Вткс01. Физические основы вычислительной техники



бет1/3
Дата17.07.2016
өлшемі306 Kb.
  1   2   3
ВТКС01. Физические основы вычислительной техники (01.02.2007)

 

  Генезис ВТ на основе передовых физических процессов сбора, записи, обработки,



передачи и представления информации

                0 поколение ЦВТ. Эпоха механических устройств (7 тыс лет - 1939)

                     Аналоговые вычислители (интеграторы)

1945-     1 поколение ЦВТ. Магнито-электрическая и ламповая электроная база

1955-     2 поколение. Полупроводниковая электроная база

1965-     3 поколение. Интегральные схемы ИС

1975-     4 поколение. Интегральные схемы средней интеграции СИС

1985-     5 поколение. Интегральные схемы большой степени интеграции БИС

1995-     6 поколение. Интегральные схемы свехбольшой степени интеграции СБИС

2005-     Современный компьютер - гетерогенная сеть. Сеть - это компьютер.

               

  Механические устройства (пульт, диски, клавиатуры, принтеры)

  Электронные устройства (дискретные элементы, ИС, СИС, БИС, СБИС)

  Оптические устройства (лазерные устройства, CD/DVD, оптоволокно сетей)

  Нейроустройства (нейроплаты сопроцессоров, персептроны, нейросети, )

  Молекулярные устройства (мезотроника, биоэлектроника, )

  Квантовые устройства (дешифраторы, квантовые процессоры, квантовые сети)

 

  Вещество, энергия, информация - важнейшие сущности нашего мира.



Информация и информационные процессы. Информация в истории общества.

Двоичное кодирование информации. Бит. Байт. Единицы измерения информации.

Информация - первичное понятие информатики. Обработка информации.

  Кодирование информации электрическими сигналами. Электронный ключ.

Вентиль "не". Вентиль "или-не". Обозначение вентилей. Процессор.

Элемент памяти (триггер). Память. Взаимодействие процессора и памяти.

Поколения ЭВМ. Изготовление микросхем.

Краткая история вычислительной техники. Основные компоненты ЭВМ.

Встроенные ЭВМ. Персональные ЭВМ.

 

Виды вычислительных машин. Представление информации физическими сигналами.



Виды обрабатываемых физических сигналов. Аналоговые и цифровые вычислительные

машины. Сигналы потенциального и импульсного типа. Синхронизирующие сигналы.

1. Элементы физики полупроводниковых приборов: физические явления в p/n

переходе. Биполярный транзистор. Полевой транзистор. Оптоэлектронные приборы.

Контакты металл-полупроводник. Омический контакт и барьер Шоттки. Полевой

транзистор (ПТ) с управляемым p/n переходом. ПТ с барьером Шоттки. Структура

металл-окисел-полупроводник (МОП). МОП-конденсатор. Комплементарные

полупроводниковые приборы со структурой металл-окисел-полупроводник

(КМОП-структура). Микроэлектроника и интегральные схемы (ИС). Уровень

интеграции ИС, БИС, СБИС. Цифровые ИС на БТ, ИС на ПТ, МОП СБИС.

               

Элементы цифровой техники на полупроводниковых элементах:

2.Реализация логических операций на транзисторах и микросхемах.

Схемы "не", "и", "или", дифференцирующая цепочка, линия задержки.

3.Составные схемы "и-не", "или-не", "и-или-не", триггер. Реализация

функций памяти  на транзисторах и ИС.

4.Регистры, последовательный и параллельный код передачи данных.

Шифраторы и дешифраторы. Шины адресов и данных.

               

Структура и функции основных элементов IBM PC:

5.Классификация устройств памяти. Адресная, ассоциативная, стековая организация.

ПЗУ, ППЗУ и ОЗУ на ИС.

6.Материнская плата. Центральный процессор, микросхемы памяти. ПЗУ ОС, ОЗУ,

платы расширения, КЭШ-память. Шины передачи данных.  Адаптеры периферийных

устройств. Архитектура процессоров X-86. Интерфейс ввода-вывода.

 

Структура и функции внешних устройств IBM PC



7. Физические принципы работы монитора: электронно-лучевая трубка, средства

управления изображением на экране. Плата видеоадаптера, знакогенератор монитора,

видеопамять.

8. Современные устройства ввода-вывода информации. Физические принципы работы

мыши, принтера (матричного, лазерного, струйного), сканера, модема.

9. Физические принципы магнитной записи. Накопители на жестких и гибких

магнитных дисках. Современные системы мультимедиа: магнитные носители на CD,

магнито-оптические диски, магнитные диски на основе эффекта Бернули (zip),

ввод и вывод аудио- и видеоинформации. Сетевая плата и архитектура локальных

и глобальных сетей сетей.

 

Виды самостоятельной работы студента:



1. Работа с литературой, конспектами лекций и  описаниями  лабораторных работ.

2. Подготовка к лабораторным работам.

3. Оформление отчетов по лабораторным работам.

 

4. Перечень литературы и средств обучения



Литература:

1.            Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. - М., 1976.

2.            Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. - М., 1983.

3.            Перлецкий Я.А., Рыбаков Ю.П. Электродинамика. - М., 1990.

4.            Матвеев А.Н. Атомная физика. - М., 1989.

5.            Суханов А.Д. Лекции по квантовой физике. - М., 1991.

6.            Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики, т.3. - М., 1972.

7.            Матвеев А.Н. Молекулярная физика. - М., 1981.

8.            Базаров И.П., Геворкян Э.В., Николаев П.Н. Термодинамика и

статистическая физика. - М., 1986.

9.            Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике,

 т.1-8. - М., 1967.

10.          Нортон П., Сандлер К., Баджет Т, Персональный компьютер изнутри,

М.Бином, 1995.

11.          Каган Б.М., Электронные вычислительные машины и системы,

М.,Энергоатмиздат, 1991.

 

  Физические основы электроники



основы электроники: элементная база электронных устройств, источники вторичного

электропитания, усилители и генераторы электрических сигналов, линейные и

нелинейные преобразователи сигналов, импульсные устройства; основы цифровой

электроники: логические функции и логические элементы; комбинационные и

последовательностные логические схемы; сопряжение аналоговых и цифровых

устройств; ЦАП и АЦП; запоминающие устройства; программируемые логические

интегральные схемы; микропроцессорные средства: архитектура, система команд;

организация ввода-вывода; периферийные устройства; микропроцессы в

измерительной технике и управлении

 

  Системы отображения информации



  Быстрое совершенствование СОИ, расширение их функциональных возможностей

связано в последние годы с появлением новых физических принципов преобразования

данных в визуальную форму, использованием в составе СОИ микроЭВМ в качестве

управляющих устройств, развитием специального математического обеспечения

дисплеев. Наряду с перспективными матричными индикаторами ( газоразрядными,

электролюминесцентными, жидкокристаллическими и т.п. ) в технике отображения

продолжают быстро развиваться и традиционные дисплеи на базе

электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Повышение разрешающей способности ЭЛТ,

широкое применение цветных трубок открывают новые возможности для специалистов,

особенно в области машинной графики. На базе процедур взаимодействия с

графическим дисплеем реализуется общение с персональными компьютерами

широкого круга пользователей, в том числе не имеющих специальной подготовки.

   Повышение уровня автоматизации процессов производства и управления приводит

к возрастанию роли человеческого фактора в современных системах управления. В

этих условиях одной из основных проблем становится организация эффективного

информационного взаимодействия человека с ЭВМ. В решении этой проблемы важное

место отводится средствам и системам отображения информации. В соответствии с

этим в подготовке инженеров по специальности <Авиационные приборы и

измерительно-вычислительные комплексы> существенное место должно отводиться

изучению методов и средств отображения информации. Дисциплина <Системы

отображения информации> имеет целью изложить основные сведения по индикаторным

элементам, устройствам отображения информации, рассмотреть классификацию

структур и состав систем отображения информации, а также способы их связи

с ЭВМ и основы программного обеспечения.

 

Теория биотехнических систем



   Определения, свойства биотехнических систем, история развития; системный

подход при сопряжении элементов живой и неживой природы; особенности

биологических систем управления; бионические принципы синтеза биотехнических

систем; бионическая методология изучения живых организмов; классификация

биотехнических систем по их целевой функции; биотехнические системы

эргатического типа, метод по-этапного моделирования; биотехнические

измерительно- вычислительные системы медицинского назначения, мониторные

и скрининг системы, системы лечебно-терапевтического назначения; системы

временного и длительного замещения функций живого организма; биотехнические

системы управления состоянием и поведением живого организма; биотехнические

комплексы с использованием животных.

 

ФИЗИКА



  Материя - объективная реальность. Материя и движение. Физика - наука о

природе и формах движения материи. Роль физики в природоведении. Общие понятия

физики и методы физического исследования (опыт, наблюдение, модель, теория).

Место эксперимента в физическом исследовании. Понятие численного эксперимента

в физике. Современная физика и вычислительная математика.

 

МЕХАНИКА. Предмет и задачи механики.



Основные понятия и законы классической механики. Материальная точка,

пространство, время. Тело отсчета, система отсчета. Кинематика, материальная

точка. Кинематика вращательного движения.

   Динамика материальной точки.

Виды взаимодействия в природе. Сила, масса. Законы динамики Ньютона.

Уравнение движения материальной точки и начальные условия.

   Движение системы материальных точек (частиц).

Импульс частиц. Импульс системы частиц. Закон изменения и закон сохранения

импульса системы. Движение центра масс. Реактивное движение. Уравнение

Мещерского. Закон изменения и закон сохранения момента импульса. Закон

сохранения энергии системы. Роль законов сохранения в познании природных

явлений и процессов. Движение в центрально-симметричном поле.

   Динамика твердого тела.

Уравнение движения твердого тела. Тензор инерции. Движение тела с закрепленной

точкой.

    Релятивистская механика.

Принципы относительности в классической и релятивистской механике. Постулаты

Эйнштейна. Релятивистская кинематика. Преобразования Лоренца. Следствия из

преобразований Лоренца. Неодновременность событий в пространственно

разделенных точках для разных инерциальных систем; сокращение длин в

движущейся системе координат; сокращение длительности процесса; правила

сложения скоростей. Релятивистская динамика. Импульс, масса, уравнение

движения. Энергия. Кинетическая и полная энергия релятивистской частицы.

Связь массы и энергии.

    Основы механики сплошной среды.

Непрерывность физических величин, описывающих состояние сплошной среды.

Механика упругого твердого тела. Упругие свойства изотропных твердых тел.

Элементы теории упругости. Объемные и поверхностные силы. Тензор напряжений.

Тензор деформаций. Обобщенный закон Гука. Уравнения движения для элемента

объема твердого тела. Граничные условия. Формулирование типовых задач

динамичной теории упругости.

    Гидродинамика: идеальная жидкость, уравнения движения идеальной жидкости.

Движение жидкости с внутренним трением. Движение тел в жидкостях и газах.

    Колебательные и волновые процессы.

Собственные колебания. Уравнение собственных колебаний и его решения для

разных колебательных систем. Затухающие колебания. Коэффициент затухания,

декремент. Вынужденные колебания. Резонанс. Наложение колебаний. Волновые

процессы. Уравнение волны. Скорость распространения волны. Длина волны.

Волновое уравнение. Упругие волны и их свойства. Ультразвук и его применение.

 

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА



    Предмет молекулярной физики. Объект изучения в молекулярной физике -

макроскопическое состояние вещества - системы, состоящих из большого числа

макроскопических частиц (молекул). Статистический и термодинамический методы

исследования в молекулярной физике. Основные свойства молекул как элементов

макроскопических систем. Масса, размер молекул. Макроскопические параметры

вещества.

    Идеальный газ.

Модель идеального газа. Уравнения состояния макроскопической системы.

Уравнения Клапейрона-Менделеева. Процессы в макроскопических системах.

Равновесные и неравновесные процессы в газе. Процессы в идеальном газе и их

графическое изображение. Реальный газ.

    Основы термодинамики.

Внутренняя энергия. Механическая работа. Теплообмен. Первый закон термодинамики.

Теплоемкость. Термодинамические соотношения для идеального газа. Второй закон

термодинамики. Циклические процессы. Обратимые и необратимые процессы.

Формулировки второго закона термодинамики. Энтропия - функция состояния

макроскопической системы. Термодинамические потенциалы.

    Элементы статистической физики.

Основная задача статистической физики. Понятия теории вероятности.

Статистическое распределение и расчет макроскопических параметров системы.

Распределение Больцмана. Распределение Максвелла. Распределение Гибса. Решение

уравнения состояния идеального газа статистическими методами.

    Явления переноса в макроскопических системах.

Диффузия. Уравнение Фика. Теплопроводность. Уравнение Фурье. Вязкость.

Уравнение Ньютона для силы трения в среде. Коэффициенты диффузии,

теплопроводности и вязкости для идеального газа и связь между ними.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО



Основные определения и понятия электричества. Электростатическое поле.

Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Напряженность и потенциал

электрического поля. Основные уравнения электростатики в вакууме.

Электростатическое поле в веществе. Проводники в электрическом поле.

Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации, вектор электрической индукции.

Основные задачи электростатики. Емкость проводников и конденсаторов.

Конденсатор - накопитель электрических зарядов и элементы радиотехнических

цепей.


 

Законы постоянного тока.

Условия существования тока. Электродвижущая сила источника тока. Электрическое

напряжение. Разность потенциалов. Закон Ома для участка цепи с источником тока.

Расчет цепей постоянного тока. Правила Кирхгофа. Примеры.

 

Постоянное магнитное поле.



Магнитное поле тока и движущихся электрических зарядов. Поле тороида, соленоида.

Магнитный момент. Действие магнитного поля на магнитный момент. Магнитное поле

в веществе. Вектор намагничения. Магнитная проницаемость вещества.

Ферромагнетики, их свойства и применение.

 

Взаимное превращение электрических и магнитных полей.



Электромагнитная индукция. Явление самоиндукции. Индуктивность, катушка -

накопитель магнитной энергии и элементы радиотехнических цепей. Ток смещения.

Уравнение Максвелла. Электромагнитные волны, их свойства и применение.

 

Электронные свойства твердых тел.



Элементы зонной теории твердого тела. Электропроводность проводников и

полупроводников с точки зрения зонной теории. Электронная и дырочная

проводимость. Электронные явления при контакте двух полупроводников, p-n,

переход и его свойства.

 

ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ



Предмет радиотехники и радиоэлектроники.

Радиотехнические сигналы и цепи.

Классификация сигналов. Линейные элементы радиотехнических цепей. Методы

расчета линейных цепей. Четырехполюсники. Фильтры электрических сигналов.

 

Активные и нелинейные элементы цепей и их характеристики.



Биполярный транзистор. Полевой транзистор. Интегральные микросхемы. Анализ

нелинейного элемента с нагрузкой. Эквивалентные схемы элементов, границы их

применения. Радиоэлектронные приборы.

 

Усилители электрических сигналов.



Структурная схема усилителей. Принципиальная схема простейшего усилителя на

транзисторах. Обратная связь в усилителях. Операционный усилитель и схемы на

его основе.

 

Генераторы электрических колебаний.



Условия возбуждения генераторов. RC-генератор. Генератор импульсов

(мультивибратор).

 

Ключевые электронные схемы на биполярном и полевом транзисторе.



Принцип действия и диаграмма работы.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН (ЭВМ)



Назначение, история развития, структура и принцип действия ЭВМ.

 

Элементы и узлы цифровых электронных приборов.



Логические элементы "И", "ИЛИ", "НЕ", "ИЛИ-НЕ" - преобразователи логической

информации. Логические интегральные микросхемы - элементная база узлов ЭВМ.

 

Устройства памяти.



Структура памяти ЭВМ (постоянное запоминающее устройство - ПЗУ, оперативное

запоминающее устройство - ОЗУ, дисковые запоминающие устройства). Триггер -

элементарная ячейка памяти. Магнитные запоминающие устройства. Комбинационные

цифровые устройства. Сумматор. Шифратор и дешифратор. Счетчики импульсов.

Компаратор.

 

Устройства визуального отображения информации.



Сегментные индикаторы. Дисплей. Устройство и принцип действия.

 

Новые достижения и перспективы развития ЭВМ.



КЛАССИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА Интерференция волн.

Когерентные волны. Оптические квантовые генераторы - источники когерентного

монохроматического излучения и их применение.

 

Дифракция волн.



Математическое формулирование задач дифракции волн. Дифракция Френеля и

Фраунгофера. Дифракционная решетка. Понятие о голографии.

Дисперсия и поляризация света.

 

Квантовые свойства света.



Тепловое излучение и его законы. Фотоэффект. Фотоны.

 

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ФИЗИКИ АТОМОВ



Двойственная теория материи.

Примеры. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц. Уравнение Шредингера.

 

Математический аппарат квантовой механики.



Постулаты квантовой механики. Операторы основные физических величин. Расчет

среднего значения физической величины. Связь экспериментальных результатов с

расчетами квантовой механики. Соотношения неопределенности.

 

Атом водорода.



Квантовомеханический расчет атома водорода. Спектры излучения атома водорода.

 

Формулирование квантомеханической задачи многоэлектронных атомов.



Физика многоэлектронных атомов. Периодическая система элементов Менделеева.

 

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ Фундаментальные проблемы.



Физика ядра и космоса. Элементарные частицы. Прикладные проблемы в физике.

Формулирование задач фундаментальной физики для их решения на ЭВМ.

 

Физические основы микроэлектроники



Физика и техника микроволновой связи.

Физика и техника электромагнитных волн различных диапазонов.

Математические методы в радиофизике, электродинамике, передаче и обработке

информации. Методы и средства радиофизических измерений.

Основы спектроскопии Приемо-передающие и антенно-фидерные системы.

Взаимодействие акустических и электромагнитных волн с различными средами

и веществами. Использование электромагнитных волн для связи, диагностики,

интроскопии, контроля окружающей среды.

 

511602. Прикладная метрология.



Общая метрология, измерения параметров радиотехнических сигналов и цепей,

квантовые стандарты времени и частоты, измерения физических характеристик

твердых тел, гидроаэрофизические измерения, метрология ионизирующих излучений.

Государственные и международные стандарты и эталоны основных единиц для

важнейших видов измерений, использованием средств измерений высшей точности.

511603. Прикладные электродинамика и информатика.

Алгебраические коды. Теория случайных процессов. Теория и методы передачи

информации. Электродинамика оптического и микроволнового диапазонов спектра.

Теория радиолокации и радиосвязи, антенны и элементы СВЧ, приемные и

передающие устройства СВЧ. Теория и компьютерные методы обработки информации

в радиотехнических системах реального времени. Программно - алгоритмическое

обеспечение.

511604. Оптические информационные технологии.

Физические основы генерации излучения и регистрации приёма электромагнитных

волн оптического диапазона. Физические механизмы взаимодействия

электромагнитного излучения со средой. Лазерные информационные устройства.

Основы голографии, голографические запоминающие устройства. Элементы

радиооптики. Нейрокомпьютерные методы обработки информации.

   Современные теории и математические методы исследований систем оптической

обработки информации.

511605. Электронные вычислительные машины. Вычислительная техника.

Принципы построения, логические элементы и узлы ЭВМ. Организация и структура

ЭВМ. Основы проектирования БИС. Организация вычислительных процессов, основы

системного и логического программирования. Языки программирования высокого

уровня (С++ и Java). Операционные системы, компиляторы, системы мультимедиа.

Архитектура и структура универсальных и специализированных вычислительных

систем. Сетевые технологии. Основы цифровых систем коммуникации.

Волоконно-оптические системы коммутации и коммуникации в вычислительных

системах. САПР элементов, узлов и вычислительных систем.

511606. Нейронные сети и нейрокомпьютеры.

Теория нейронных сетей как алгоритмическая база нейрокомпьютеров.

Нейроматематика и нейросетевые алгоритмы. СБИС - нейрочипы, адекватные

нейросетевым алгоритмам. Нейрокомпьютеры - вычислительные системы на этой базе.

Применение нейрокомпьютеров для решения актуальных задач науки и техники.

511607. Радиолокационные и управляющие системы.

Радиоэлектронные, оптико-электронные и ультразвуковые локационные и

коммуникационные системы для бортовых и стационарных объектов. Методы и

средства искусственного интеллекта, алгоритмы обработки сигналов, изображений,

распознавания образов и автоматического управления. Принципы создания

малогабаритной аппаратуры на основе многоэлементных и многоканальных сенсоров,

микропроцессоров и БИС микроэлектронной технологии. Физическое и математическое

моделирование и автоматизированное проектирование указанных систем.

511608. Системы обработки информации и управления .

Методы оптимизации архитектуры и моделирования сложных информационных систем,



Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3




©dereksiz.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет