Вткс01. Физические основы вычислительной техники

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

                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.

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.

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

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:

2. Подготовка к лабораторным работам.

3. Оформление отчетов по лабораторным работам.

4. Перечень литературы и средств обучения

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

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

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

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

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.

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

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

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.

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.

накопитель магнитной энергии и элементы радиотехнических цепей. Ток смещения.

Уравнение Максвелла. Электромагнитные волны, их свойства и применение.

Электронные свойства твердых тел.

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

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.

нелинейного элемента с нагрузкой. Эквивалентные схемы элементов, границы их

применения. Радиоэлектронные приборы.

Усилители электрических сигналов.

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

его основе.

Генераторы электрических колебаний.

(мультивибратор).

Ключевые электронные схемы на биполярном и полевом транзисторе.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН (ЭВМ)

Элементы и узлы цифровых электронных приборов.

информации. Логические интегральные микросхемы - элементная база узлов ЭВМ.

Устройства памяти.

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.

Новые достижения и перспективы развития ЭВМ.

Когерентные волны. Оптические квантовые генераторы - источники когерентного

монохроматического излучения и их применение.

Дифракция волн.

Фраунгофера. Дифракционная решетка. Понятие о голографии.

Дисперсия и поляризация света.

Квантовые свойства света.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ФИЗИКИ АТОМОВ

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

Математический аппарат квантовой механики.

среднего значения физической величины. Связь экспериментальных результатов с

расчетами квантовой механики. Соотношения неопределенности.

Атом водорода.

Формулирование квантомеханической задачи многоэлектронных атомов.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ Фундаментальные проблемы.

Формулирование задач фундаментальной физики для их решения на ЭВМ.

Физические основы микроэлектроники

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.

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,