. решения.

7. Возрастающее значение методологии поискового проектирования Направления дальнейшего развития суперкомпьютерных систем. Многопотоковые архитектуры типа CUDA с использованием многоядерных графических ускорителей.

Выдвижение новых проблем организации вычислений на начальном этапе проводимых исследований. Поисковое проектирование – следующий шаг в направлении практической реализации.

4.2.2. Практические занятия:

Практические занятия учебным планом не предусмотрены.

4.3. Лабораторные работы Данный вид занятий служит для лучшего закрепления изучаемой методологии.

Лабораторную базу составляют оригинальные научно-технические разработки, выполненные на кафедре ВМСС МЭИ (ТУ), а именно: Решатель открытых задач, расширенная имитационная модель CoMIMD, действующий макет ПМК- сети.

С использованием указанных средств студенты выполняют следующие работы:

№1. Поисковое проектирование рабочей станции.

№2. Имитационное моделирование Параллельной мультикомпьютерной сети.

№3. Определение области эффективности Параллельной мультикомпьютерной сети.

4.4. Расчетные задания Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Этот вид самостоятельной работы играет центральную роль в изучении дисциплины.

Главная цель – развитие творческих навыков самостоятельной постановки и решения открытых задач. Каждому студенту предоставляется определенная свобода в определении индивидуального задания. Необходимо синтезировать математическую модель, позволяющую выносить аргументированную оценку и, по возможности, открывать новые решения в области организации современных вычислительных систем, сетей и их компонентов. Задание носит междисциплинарный характер, поскольку для его выполнения привлекаются знания других специальных дисциплин, а также личные интересы и устремления студентов. Лучшие творческие работы студентов обсуждаются на заключительной лекции и на зачетном занятии.

Примерные темы курсовых работ:

Поисковое проектирование WEB-сервера электронной коммерции Поисковое проектирование операционной системы Выбор конфигурации контейнера для динамического хранения данных Оптимизация топологии сети передачи данных Выбор материнской платы для домашнего компьютера Поисковое проектирование адаптера сети Ethernet Аргументация выбора микроконтроллера с учетом класса решаемых задач Поиск стратегии назначения задач на узлы вычислительного кластера Поисковое проектирование коммутатора 3-го уровня для корпоративной сети

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и видео роликов. На лекциях выдаются задания на проведение информационного поиска материалов, отражающих новые достижения, как в области оптимизации поиска проектных решений, так и в области создания современных вычислительных систем. Используется типовое программное обеспечение для работы в информационной среде WWW Интернет.

Для выполнения л Лабораторные работы. Для их выполнения используются следующие программные средства учебного назначения (ПСУН).

1) ПСУН "Учебная версия Решателя открытых задач"4 часа;

2) ПСУН "Имитационная модель Параллельной мультикомпьютерной сети" - 4 часа;

3) ПСУН "Генератор Параллельной мультикомпьютерной сети в операционной среде Windows 98/NT/2000/ХР" 4) Действующий макет Параллельной мультикомпьютерной сети "КУРС-2000".

Все ПСУН (программные средства учебного назначения) являются оригинальными и разработаны в МЭИ(ТУ) на кафедре ВМСС силами студентов.

Самостоятельная работа включает:

работу над курсовым проектом;

подготовку подготовку к тестам и контрольным работам;

составление рефератов и аналитического отчета с подготовкой презентаций;

подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Перечень оценочных средств текущего контроля успеваемости обучающегося:

типовые вопросы теста для контрольного опроса на лекциях;

контрольные работы;

оценки качества выполнения рефератов и аналитического отчета;

коллоквиум для допуска к выполнению каждой лабораторной работы с оценкой качества её выполнения;

оценки качества выполнения и защиты курсовой работы по таким качественным показателям, как уровень системности, оригинальность, степень новизны и реалистичность полученного решения.

Итоговая аттестация по дисциплине – экзамен.

Оценка за освоение дисциплины определяется как оценка, полученная на экзамене в семестре.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература: (желательно указывать новую литературу не старше 1995 г. выпуска) а) основная литература:

1. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем.– М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.–520 с.

2. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. Учебник. -Спб.:Питер, 2000. -384 с.

3. Инструментальные средства поискового проектирования. Лабораторные работы № 1-3 по дисциплине «Поисковое проектирование вычислительных систем»/ Дзегеленок И.И., Аляева Ю.В., Кузнецов А.Ю.– М.: Изд. дом МЭИ.2007- 60 с.

4. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарьсправочник/ Под редакцией А.И.Половинкина,. В.В.Попова.–М.: НПО «Информсистема», 1995. – 408 с.

5. Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений: Учебник.– М.: Интернет университет Информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. -432 с.

б) дополнительная литература:

1. Корнеев В.В. Параллельные вычислительные системы.–М.: Изд-во «Нолидж».–1999.

2. Таненбаум Э., М ванн Стен Распределенные системы. Принципы и парадигмы. – Спб. :

Питер, 2003.– 877 с.

3. Крис Касперски. Техника оптимизации программ. Эффективное использование памяти.

— СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 464 с.

4. Пантелеев А.В., Летова Т.А. Методы оптимизации в примерах и задачах.–М.:. Высшая школа.–2005 с.

5. Лацис А.О. Как построить и использовать суперкомпьютер. – М.: Бестселлер, 2003.– 7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) Интернет-ресурсы для подготовки рефератов, аналитического отчета и выполнения курсовой работы.

б) Лицензионное программное обеспечение:

операционная система Windows 7.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Необходимо наличие учебной аудитории, снабженной компьютером с мультимедийным проектором для наглядного отображения презентаций лекций и демонстрации результатов выполнения курсовой работы.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки магистров 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой Вычислительных машин, систем и сетей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"Цифровая обработка многомерных сигналов" № дисциплины по учебному плану: АВТИ; М.1. учебному плану (всего)

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение методов анализа и синтеза цифровых систем обработки многомерных сигналов.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

к самостоятельному обучению новым методам исследования, к применению нового научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5).

Задачами дисциплины являются:

изучить классификацию систем цифровой обработки многомерных сигналов, методы их математического описания;

изучить основные теоремы, принципы и методы систем цифровой обработки многомерных сигналов;

научить использовать аналитические и численные методы расчета многомерных цифровых фильтров с конечной и импульсной характеристикой, их представлениях в пространственно-временной и частотной областях;

дать слушателям представление о практическом применении теории систем для синтеза систем обработки многомерных сигналов с целью их сжатия, архивирования, улучшения и удаления шумов различной природы;

научить использовать современные программные средства моделирования цифровых систем обработки многомерных сигналов в пространственно-временной и частотной областях.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части общенаучного цикла М.1 основной образовательной программы подготовки магистров по программе подготовки магистров «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Математический анализ», «Дискретная математика», «Цифровая обработка сигналов».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении магистерской выпускной квалификационной работы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

фундаментальные определения, понятия и положения основ теории систем цифровой обработки сигналов (ОК-2, ПК-1) важнейшие принципы анализа и синтеза цифровых многомерных фильтров с конечной и бесконечной импульсной характеристикой (ОК-2, ПК-1) методы численного анализа устойчивости многомерных систем (ПК-5) Уметь:

исследовать устойчивость многомерных рекурсивных цифровых фильтров (ПК-5) разрабатывать имитационные модели производственных и бизнес-процессов (ПК-1);

синтезировать оптимальные системы автоматического регулирования технологическими процессами (ПК-5) Владеть:

методами анализа и синтеза цифровых многомерных систем обработки сигналов (ПК-1,

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часов.

Основные понятия, классификация систем Методы исследования, цифровых фильтров Методы синтеза многомерных нерекурсивных цифровых фильтров Методы синтеза многомерных рекурсивных цифровых 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Основные понятия, классификация систем Определение многомерных сигналов и систем. Основные действия над многомерными сигналами. Свойства многомерных систем. Сложение сигналов, сдвиг, линейность, разделимость, устойчивость, опорные области. Частотные характеристики сигналов и систем в частотной области.

2. Методы исследования, анализа многомерных цифровых фильтров Импульсная характеристика и ее определение по частотному отклику. Многомерное преобразование Фурье с непрерывными частотами и его свойства. Теорема Парсеваля.

Дискретизация непрерывных двумерных сигналов при различных растрах дискретизации.

Теорема о выборках. Прямоугольные периодические последовательности и дискретные ряды Фурье. Многомерное дискретное преобразование Фурье. Циклические сдвиги и циклическая свертка. Свойства циклической свертки. Вычисление дискретного преобразования Фурье. Разбиение на столбцы и строки, быстрое преобразование Фурье по векторному основанию. Применение ДПФ для синтеза.

3. Методы синтеза многомерных нерекурсивных цифровых фильтров Синтез нерекурсивных многомерных фильтров с использованием окон (КИХ-фильтров).

Синтез оптимальных КИХ-фильтров. Синтез оптимальных КИХ-фильтров с нулевой фазой и равноволновыми пульсациями. Синтез каскадных и параллельных КИХ-структур.

Применение свертки для синтеза. Синтез фильтров с применением преобразования комплексных частот. Метод Макклелана.

4. Методы синтеза многомерных рекурсивных цифровых фильтров Многомерные рекурсивные системы и их математическое описание. Многомерные разностные уравнения. Рекурсивная вычислимость. Упорядочивание вычислений выходных отсчетов. Многомерное z-преобразование. Передаточные функции в z-области и их свойства. Многомерные полюсы и нули передаточной функции. Синтез многомерных фильтров в z-области. Теоремы об устойчивости многомерных рекурсивных систем.

Многомерный комплексный кепстр. Классические схемы многомерных фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтров). Прямая, каскадная и параллельные реализации. Итерационные методы реализации двумерных БИХ-фильтров.

Реализация многомерных фильтров с помощью переменных состояния. Синтез БИХфильтров в пространственной области. Синтез БИХ-фильтров в частотной области.

4.3. Практические занятия Расчет частотных характеристик по импульсному отклику многомерных систем.

Расчет импульсных откликов по частотным характеристикам многомерных систем.

Разложение периодических двумерных дискретных функций в ряд Фурье. Расчет коэффициентов ряда.

Дискретное прямое многомерное преобразование Фурье.

Дискретное обратное многомерное преобразование Фурье.

Расчет линейной свертки с помощью циклической.

Синтез нерекурсивных многомерных фильтров.

Синтез многомерных рекурсивных фильтров в z-области.

Определение устойчивости многомерных фильтров.

Моделирование узлов систем передачи обработки изображений и видео.

10.

Модели изображений.

11.

Моделирование цифровых методов кодирования изображений.

12.

Непрерывные вейвлет-функции. Разложение произвольных функций на вейвлеты.

13.

Реализация дискретного вейвлет-преобразования.

14.

Синтез многомерных банков фильтров.

15.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций.

Практические занятия проводятся с использованием современного профессионального программного обеспечения – MatLab.

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и лабораторным работам, выполнение расчетного задания, подготовку к экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются: устные опросы и компьютерные тесты, контрольные работы, письменный тест.

Аттестация по дисциплине – экзамен.

Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка на экзамене.

В приложение к диплому вносится оценка за 1 семестр.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. М., Мир, 1988, 2. Чобану М. Многомерные многоскоростные системы обработки сигналов. М., Техносфера, 2009, 480 с.

3. Гантмахер Ф. Теория матриц. — Издание 5-е. — М.: Физматлит, 2004. — 560 с.

4. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Мир, 1982.

5. Дворкович А.В. и др. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений.

–М.:, МЦНТИ, 1997, 168 с.

6. Обработка изображений и цифровая фильтрация. Под редакцией Хуанга Т. –М.: Мир, 1979, 320 с.

7. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. СПб, ВУС, 1999, 199 с.

8. Добеши И. 10 лекций по вейвлетам. Моска-Ижевск, ООО, 2001, 310 с.

9. Новиков И.Я., Протасов В.Ю., Скопина М.А. Теория всплесков. ФИЗМАТЛИТ, 2005, 10. Чуи К. Введение в вэйвлеты. М., Мир, 2001.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

www.mathworks.com www.wavelet.org

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций.

Индивидуальные задания выполняются студентами индивидуально, каждое рабочее место оснащено персональным компьютером с установленным программным обеспечением MatLab.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки магистров 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой ЭФИС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Трудоемкость в зачетных единицах: Экзамены Москва -

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов на сигнальных процессорах и специальных БИС, и зучение методов и приемов программирования на сигнальных процессорах и СБИС.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

к самостоятельному обучению новым методам исследования, к применению нового научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5).

Задачами дисциплины являются:

познакомить обучающихся с принципами работы сигнальных процессоров и СБИС, с математическим аппаратом описания их работы;

познакомить обучающихся с методами и приемами программирования сигнальных процессоров;

познакомить обучающихся с особенностями различных методов и аппаратных средств информационных систем с точки зрения обеспечения их работы в реальном времени;

научить принимать и обосновывать конкретные технические решения при последующем конструировании и создании таких информационных систем, как проводные и беспроводные модемы, устройства мобильной связи и пр.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина М.4.2 относится к дисциплинам по выбору общенаучного цикла основной образовательной программы подготовки магистров по программе «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Электротехника и электроника», «Математический анализ», «Цифровая обработка сигналов».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении магистерской выпускной квалификационной работы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

определения, понятия и положения основ теории обработки сигналов реального времени систем (ПК-1);

алгоритмы разработки аппаратных средств вычислительной техники (ПК-4);

методы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования объектов автоматизации ( ПК-5) Уметь:

применять методы разработки аппаратных средств вычислительной техники (ПК-4);

применять методы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования объектов автоматизации ( ПК-5).

Владеть:

методами анализа и синтеза аппаратных средств вычислительной техники и объектов автоматизации (ПК-1, ПК-5).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часов.

1 Семестр: трудоемкость составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Сигнальные процессоры, назначение, Архитектура TMS320C64/ 2 Семестр: трудоемкость составляет 3 зачетные единицы, 108 часа.

Алгоритмы генерации дискретизации Алгоритмы фильтрации, и их реализация на TMS систем сотовой связи GSM/UMTS/LTE 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Сигнальные процессоры, назначение, особенности, обзор семейства TMS.

Архитектура TMS320C Понятие сигнального процессора, отличие от процессора общего назначения.

Сигнальные процессоры и их место в микропроцессорных системах. Сравнительная характеристика сигнальных процессоров ведущих фирм ( TMS, Motorola, Analog Device ).

Семейство сигнальных процессоров TMS320. Ядро сигнального процессора TMS320C5X.

Назначение внешних выводов процессора. Архитектура процессора. Функциональная схема процессора. Организация памяти. Вспомогательные регистры. Центральное арифметическологическое устройство (CALU).

2. Системный контроль в сигнальном процессоре Системный контроль. Регистры состояния. Блок повторений. Параллельное логическое устройство. Прерывания. Конвейер.

3. Переферия сигнального процессора.

Адресуемые регистры. Внешняя память и параллельные порты ввода/вывода.

Программируемый генератор ожидания. Внешний флаг XF и вход ветвления BIO.

Последовательный порт. Регистры порта и управления. Операции приема и передачи.

Последовательный порт с временным мультиплексированием. Таймер.

4. Ассемблер TMS320C64/ Синтаксис ассемблера. Система команд TMS320C50. Методы адресации памяти. Метод прямой адресации. Метод косвенной адресации. Метод непосредственной адресации.

Метод предписывающих регистров. Метод адресуемых в памяти регистров. Метод циркуляционной адресации.

5. Система команд. Программирование TMS Операции с аккумулятором. Операции со вспомогательными регистрами. Операции с параллельным логическим устройством. Операции с умножителем. Инструкции перехода (ветвления). Инструкции управления. Основная программа и параллельные процессы.

Обработка прерываний. Представление дробных чисел. Примеры программ. GEL файлы.

Распределение памяти. Кэш и ускорение вычисление. Программирование параллельных устройств. Работа с симулятором.

1. Алгоритмы генерации сигналов на сигнальных процессорах, проблемы дискретизации.

Генерация сигналов. Вычисление авто и кросскорреляций. Шумы дискретизации и методы их снижения. Фазовый джитер. Повышение точности. Нормализация.

2. Алгоритмы фильтрации, кросс и автокорреляции и их реализация на TMS Программная реализация рекурсивных и нерекурсивных фильтров. Эффекты дискретизации и квантования, шумы. Эффективное построение алгоритмов фильтрации и корреляции.

3. Адаптивные фильтры и компрессия речи.

Принципы работы адаптивных фильтров. LMS алгоритм и его модификации. RLS алгоритм и адгоритм, основанный на афинных проекциях. Обзор методов сжатия речи. Основы современных вокодеров. Вокодеры GSM - G610, UMTS - EVRC, Internet -G723.

Инициализация кодеков.

кодирование/декодирование на сигнальных процессорах Импульсно кодовая модуляция. Дифференциальная ИКМ. Амплитудная и фазовая модуляции. QPSK и QAM модуляции. GMSK модуляция. Использование ортогональных функций (OFDM). Спектры модулированных сигналов. Ограничение спектров.

Синхронная/асинхронная демодуляция. Основы исправляющих кодов. Блочные, сверточные, фонтанные, кодеры/декодеры и их реализация на сигнальных процессорах, спецкоманда для ускорения расчета.

5. Архитектура и алгоритмы работы систем сотовой связи GSM/UMTS/LTE Принципы действия. Частотное, временное, кодовое разделение каналов. Ортогональное Структурные схемы. Основные алгоритмы работы: сжатие речи, исправляющее кодирование, модуляция, формирование спектра, борьба с интермодуляционными составляющими, демодуляция, декодирование. Специфика реализации алгоритмов на сигнальных процессорах и СБИС.

4.3. Лабораторные работы 1. Запуск, компиляция, построение программ в CCS, примеры использования С++.

2. Использование CCS, отображение содержимого регистров, ячеек памяти, построение 3. Аккумулятор и вспомогательные регистры,работа с отладчиком TMS Операции с АЛУ, адресация памяти, моды АЛУ 4. Организация аппаратных и программных циклов. Сортировка данных, поиск мин и мах 5. Генерация синусоидальных сигналов в процессоре на С++.

6. Обработка прерываний в С++.

7. Вывод в последовательный порт и управление, АЦП/ЦАП TLS320- 8. Вызов функций на ассемблере, интерфейс между С++ и ассемблером, примеры.Операции с целыми, оптимизация частей программ на ассемблере.

9. Распределение памяти и создание CMD файлов.

Генератор сигналов ( синусоида, меандр, трапеция) Корреляционные фильтры Генерация и распознавание DTMF Нерекурсивный фильтр.

Программы авто и кросс корреляционные функции, идентификация сигналов, поиск Реализация БПФ на цифровом процессоре.

Реализация адаптивного фильтра на основе LMS метода, борьба с помехами.

Программирование QAM модулятора.

4.4. Расчетные задания Синтез цифрового рекурсивного фильтра с заданными частотными характеристиками на сигнальном процессоре.

Аппроксимация АЧХ фильтра ( вариантное задание) Оптимизация характеристик Вывод передаточной функции заданного звена ( вариантная схама) Получение передаточной функции в z-области Программа звена второго порядка Программа многозвенного фильтра Отладка программы на Started Kit TMS320C Оптимизация на ассемблере программы фильтра, реализация в целых Снятие АЧХ, ФЧХ реализованного фильтра Сравнение характеристики цифрового фильтра с заданной Анализ ошибок дискретизации и округления 4.5. Курсовой проект Программно-аппаратная реализация системы обработки сигналов.

Темы курсового проекта:

Обработка сигнала эхолокатора Спектральный анализ речевого сигнала Построение вокодера Компрессия речи Декомпрессия речи Адаптивный и восстанавливающий фильтры Кодирование/декодирование остатка предсказания Передача потока Прием потока Система управления трехфазным двигателем (ШИМ, мягкий пуск) Сервисные функции телефона (DTMF) Компрессия/Декомпрессия изображения WCDMA передатчик/приемник Сверточный кодер/декодер Модулятор/демодулятор Согласующий фильтр Тема по желанию студента Содержание курсового проекта:

Разработка алгоритма работы устройства Разработка блок-схемы устройства Разработка принципиальной электрической схемы устройства Разработка блок-схемы программы работы устройства Написание программы на ассемблере TMS320C Адаптация программы к Started Kit TMS320C Отладка программы на Started Kit TMS320C Демонстрация работы устройства, снятие характеристик

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций.

Лабораторные занятия проводятся с использованием современного профессионального программного обеспечения – MatLab, CCS и специализированных аппаратных средств – DSK на базе процессора OMAP Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и лабораторным работам, выполнение расчетного задания, курсового проекта, подготовку к экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются: устные опросы и компьютерные тесты в процессе защиты лабораторных работ, зашита расчетного задания, письменный тест.

Аттестация по дисциплине – дифференцированный зачет.

Оценка за освоение дисциплины, определяется как зачетная оценка.

В приложение к диплому вносится оценка за 2 семестр.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

12. Калабеков Б.А. Микропрецессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учебн. Пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1988.- 368 с.

13. TMS320C647x цифровой сигнальный процессор. ЦПУ и система команд. Руководство пользователя. Тексас инструментс, 2010. – 770 с.

14. TMS320C647x мегамодуль. Руководство пользователя. Тексас инструментс, 2010. – 223 с.

15. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1978. – 848 с.

16. Салонина А.И., Улахович Д.А. Основы цифровой обработки сигналов.-СПб.:БХВПетербург, 2003. – 608 с.

17. Цифровая обработка сигналов/А.Б.Сергиенко – СПб.: Питер, 2002. 608 с.

18. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования.- СПб.: Политехника, 1998.- 592 с.

19. Проакис. Д. Цифровая связь. Пер. с англ./Под ред. Д.Д. Кловского – М.: Радио и связь.

2000 – 800с.

20. Заде Л., Дезоер И. Теория линейных систем –М.: Наука -1970 -703 с.

21. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч. Ч. 1. –М.: Мир -1988 -336 с.

22. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч. Ч. 2. –М.: Мир -1988 -360 с.

23. Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А., Миронов В.Г. Моделирование на ЭВМ динамических режимов электронных схем. –М.: Московский энергетический институт -1988 -96 с 24. Казанцев Ю.А., Кузовкин В.А., Миронов В.Г. Моделирование на ЭВМ режимов в нелинейных цепях. –М.: Издательство МЭИ -1990 -128 с.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

ti.com; elf.mpei.ac.ru; www.problemaemc.narod.ru

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций.

Лабораторные работы выполняются студентами индивидуально, каждое рабочее место оснащено персональным компьютером с установленным программным обеспечением Code Composer Studio, Matlab, а также стандами сс DSK TMS320C55 или TMS320C67 (OMAP) Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки магистров 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

к.т.н., профессор Казанцев Ю.А.

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой ЭФИС к.т.н., профессор Казанцев Ю.А.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"Надежность и электромагнитная совместимость Трудоемкость в зачетных единицах: Экзамены

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение методов и приемов обеспечения надежности функционирования электронных информационных систем, в том числе и в процессе работы в условиях помехового воздействия рабочей среды, сформированной источниками функциональных и нефункциональных электромагнитных полей и сигналов.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

к самостоятельному обучению новым методам исследования, к применению нового научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации (ПК-5).

Задачами дисциплины являются:

познакомить обучающихся с понятием надежность технических устройств и систем, с математическим аппаратом её описания и оценки, приемами повышения надежности;

познакомить обучающихся с понятиями электромагнитная совместимость электронных устройств и систем и методами и средствами её обеспечения;

познакомить обучающихся с особенностями различных методов и аппаратных средств информационных систем с точки зрения обеспечения их надежности и электромагнитной совместимости;

научить принимать и обосновывать конкретные технические решения при последующем конструировании и создании информационных систем.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина М.4.2 относится к дисциплинам по выбору общенаучного цикла основной образовательной программы подготовки магистров по программе «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Электротехника и электроника», «Математический анализ», «Цифровая обработка сигналов».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении магистерской выпускной квалификационной работы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

определения, понятия и положения основ теории надежности и электромагнитной совместимости информационных систем (ПК-1);

алгоритмы разработки аппаратных средств вычислительной техники (ПК-4);

методы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования объектов автоматизации ( ПК-5) Уметь:

применять методы разработки аппаратных средств вычислительной техники (ПК-4);

применять методы и алгоритмы решения задач оптимального проектирования объектов автоматизации ( ПК-5).

Владеть:

методами анализа и синтеза аппаратных средств вычислительной техники и объектов автоматизации (ПК-1, ПК-5).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часа.

1 Семестр: трудоемкость составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Понятия надежности и обеспечения Основные понятия, задачи, методы и электромагнитной совместимости технических средств.

Электромагнитная помехи. Классификация Механизмы передачи электромагнитных описания и способы ослабления.

Техника измерений параметров помех при электромагнитной совместимости 2 Семестр: трудоемкость составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.

Особенности и задачи электромагнитной вычислительной аппаратуры Внутрисистемные аппаратуры.

Обеспечение электромагнитной совместимости схемотехническом и конструкторскотехнологическом Устранение электрических и экранирования Обеспечение ЭМС Экспериментальное 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Понятия надежности информационных систем Понятие технического средства. Понятия надёжности технических средств в узком и широком смыслах. Основные определения. Надежность функционирования технических средств в пределах жизненного цикла устройства и в условиях воздействия внешних факторов. Влияние физико-химических факторов элементной базы и окружающей среды.

Влияние электромагнитных полей элементной базы и окружающей среды на функционирование технических средств. Электромагнитная совместимость.

Надежность функционирования технических средств, как наука и её направления развития. Математическая теория надёжности технических средств. Методы оценки надёжности и изучение закономерностей отказов. Статистическая теория надёжности (сбор, хранение и обработка статистических данных об отказах). Физическая теория надёжности.

Физико-химические процессы, происходящие в объекте в пределах жизненного цикла и при различных воздействиях. Особенности электромагнитного воздействия на технические средства и их влияние на надёжность функционирования. Физическое воздействие электромагнитных полей.

Методы прогнозирования, обеспечения и контроля надежности технических средств.

Особенности обеспечения надежности аппаратной части информационных систем.

Основные понятия, термины, задачи, методы и средства обеспечения электромагнитной совместимости технических средств Основные понятия, термины, задачи и проблемы электромагнитной совместимости технических средств (ТС). Методы и средства обеспечения ЭМС технических средств.

Федеральный Закон РФ об электромагнитной совместимости. Направления обеспечения ЭМС ТС. Задачи обеспечения ЭМС на различных этапах конструирования и уровнях проектирования электронных технических средств.

Нормативно-техническая документация обеспечения ЭМС ТС. Прогнозирование электромагнитной обстановки (ЭМО). Прогнозирование воздействия помех на параметры электронной аппаратуры (ЭА) и устойчивости ЭА к помеховым воздействиям. Задачи моделирования ЭМС ТС. Математические и физические основы моделирования. Испытания и измерения ЭМС ЭА. Технические методы и средства обеспечения ЭМС ЭА.

3. Рабочая среда. Электромагнитная обстановка и электромагнитные помехи Электромагнитная обстановка и электромагнитные помехи (ЭМП). Электромагнитная обстановка. Классификация источников ЭМП. Естественные электромагнитные помехи.

Шумы. Шумы космического происхождения. Электрическое и магнитное поля Земли.

Атмосферные явления.

Электрический разряд в газовых промежутках. Молниевые разряды. Разряды статического электричества. Внутренние (собственные) шумы. Шумовая температура.

Искусственные электромагнитные помехи. Источники искусственных электромагнитных помех. Детерминированные и случайные ЭМП. Широкополосные и узкополосные помехи.

Спектральные характеристики источников индустриальных электромагнитных помех.

Описание электромагнитных помех в частотной и временной областях. Ряды Фурье для описания периодических функций времени. Спектр периодически повторяющихся прямоугольных импульсов. Интеграл Фурье. ЭМС-номограмма. Спектральные характеристики шумовых сигналов.

Нормативная терминология описания электромагнитных помех и электромагнитной совместимости. Нормативная терминология помехоустойчивости цифровых интегральных цепей. Допустимые уровни радиопомех. Природа электромагнитных влияний и пути их передачи. Внешние и внутренние ЭМП.

4. Механизмы передачи электромагнитных помех, их математические описания и способы ослабления Механизмы передачи электромагнитных помех и способы их ослабления. Вводные замечания по оценке ожидаемых ЭМП. Поля элементарных излучателей. Решение уравнений Максвелла. Запаздывающие потенциалы. Поле диполя Герца. Поле плоского кругового витка с током. Структуры полей и волновые сопротивления электрического и магнитного диполей.

Характеристики направленности антенны.

Оценка передачи влияния ЭМП через электрическую составляющую электромагнитного поля. Емкостная связь. Методы расчета и оценок емкости систем заряженных тел.

Метод конформных преобразований. Расчет емкости системы протяженных проводников.

Оценка передачи влияния ЭМП через магнитную составляющую электромагнитного поля.

Индуктивная связь. Методы расчета индуктивности.

Электромагнитная связь линий в зоне индукции. Метод расчета.

Кондуктивная связь через общие участки проводника. Гальваническая связь. Понятия «земля» и «масса». Противофазные и синфазные помехи. Гальваническая связь через цепи питания. Гальваническая связь через контур заземления. «Обратные перекрытия» как частный случай гальванической связи.

Рекомендации по заземлению экранов кабелей. Связь электромагнитным излучением.

Идентификация механизмов связи. Общие соображения.

5. Техника измерений параметров помех при решении задач ЭМС Техника измерений параметров помех при решении проблем ЭМС. Общие замечания.

Термины и определения. Измерения кондуктивных помех. Измерения напряжения и тока помех.

Измерения напряженностей полей помех. Общие характеристики антенн. Характеристики измерительных антенн. Характеристики приемных антенн в технике ЭМС.

Измерительная среда и рабочее место при измерениях напряженностей полей. Измерения мощности помех. Приборы для измерения ЭМП и параметры помех, устанавливаемые государственным стандартном.

Идентификация помех с помощью измерительного приемника. Спектральные анализаторы.

1. Особенности и задачи электромагнитной совместимости электронновычислительной аппаратуры Задачи электромагнитной совместимости электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА).

Анализ ЭМО в рабочей среде электронно-вычислительной аппаратуры. Физические представления и модели помеховых взаимосвязей в ЭВА. Особенности прогнозирования ЭМО на этапе проектирования ЭВА.

Компоненты электронных устройств их характеристики и собственные шумы. Пассивные компоненты. Активные компоненты. Элементы электрического соединения.

Собственные шумы компонентов и методы их описания. Предельная чувствительность микроэлектронных устройств (МЭУ) ЭВА.

2. Внутрисистемные помехи ЭВА. Особенности ЭМС МЭУ Виды паразитных связей на плате блока ЭВА. Приемы оценочных расчетов.

Помеховые сигналы и связи, возникающие в межблочных линиях связи ЭВА. Приемы оценочных расчетов проникновения помех в линии связи межблочных соединений.

Методы и аппаратура экспериментального исследования ЭМО на внутрисистемном уровне. Задачи анализа и особенности ЭМО на внутрисистемном уровне. Датчики импульсных электрических и магнитных помех. Имитаторы импульсных помех.

3. Обеспечение ЭМС ЭВА на схемотехническом и конструкторско-технологичес-ком уровнях.

Основные способы борьбы с помехами. Основы проектирования электронных узлов с учетом ЭМС. Выбор печатных плат. Приемы преодоления внутренних гальванических влияний в пределах печатной платы.

Приемы преодоления кондуктивных (квазистатических полевых) связей в пределах печатной платы. Взаимное влияние параллельных проводящих проводников (дорожек) в пределах печатной платы. Одностороннее и двухстороннее влияния. Взаимное влияние перпендикулярных проводящих дорожек при многослойном монтаже. Подход к оценке.

Отражение сигналов в линиях связи и приемы согласования линий связи, МЭУ и узлов ЭВА. Внутреннее влияние за счет паразитного излучения и методы его преодоления.

Рекомендации по уменьшению взаимного влияния сигнальных контуров на печатной плате.

Рекомендации по уменьшению паразитного излучения высоко интегральных схем.

4. Устранение электрических и магнитных наводок методами экранирования Назначение и физические основы экранирования. Теория электромагнитных экранов.

Способы расчета. Аналитические электродинамические расчеты, пределы их достоверности и применимости рекомендаций на их основе по оценке эффективности экранирования.

Приближенные методы расчета эффектов экранирования. Метод полных сопротивлений.

Расширенный метод полных сопротивлений.

Технологические вопросы выполнения экранов. Материалы для изготовления экранов.

Технологические швы и отверстия в экранах.

Приемы уменьшение электрических наводок на узлы ЭВА и линии связи. Приемы частичного экранирования электрических полей. Особенности экранирования магнитных полей при решении задач ЭМС узлов ЭВА и линий связи.

5. Фильтрация и компенсация помех Принципы действия. Коэффициент затухания. Классификация типов фильтров.

Конструктивное исполнение и параметры пассивных фильтров разных типов. Частотная селекция сигнала. Область применения частотных фильтров.

Временные методы выделения полезных сигналов. Область применения и эффективность.

Методы компенсации синфазных помех. Возможности и проблемы.

6. Обеспечение ЭМС ЭВА на структурно-функциональном уровне Влияние структуры сигнала на ЭМС на внутрисистемном уровне. Возможности обеспечения внутрисистемной и внешней ЭМС ЭВА за счет оптимизации алгоритмов обработки сигналов.

7. Экспериментальное определение помехоустойчивости ЭВА Нормативные документы. Методики проведения испытаний на помехоустойчивость.

Виды испытательных сигналов. Имитаторы помех.

4.2.2. Практические занятия 1. Примера расчета и оценок емкости системы тел правильной формы.

2. Применение метода конформных преобразований для расчета емкости системы заряженных протяженных проводников различного поперечного сечения.

3. Примеры расчетных оценок коэффициентов передачи мешающего воздействия, определенного механизмом емкостной связи, и способы их уменьшения.

4. Примеры расчета индуктивностей конкретных конфигураций проводников.

5. Применение принципов соответствия плоскопараллельных электрического и магнитного полей для расчета индуктивностей систем протяженных проводников..

6. Учет передачи влияния через магнитную связь и способы его ослабления.

7. Гальваническая связь через цепи питания. Примеры оценок.

8. Гальваническая связь через контур заземления. Примеры оценок. Рекомендации по заземлению экранов кабелей.

9. Анализ прохождения импульса с длительностью через измерительный приемник.

1. Простейшие оценки коэффициентов передачи помехового сигнала в пределах функциональных плат ЭВА для типовых схем проникновения помех.

2. Простейшие оценки коэффициентов передачи помехового сигнала в пределах функциональных плат ЭВА для типовых схем проникновения помех (продолжение предыдущего занятия).

3. Простейшие оценки коэффициентов передачи помеховых сигналов в линии связи межблочных соединений.

4. Расчет коэффициентов экранирования квазистатических полей. Цилиндрический экран в продольном поле.

5. Расчет коэффициентов экранирования квазистатических полей. Цилиндрический экран в поперечном поле.

6. Расчет коэффициентов экранирования электромагнитного полей. Цилиндрический экран при поперечном падении электромагнитной волны.

7. Приближенный расчет коэффициента экранирования плоского экрана с применением расширенного метода полных сопротивлений. Пример аналитического расчета проникновения поля через отверстие в плоском экране.

8. Расчет проникновения помеховых сигналов в экранированные блоки за счет паразитной связи между экранами через электрическую составляющую поля.

9. Расчет проникновения помеховых сигналов в экраны кабелей за счет магнитных связей.

4.3. Лабораторные работы 1. Исследование емкостных связей между проводниками на печатной плате.

2. Исследование индуктивных связей между проводниками на печатной плате.

3. Исследование паразитных связей между блоками электронной аппаратуры.

1. Перекрестные помехи в открытых коротких линиях связи.

2. Перекрестные помехи в частично экранированных коротких линиях связи.

3. Исследование перекрестных помех в плоском многопроводном кабеле 4.4. Расчетные задания Синтез ARC фильтра с заданными частотными характеристиками.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций.

Лабораторные занятия проводятся с использованием современного профессионального программного обеспечения – MatLab, Design Center и специализированного программного обеспечения.

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и лабораторным работам, выполнение расчетного задания, подготовку к экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются: устные опросы и компьютерные тесты в процессе защиты лабораторных работ, зашита расчетного задания, письменный тест.

Аттестация по дисциплине – дифференцированный зачет.

Оценка за освоение дисциплины, определяется как зачетная оценка.

В приложение к диплому вносится оценка за 2 семестр.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

25. Острейковский В.А. Теория надежности. Учебник для Вузов. – М.: Высшая школа -2003.

26. Кухаркин Е. С. Электрофизика информационных систем. – М.: Высшая школа - 2001. с.

27. Геворкян В.М. Электромагнитная совместимость электронных информационных систем.

Учебное пособие в двух частях. Ч.1 Общие вопросы электромагнитной совместимости технических средств.–М.: МЭИ - 2006 - 432 с.

28. Геворкян В.М. Электромагнитная совместимость электронных информационных систем.

Учебное пособие в двух частях. Ч.2 Электромагнитная совместимость системцифровой обработки и передачи данных / под редакцией Ю.А. Казанцева – М.: МЭИ - 2007 - 308 с.

29. Шишкин Г.И. Обеспечение помехоустойчивости цифровых систем. Монография в двух частях. Ч.1 / Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВАНИИЭФ»- 2004- 436с.

30. Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. Электромагнитная совместимость информационных систем. Физическое моделирование механизмов передачи помех. Лабораторный практикум. Учебное пособие. – М.: МЭИ - 2004 - 76 с.

31. Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. Электромагнитная совместимость информационных систем. Математическое моделирование механизмов передачи помех. Лабораторный практикум. Учебное пособие. – М.: МЭИ - 2003 - 91 с 7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

elf.mpei.ac.ru; www.problemaemc.narod.ru

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций.

Лабораторные работы выполняются студентами индивидуально, каждое рабочее место оснащено персональным компьютером с установленным программным обеспечением MatLab, Wolfram Mathematica, Design Center.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки магистров 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой ЭФИС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_ Направление подготовки: 230100 Информатика и вычислительная техника Программа подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ"

№ дисциплины по учебному плану: АВТИ; М.2. Практические занятия Расчетные задания, рефераты Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего) Курсовые проекты (работы)

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение современных высокопроизводительных вычислительных систем и их компонентов, а также получение знаний навыков в использовании этих систем.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);

способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности способен свободно пользоваться русским и иностранными языками, каксредством делового общения (ОК-3);

использует на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);

способен проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности (ОК-5);

способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6);

способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (ОК-7);

применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

на основе знания педагогических приёмов принимать непосредственное участие в учебной работе кафедр и других учебных подразделений по профилю направления «Информатика и вычислительная техника» (ПК-2);

разрабатывать и реализовывать планы информатизации предприятий и их подразделений на основе Web- и CALS-технологий (ПК-3);

формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);

применять современные технологии разработки программных комплексов с программных продуктов (ПК-6);

организовывать работу и руководить коллективами разработчиков аппаратных и/или программных средств информационных и автоматизированных систем (ПК-7).

Задачами дисциплины являются:

познакомить обучающихся с современными вычислительными системами повышенной производительности, их архитектурами, компонентами и классами решаемых ими дать представление об основных структурных, функциональных и алгоритмических решениях направленных на повышение производительности вычислений;

дать начальное представление об особенностях программирования таких систем;

дать возможность, на примере программирования кластерной вычислительной системы, получить практический опыт эксплуатации многопроцессорных вычислительных систем повышенной производительности.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла М.2 основной образовательной программы подготовки магистров "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" направления 230100 Информатика и вычислительная техника.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: "Вычислительные системы" (по программе подготовки бакалавров), "Основы организации ЭВМ и систем", "Микропроцессорные системы", "Запоминающие устройства".

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при изучении дисциплины «программное обеспечение высокопроизводительных вычислительных систем» и выполнении магистерских диссертаций по данной тематике.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

современное состояние аппаратного и программного обеспечения вычислительных современные технологии программирования высокопроизводительных вычислительных систем;

способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности способен свободно пользоваться русским и иностранными языками, как средством делового общения (ОК-3);

использует на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);

способен проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности (ОК-5);

способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6);

Уметь:

самостоятельно обучатся новым методам исследования, в рамках научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);

свободно пользоваться русским и иностранными языками, как средством делового общения (ОК-3);

использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4);

применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);

формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);

организовывать работу и руководить коллективами разработчиков аппаратных и/или программных средств информационных и автоматизированных систем (ПК-7).

на основе знания педагогических приёмов принимать непосредственное участие в учебной работе кафедр и других учебных подразделений по профилю направления «Информатика и вычислительная техника» (ПК-2);

Владеть:

Современными технологиями программирования многопроцессорных вычислительных систем;

Навыками по профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (ОК-7);

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

Вычислительные системы, цели и области применения вычислительных систем, цели и способы производительности, основные законы и свойства ВС влияющие производительность Классификации вычислительных разработки применения систем разных классов Модели и технологии параллельного систем высокой производительности Технология программирования применение Современные микропроцессоры, обзор с точки зрения их организации и особенностей Современные Вычислительные Реконфигурируемые 4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Вычислительные системы, цели и области применения вычислительных систем, цели и способы повышения их производительности, основные законы и свойства ВС влияющие на Обзор и классификация целей и областей применения вычислительных систем. Обзор целей и способов повышения производительности вычислительных систем, в том числе технологических, структурных и алгоритмических. Обзор основных законов (в т.ч. Гроша, Минского и Амдала) связанных с производительностью вычислительных систем и влияющих на их развитие и применение.

2. Классификации вычислительных систем, особенности разработки применения систем Приводится несколько классификаций вычислительных систем, в том числе Флина, Хокни, и пр.. Задаётся ряд критериев оценки вычислительных систем. Производится сравнение, по заданным кретериям, вычислительных систем разных классов, и определяются их достоинства и недостатки.

3. Модели и технологии параллельного программирования систем высокой Краткий обзор моделей и технологий параллельного программирования вычислительных систем. Особенности использования моделей и технологий при программировании систем разных классов.

4. Технология программирования стандарта MPI и её применение Знакомство с технологией программирования стандарта MPI. Особенности и возможности технологии программирования стандарта MPI. Реализации MPI. Библиотека функций MPI, классификация функций этой библиотеки. Структура и особенности выполнения параллельной программы созданной по технологии и с функциями MPI. Типы данных в MPI.

Параллельные процессы и особенности взаимодействия параллельных процессов в MPI – программе. Двухточечные передачи данных между процессами в MPI – программе.

Коллективное взаимодействие процессов в MPI – программе. Особенности хранения и организация передачи структурированных данных в MPI – программе, создание собственных типов данных. Группы процессов и области связи. Топологии процессов в MPI – программе и особенности распределения, хранения и передачи данных в системах разных топологий.

5. Технология программирования стандарта OpenMP и её применение Знакомство с технологией программирования стандарта OpenMP. Особенности и возможности технологии программирования стандарта OpenMP. Структура и особенности выполнения параллельной программы созданной по технологии OpenMP. Директивы, функции, переменные и константы в OpenMP. Директивы распараллеливания вычислений.

Частные и общие данные в OpenMP-программе. Директивы распределения вычислений и синхронизации.

6. Современные микропроцессоры, обзор с точки зрения их организации и особенностей Направления и способы повышения производительности современных микропроцессоров.

Классификация многоядерных микропроцессоров. Многоядерные микропроцессоры фирмы IBM. Многоядерные микропроцессоры фирм IBM. Многоядерные микропроцессоры фирм Intel и AMD. Многоядерные микропроцессоры фирмы SUN. Многоядерные микропроцессоры альянса STI. Сравнение моделей современных микропроцессоров и особенности их использования.

7. Современные высокопроизводительные серверы Требования, предъявляемые к современным серверным системам. Некоторые популярные серверные архитектуры. Структуры, функционирование и использование серверов различных классов производительности на примере серверов фирм SUN и/или IBM.

Сравнение рассмотренных сервером по принципу соответствия их установленным требованиям.

Определение и назначение кластерных вычислительных систем. Обобщённая структурная схема кластерной системы. Классификация кластерных систем. Управление кластерными системами. Обеспечение отказоустойчивости кластерных систем.

Метакомпьютинг, определение и назначение данного подхода. Особенности метакомпьютеров Grid –типа. Виды вычислительных систем Grid –типа. Требования, предъявляемые к системам Grid –типа. Особенности программного обеспечения для систем Grid –типа и требования, предъявляемые к нему на этапе разработки. Управление Grid – системами и схема распределённого планировщика.

10. Вычислительные системы наивысшей производительности В данном разделе подробно рассматриваются 2-3 вычислительные системы, входящие в первую десятку текущего (на момент начала проведения занятий) рейтинга Top500 самых высокопроизводительных систем в мире. На первый год действия данной рабочей программы, предполагается рассмотрение вычислительных систем IBM Blue Gene, Cray XT и IBM Roadrunner.

11. Реконфигурируемые вычислительные системы Зависимость производительности от класса задач. Отображение графа в матричную структуру. Аппаратная реализация информационного графа задачи. Структура макропроцессора и реконфигурируемой вычислительной системы в целом. Архитектура базового модуля и его реализация на ПЛИС.

4.2.2. Практические занятия Практические занятия учебным планом не предусмотрены.

4.3. Лабораторные работы № 1. Создание и исследование MPI-программ для кластерных вычислительных систем.

№ 2. Исследование влияния неблокирующих и отложенных передач данных на производительность вычислений.

№ 3. Программирование численных методов для многопроцессорных вычислительных № 4. Создание и исследование многопоточных OpenMP-программ.

4.4. Расчетные задания Расчетные задания учебным планом не предусмотрены.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрены.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием компьютерных презентаций.

Лабораторные работы выполняются в компьютерных классах, на компьютерах с многоядерными процессорами. Натурные эксперименты ставятся дистанционно на кластерной вычислительной системе (на кластере МЭИ).

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам, коллоквиумам и лабораторным работам, а также обработку результатов последних, подготовку к зачету и экзамену. При выполнение самостоятельной работы студенты могут использовать домашние (или другие доступные им) компьютеры, для этого им в начале занятий предоставляется специальное программное обеспечение.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов и устный опрос во время выполнения (коллоквиум) и защиты лабораторных работ.

Аттестация по дисциплине – экзамен.

Оценка за освоение дисциплины определяется как оценка, полученная на экзамене.

В приложение к диплому вносится оценка за экзамен 1-го семестра.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. — СПб: БХВ-Петербург, 2002. — 608 с.

2. Немнюгин С., Стесик О. Параллельное программирование для многопроцессорных вычислительных систем. – М.: БХВ-Петербург, 2002.

б) дополнительная литература:

1. Кластеры на многоядерных процессорах: учебное пособие / И. И. Ладыгин, А. В. Логинов, А. В. Филатов, С. Г. Яньков.- М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 112 с.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

www.parallel.ru; www.mpiforum.org; www.sun.com (www.oracle.com); www.ibm.com;

www.intel.com; www.amd.com.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций. Для выполнения лабораторных работ необходим компьютерных класс с установленным программным обеспечением (необходимым для создания и выполнения MPI- и OpenMPпрограмм), кластерная вычислительная система и удалённый доступ к ней.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки магистров 230100 «Информатика и вычислительная техника».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой Вычислительных маши систем и сетей (ВМСиС)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (АВТИ)

_ Направление подготовки: 230100 Информатика и вычислительная техника Программа подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ "

№ дисциплины по учебному плану: АВТИ; М.2. Расчетные задания, рефераты Уч. планом не предусмотрены Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины «Технология разработки программного обеспечения» является освоение современных подходов и технологий создания программных продуктов различного назначения. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОКк самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);

применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий (ПК-1);