Учебные материалы АОИС часть 1 / part_2 / Программа / Аппаратное обеспечение интеллектуальных систем

Министерство образования Республики Беларусь Учебно-методическое объединение в области информатики и радиоэлектроники

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель министра образования Республики Беларусь

____________________А.И. Жук

____________________

Регистрационный № ТД-___/тип.

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ Типовая учебная программа для высших учебных заведений

по специальности 1-40 03 01 искусственный интеллект

СОГЛАСОВАНО	СОГЛАСОВАНО
Начальник управления	Начальник Управления высшего и
радиоэлектронной промышленности	среднего специального образования
Министерства промышленности	Министерства образования
Республики Беларусь	Республики Беларусь
__________________Э.Ф.Лобанович	__________________Ю.И. Миксюк
__________________	__________________
Председатель УМО вузов Республики	Первый проректор Государственного
Беларусь по образованию в области	учреждения образования
информатики и радиоэлектроники	«Республиканский институт высшей
___________________М.П. Батура	школы»
___________________	______________________В.И. Дынич
	_____________________
	Эксперт-нормоконтролер
	_________________С.М. Артемьева
	_________________

Минск 2008

2

СОСТАВИТЕЛИ:

В.В. Голенков, профессор кафедры информационных интеллектуальных технологий Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», доктор технических наук, професор; В.П. Качков, доцент кафедры информационных интеллектуальных технологий

Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук; Д.Г. Колб, ассистент кафедры информационных интеллектуальных технологий

Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Под общей редакцией: В.В. Голенкова

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Кафедра интеллектуальных систем Белорусского государственного университета (протокол № 11 от 18.03. 2008); Е.В. Новиков, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники

Учреждения образования «Высший государственный колледж связи», кандидат технических наук, доцент

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ

Кафедрой интеллектуальных информационных технологий Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 11 от 14.01. 2008); Научно-методическим советом Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол №___от ________________);

Научно-методическим советом по направлению 1-40 Вычислительная техника УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 5 от 02.04.2008);

Ответственный за выпуск: Шикова Ц.С.

3

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программа «Аппаратное обеспечение интеллектуальных систем» разработана для студентов специальности 1-40 03 01 Искусственный интеллект для высших учебных заведений. Программа составлена в соответствии с требованиями Образовательного стандарта № ОСРБ 1-40 03 01-2007 по специальности 1-40 03 01 Искусственный интеллект.

Она предусматривает обеспечение студента базовыми знаниями по основным вопросам организации и функционирования традиционных и интеллектуальных компьютеров.

Для изучения курса «Аппаратное обеспечение интеллектуальных систем» необходимы знания по следующим дисциплинам: «Высшая математика», «Основы искусственного интеллекта», «Основы алгоритмизации и программирования».

В результате освоения курса «Аппаратное обеспечение интеллектуальных систем студент должен:

В результате изучения дисциплины обучаемый должен

знать:

-этапы эволюции интеллектуальных свойств ЭВМ;

-представление числовой информации в ЭВМ, особенности выполнения арифметических операций в ЭВМ;

-методы синтеза и минимизации логических схем и схем с памятью (цифровых автоматов);

-основные принципы построения и функционирования ЭВМ, ее составных частей;

-основные тенденции и направления развития структуры ЭВМ и ее программного обеспечения;

-концептуальные модели виртуальных, объектно-ориентированных и интеллектуальных ЭВМ;

-параллельные компьютеры для интеллектуальных систем;

-особенности памятей с адресацией по содержанию;

-подходы к реализации памяти с адресацией по содержанию (программный и аппаратный);

-логические основы и особенности аппаратной реализации ассоциативной памяти;

-примеры построения ассоциативных процессоров;

уметь:

-выполнять арифметические операции над числовой информацией, представленной в разных формах и кодах;

4

-синтезировать и минимизировать различные логические схемы и схемы с памятью;

-строить и анализировать программные модели ассоциативных памятей и ассоциативных процессоров.

Программа рассчитана на объем 266 учебных часов, из них – 120 аудиторных. Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий: лекций - 86 часов, лабораторных работ – 18 часов, практических занятий – 16 часов

Примерный тематический план курса – в соответствии с таблицей 1. Таблица1.

№	Наименование раздела, темы	Лекции	Практичес-	Лаборатор-
пп		(часы)	кие занятия	ные занятия
			(часы)	(часы)
1	2	3	4	5
	Введение	4
1.	Тема 1. Арифметические	4	4
	основы ЭВМ
1.1.	Системы счисления	2	2
1.2.	Формы представления	2	2
	информации
2.	Тема 2. Логические основы	14	8
	ЭВМ
2.1	Логические переменные и	2	2
	функции
2.2	Синтез функциональных схем	4	2
2.3	Синтез комбинационных схем	4	2
2.4	Накапливающие схемы	4	2
	(триггеры).
3	Тема 3. Принципы построения и	12	4
	функционирования ЭВМ.
3.1	Принцип программного	2	2
	управления (принцип Фон-
	Неймана).
3.2	Функциональная организация	2	2
	ЭВМ.
3.3	Режимы работы ЭВМ	2
3.4	Общие принципы структурной	2
	организации ЭВМ.
	Операционные и управляющие
	блоки (устройства).
3.5	Принципы построения	2
	устройств памяти.

		5
3.6	Подсистема ввода-вывода.	2
4	Тема 4. Развитие архитектуры и	4
	структуры ЭВМ
4.1	Основные тенденции развития	2
	ЭВМ
4.2	Развитие операционных сред в	2
	ЭВМ
5	Тема 5. Абстрактные	14
	информационные машины
5.1	Понятие абстрактной	2
	информационной машины
5.2	Программная реализация	6
	абстрактных информационных
	машин.
5.3	Языки функционального	6
	программирования
6	Тема 6. Ассоциативная память.	4
	Определения и концепции
6.1	Основные понятия	2
6.2	Ассоциации	2
7	Тема 7. Программный подход к	8		8
	адресации по содержанию
7.1	Основные принципы	2		4
	хеширования
7.2	Понятия о коллизии и пробинге	2
7.3	Структура и форматы таблиц	2
	хеширования.
7.4	Ассоциативный поиск	2		4
8	Тема 8. Логические принципы	8
	организации ассоциативных
	запоминающих устройств
	(АЗУ)
8.1	Основы организации АЗУ	4
8.2	Реализация АЗУ	4
9	Тема 9. Место ассоциативной	14		10
	памяти в современных ЭВМ
9.1	Применение АЗУ	6		5
9.2	Тенденции развития функций	4
	ассоциативной памяти
9.3	Применение ассоциативного	4		5
	поиска и обработки
	информации в
	интеллектуальных компьютерах

6

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ВВЕДЕНИЕ

Этапы развития ЭВМ. Эволюция интеллектуальных свойств ЭВМ. Примеры структурной организации ЭВМ.

Тема 1. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

1.1 Системы счисления.

Системы счисления, применяемые в ЭВМ (двоичная, восьмиричная, шестнадцатиричная и двоично-десятичная системы счисления). Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

1.2 Формы представления информации Формы представления информации в ЭВМ. Представление чисел с

фиксированной и плавающей точкой. Масштабирование. Кодирование чисел в ЭВМ (прямой, дополнительный, обратный коды). Точность представления информации в ЭВМ. Выполнение арифметических операций в двоичной системе счисления (чисел с фиксированной и плавающей точкой).

Тема 2. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

2.1Логические переменные и функции.

Логические переменные и функции. Базовые системы логических функций. Законы и правила алгебры Буля.

2.2Синтез функциональных схем.

Синтез функциональных схем. Основные методы минимизации логических функций (расчетный, расчетно-табличный, табличный).Функциональная полнота различных наборов элементарных логических функций.

2.3Синтез комбинационных схем.

Синтез комбинационных схем в различных логических базисах (Шеффера, Пирса). Синтез комбинационных схем с несколькими выходами и схем, имеющих неполностью определенные функции.

2.4Накапливающие схемы (триггеры).

Накапливающие схемы (триггеры). Построение регистров, счетчиков, сдвигателей. Синтез схем с памятью.

Тема 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ

3.1 Принцип программного управления (принцип Фон-Неймана). Принцип программного управления (принцип Фон-Неймана). Состав и

порядок функционирования ЭВМ.

7

3.2 Функциональная организация ЭВМ.

Функциональная организация ЭВМ. Абстрактные элементы, используемые для определения функциональной организации ЭВМ (наборы символов, машинные операции, адреса, команды). Система команд, форматы команд. Способы адресации.

3.3 Режимы работы ЭВМ Режимы работы ЭВМ (однопрограммный, пакетный, мультипрограммный,

режим реального времени). Средства, необходимые для обеспечения мультипрограммного режима работы (общие понятия об организации памяти, защите памяти, прерываниях, организации ввода-вывода).

3.4Общие принципы структурной организации ЭВМ. Операционные и управляющие блоки (устройства).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Структура, понятие микроопераций. Алгоритмы реализации операций в АЛУ (сложение, вычитание, умножение, деление). Граф-схемы алгоритмов (ГСА) арифметических операций. Устройство управления. Микропрограммный принцип построения управления. Типы структуры микрокоманд. Управление с жесткой (аппаратурной) логикой. Цифровые автоматы. Синтез цифровых автоматов.

3.5 Принципы построения устройств памяти.

Принципы построения устройств памяти. Классификация. Важнейшие характеристики устройств памяти. Способы организации доступа к памяти ЭВМ (адресная, ассоциативная, стековая, магазинная).Организация памяти в многопрограммных ЭВМ. Динамическое распределение памяти. Защита памяти.

3.6 Подсистема ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода. Организация выполнения операций вводавывода параллельно с работой процессора.

Тема 4. РАЗВИТИЕ АРХИТЕКТУРЫ И СТРУКТУРЫ ЭВМ

4.1 Основные тенденции развития ЭВМ.

Основные тенденции развития ЭВМ. Классификация ЭВМ по архитектуре, организации информационных связей между подсистемами, организации взаимодействия потоков команд и потоков данных. Направления развития основных подсистем ЭВМ (обрабатывающей, управления и обслуживания, памяти и ввода-вывода).

4.2 Развитие операционных сред в ЭВМ.

8

Развитие операционных сред в ЭВМ различных поколений. Концептуальные модели виртуальных, объектно-ориентированных и интеллектуальных ЭВМ. Многообразие параллельных компьютерных архитектур.

Тема 5. АБСТРАКТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАШИНЫ

5.1Понятие абстрактной информационной машины

Понятие абстрактной информационной машины, как способа формального уточнения принципов организации переработки информации на различных уровнях различных аппаратно-программных комплексов и систем. Абстрактные машины Тьюринга и Поста.

5.2 Программная реализация абстрактных информационных машин. Программная реализация абстрактных информационных машин.

Абстрактная информационная машина фон-Неймана, определяющая архитектуру традиционного компьютера. Абстрактные информационные машины, определяющие операционную семантику процедурных языков программирования высокого уровня, соответствующие им компьютерные архитектуры.

5.3 Языки функционального программирования Языки функционального программирования и соответствующие им

потоковые компьютерные архитектуры, обеспечивающие управление потоком данных. Абстрактные машины логического программирования и соответствующие им логические компьютеры - Lisp-компьютеры, Prologкомпьютеры, Smalltalk-компьютеры.

ТЕМА 6. АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕПЦИИ

6.1 Основные понятия.

Развитие и применение запоминающих устройств с адресацией по содержанию. Основные понятия об ассоциативной памяти. Определения и концепции. Два подхода к реализации памяти с адресацией по содержанию (программный и аппаратный).

6.2 Ассоциации

Виды ассоциаций (прямая и косвенная). Основные понятия теории ассоциаций (атрибут, объект, значение, отношение и др.). Структура ассоциаций. Построение информационных структур (цепочки и сети отношений, составное отношение). Ассоциативная выборка. Законы ассоциаций. Особенности ассоциативной памяти естественного интеллекта (человека). Понятия о мерах сходства.

9

Тема 7. ПРОГРАММНЫЙ ПОДХОД К АДРЕСАЦИИ ПО СОДЕРЖАНИЮ

7.1 Основные принципы хеширования

Функции хеширования. Перевод ключевых слов в числовую форму. Формирование Хеш-адреса.

7.2 Понятия о коллизии и пробинге

Методы обработки коллизий (с использованием внутренней адресации и специальной области памяти – области переполнения).Виды пробинга (линейный, квадратичный, случайный). Проблемы группирования при хешировании. Методы устранения группирований (применение различных видов пробинга, метод пересекающихся цепочек и др.). Методы ускорения процедур поиска (применение флажка “Коллизия”, упорядоченные таблицы хеширования, виртуальные Хеш-адреса).

7.3 Структура и форматы таблиц хеширования.

Непосредственная и косвенная адресация. Примеры организации таблиц хеширования. Буферизация таблиц хеширования. Клеточная организация таблиц хеширования.

7.4 Ассоциативный поиск.

Многоключевой поиск. Списки и списочные структуры. Связные одно- и двунаправленные списки. Бинарное дерево. Мультисписки. Реализация многоключевого поиска с помощью индексных таблиц хеширования. Применение методов хеширования для поиска по соответствию.

ТЕМА 8. ЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ АССОЦИАТИВНЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ (АЗУ)

8.1 Основы организации АЗУ.

Логические основы организации АЗУ. Структура и основные функции АЗУ параллельного действия (считывание, запись, обработка многократных совпадений, формирование адреса). АЗУ параллельного действия с поиском, параллельным по словам и последовательным по разрядам, последовательным по словам и параллельным по разрядам. Виды адресации (обычная, диагональная и др.)

8.2 Реализация АЗУ.

Схемотехнические базисы реализации АЗУ.

ТЕМА 9. МЕСТО АССОЦИАТИВНОЙ ПАМЯТИ В СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ

9.1 Применение АЗУ

Основные варианты применения АЗУ в ЭВМ (организация виртуальной памяти, ассоциативная буферная память , программируемая логика и др. )

9.2 Тенденции развития функций ассоциативной памяти

Основные тенденции развития функций ассоциативной памяти. Ассоциативные процессоры с высоким уровнем параллелизма (с

10

параллелизмом на уровне бита, программируемые АЗУ, системы памяти с распределенной логикой). Матричные процессоры (простейший процессор, 3-х канальной процессор, RADCAP и др.). Примеры реализации ассоциативных процессоров (RELACS, STARAN, PEPE и др.). Применение принципов ассоциативной адресации в интеллектуальных компьютерах.

9.3 Применение ассоциативного поиска и обработки информации в интеллектуальных компьютерах

Основные особенности интеллектуальных компьютеров. Применение принципов ассоциативного поиска и обработки информации для обработки знаний. Применение принципов ассоциативного поиска и обработки информации для распознавания образов.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1.Системы счисления, формы представления информации в ЭВМ.

2.Арифметические операции над двоичными числами.

3.Минимизация логических функций.

4.Синтез функциональных схем.

5.Синтез цифровых автоматов.

6.Построение микропрограммного выполнения арифметических операций.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Построение и проверка программной модели, обеспечивающей формирование Хэш-таблиц и ассоциативный поиск информации по ключам.

2.Построение и проверка программной модели, обеспечивающей выполнение базовых операций ассоциативной памяти.

3.Построение и проверка программной модели ассоциативного процессора, обеспечивающей выполнение поисковых и вычислительных операций.

4.Построение и анализ схемотехнической модели АЗУ.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

1.Компьютер под управлением операционной системы семейства

Windows

2.Визуальная среда программирования на языке С++ или Java.

3.Проектор для иллюстративного материала при чтении лекций

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

1Аладьев В.З., Хунт Ю.А., Шишаков М.Л. Основы информатики. - М.: Филинъ, 1999 г.

2Заморин А.П. Этапы эволюции ЭВМ. - М.: Знание, 1987. - 53 с.

3Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М.: Энергия, 1991 г.