Космический факультет

Кафедра К3
«Прикладная математика, информатика
и вычислительная техника»

Телефон: 8 (498) 687-43-52
ГУК, ауд. 447
E-mail: caf-pm@mgul.ac.ru, caf-vt@mgul.ac.ru


Дисциплины

Теория автоматов

Преподаватель: Ефремов Николай Владимирович.
E-mail: efremovnv@bmstu.ru, nvlefremov@mail.ru.
Идентификатор персональной конференции для дистанционных занятий и консультаций через Zoom: 727 418 67 26. Пароль: 553695.

Направление подготовки: 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника».
Направленность подготовки: Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.
Квалификация выпускника: бакалавр.

Курс: 2.
Семестры: 3, 4.

Формы промежуточной аттестации:

  • зачёт — 3 семестр.
  • экзамен — 4 семестр.
  • курсовая работа — 4 семестр.

Содержание дисциплины:

  1. Вводные сведения
    • Понятие «автомат», два аспекта этого понятия.
    • Дисциплина «Теория автоматов», цели и задачи её изучения.
  2. Системы счисления
    • Системы счисления, позиционные, непозиционные, однородные, неоднородные, с постоянными весами разрядов, с непостоянными весами разрядов, код Грея, системы счисления специального назначения.
    • Перевод чисел из одной системы счисления в другую.
    • Два метода перевода чисел: табличный и расчетный.
    • Перевод целых чисел, перевод правильных дробей, перевод неправильных дробей, перевод в системы счисления с кратным основанием.
    • Выбор системы счисления для ЭВМ.
  3. Логические основы цифровых автоматов
    • Определение логической переменной и логической функции.
    • Простые и сложные функции.
    • Основные элементарные логические функции: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, сложение по модулю два, равнозначность, стрелка Пирса, штрих Шеффера.
    • Эквивалентность и её примеры.
    • Основные законы и правила алгебры логики.
    • Понятие полноты (базиса), система логических функций.
    • Представление логических функций в базисе И, ИЛИ, НЕ.
    • Нормальные и совершенные нормальные конъюнктивные и дизъюнктивные формы.
    • Понятие минимального базиса.
    • Базис Шеффера.
    • Представление логических функций в базисе Шеффера.
    • Базис Пирса.
    • Представление логических функций в базисе Пирса.
    • Задача анализа и синтеза логических функций.
    • Геометрическое и числовое представление логических функций.
    • Понятия и определения: минтерм,ранг, покрытие, вхождение, импликанта, сокращенная нормальная форма, тупиковая форма.
    • Задача минимизации логических функций и ограничения при ее рассмотрении.
    • Методы минимизации логических функций.
    • Минимизация логических функций методом Квайна. Пример.
    • Минимизация логических функций методом Квайна мак Класки.
    • Минимизация с помощью карт Карно.
    • Не полностью определенные логические функции и их минимизация.
  4. Арифметические основы цифровых автоматов
    • Способы представления чисел в ЭВМ. Форматы представления чисел с фиксированной запятой (точкой) и с плавающей запятой.
    • Диапазон и точность представления чисел.
    • Представление в ЭВМ чисел со знаком.
    • Прямой, обратный и дополнительный коды.
    • Алгебраическое суммирование чисел с фиксированной запятой с использованием обратного и дополнительного кодов.
    • Модифицированные коды.
    • Умножение правильных дробей, представленных в прямом, дополнительном, обратном кодах на два в степени +/- k.
    • 4 способа умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде.
    • Логические и аппаратные методы ускорения умножения. Умножение одновременно на два разряда множителя. Матричные схемы умножения.
    • Умножение в дополнительном коде с использованием корректирующего шага.
    • Умножение в дополнительном коде используя анализ двух смежных разрядов множителя.
    • Умножение в обратном коде.
    • Деление чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом и дополнительном кодах.
    • Деление с восстановлением остатка и без восстановления.
    • Деление со сдвигом остатка и со сдвигом делителя.
    • Выполнение арифметических операций над числами с плавающей запятой.
    • Обоснование блокировок.
    • Машинный нуль и бесконечность.
    • Десятичные двоично-кодированные системы.
  5. Абстрактные автоматы
    • Основные понятия и определения.
    • Конечный автомат, полностью определенный, частичный автомат, синхронный, асинхронный автомат.
    • Закон функционирования автоматов МИЛИ и МУРА.
    • Табличный и графический способы задания автоматов.
    • Эквивалентные автоматы.
    • Преобразование автомата МУРА в автомат МИЛИ и наоборот.
    • Совмещенная модель автомата (С автомат).
    • Задача минимизации автоматов.
    • Три основных вида соединения автоматов: последовательное, параллельное и с обратной связью.
    • Задача композиции и декомпозиции автоматов.
  6. Структурные автоматы
    • Канонический метод структурного синтеза автоматов.
    • Теорема о структурной полноте.
    • Элементарные полные автоматы с одним и двумя входами.
    • Основные этапы и примеры структурного синтеза автоматов.
    • Состязания и гонки в автоматах.
    • Способы устранения критических состязаний.
    • Противогоночное кодирование состояний автомата.
    • Кодирование состояний и сложность комбинационных схем, реализующих функции выходов и возбуждения элементов памяти.
  7. Микропрограммные автоматы
    • Принцип микропрограммного управления.
    • Модель дискретного преобразователя Глушкова.
    • Функции операционного и управляющего автоматов.
    • Задача проектирования операционного устройства.
    • Функциональная микропрограмма.
    • Язык функционального микропрограммирования.
    • Содержательный и закодированный графы микропрограммы.
    • Структурная организация операционных автоматов.
    • Структурный базис: шины, регистры, комбинационные схемы.
    • Каноническая структура операционного автомата.
    • Операционные элементы комбинационного и накапливающего типов.
    • Управляющие автоматы с жесткой логикой.
    • Интерпретация микропрограммы автоматами МИЛИ и МУРА.
    • Управляющие автоматы с программируемой логикой.
    • Микрокоманды.
    • Распределение микроопераций по полям микрокоманды.
    • Принудительная и естественная адресация микрокоманд.
  8. Учебный стенд «Altera DE 2-115» и средства автоматизации проектирования.
    • Структура стенда «Altera DE 2-115» и программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) «CYCLON IY».
    • САПР «QUARTUS II». Ввод проектов, верификация проектов, реализация проектов в кристалле ПЛИС.
    • Основы языка VHDL.
    • Объекты языка: сигнал, переменная, константа.
    • Интерфейс и архитектура объекта.
    • Поведенческий, структурный и смешанные стили описания архитектуры.
    • Последовательные и параллельные операторы.
    • Функции и процедуры.
    • Библиотеки и пакеты.
    • Верификация HDL описаний.
    • Приложение ModelSim. Создание нового проекта, добавление новых файлов, моделирование в ModelSim.

Основная литература:

  1. Савельев А. Я. Прикладная теория цифровых автоматов. Учебник для вузов — М.: Высшая школа, 1987 — 272 стр. (http://en.bookfi.net/book/587942)
  2. Самофалов К. Г. и др. Прикладная теория цифровых автоматов. — К.: Вища школа. Головное издательство 1987 — 375 стр. (http://en.bookfi.net/book/482488)
  3. Ефремов Н. В. Логические основы цифровых автоматов. Учебное пособие — 3-е изд. — М.: МГУЛ, 2008 — 40 стр.
  4. Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов — СПб.: Питер, 2007 — 667 стр. (http://en.bookfi.net/book/720223)

Дополнительная литература:

  1. Бибило П. Н. Основы языка VHDL. Изд. 3-е. доп. — М.: Издательство ЛКИ. 2007. — 328 с. (https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_000689580/)
  2. Грушвицкий Р. И., Мурсаев А. X. Угрюмов Е. П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 736 с. (http://bookre.org/reader?file=636500)
  3. Амосов В. В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. — СПб.: БХВ — Петербург, 2007. — 560 с. (https://www.razym.ru/tehnicheskaya/electronika/259217-amosov-v-shemotehnika-i-sredstva-proektirovaniya-cifrovyh-ustroystv-2012.html).

Учебные и учебно-методические пособия:

  1. Ефремов Н. В. Теория автоматов: учебно-методическое пособие — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 78,
  2. Ефремов Н. В. Проектирование операционных устройств в кристалле ПЛИС с использованием языка VHDL в САПР QUARTUS II: учебно-методическое пособие — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 73,
  3. Ефремов Н. В. Введение в систему автоматизированного проектирования Quartus II. Учебное пособие. — М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2011. — 147 с.
  4. Ефремов Н. В., Бородин А. А. Инструментальные средства проектирования и отладки цифровых систем на программируемом кристалле фирмы «Altera». Учебное пособие. — М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012. — 151 с.
  5. Теория автоматов. Лабораторный практикум: учебное пособие / Под ред Б.Н. Ковригина. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 192 с. (https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_006743688/)
  6. Ковригин Б. Н. Введение в инструментальные средства проектирования и отладки цифровых устройств на ПЛИС: Учебно-методическое пособие. М.: МИФИ, 2006. — 192 с. (https://studfile.net/preview/6290352/)

Нормативные документы

  1. IEEE Standard VHDL Language Reference Manual, IEEE Std 1076 — 1993. (https://edg.uchicago.edu/~tang/VHDLref.pdf)

Ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» и другие электронные информационные источники

  1. Электронно-библиотечная система издательства «Лань» (электронная учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
  2. Электронные издания Издательства МГТУ им. Н. Э. Баумана (электронная учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
  3. Электронный каталог библиотеки МГУЛ (учебная, методическая и научная литература по тематике дисциплины)
  4. Электронная образовательная среда МФ (для обеспечения учебно-методическими материалами, проверки знаний студентов по различным разделам дисциплины, подготовленности их к проведению и защите лабораторных работ)

Контрольные работы по ТА:

Материалы для курсовой работы по ТА:

Методические указания по выполнению курсовой работы:

Исходные файлы примеров, разобранных в учебно-методическом пособии:

Видеоматериалы:

Рабочая программа по ТА:

Учебные стенды по ТА:

Вопросы к экзамену:

Административный раздел