Neprihlásený používateľ
Cesta: Menu > Štúdium > Zoznam predmetov
1-INF-130 Princípy počítačov
Odporúčaný ročník: 1.
Semester: zimný
Rozsah: P4
Hodnotenie: 0/100
Počet kreditov: 5
Vyučujúci:prednáša doc. RNDr. Daniel Olejár PhD.
prednáša RNDr. Richard Ostertág PhD.
www stránka:

Cieľ:

Vybudovať matematické a technické základy potrebné pre pochopenie činnosti digitálnych počítačov. Poskytnúť základné poznatky o vnútornej realizácii počítača; súčinnosti hardvérových zariadení s operačným systémom.

Sylabus:
  1. Úvod: Ciele, systém výučby, samoštúdium, skúška, literatúra. História počítačov.
  2. Základné pojmy: Abeceda, slovo nad abecedou, dĺžka slova, prázdne slovo, podslovo, počiatočné a koncové podslovo, zreťazenie slov. Jazyk, množinové operácie s jazykmi, reprezentácia jazykov (vymenovanie slov, generovanie slov, rozpoznávanie slov, operácie nad známymi jazykmi). Iterácia slova a iterácie jazyka, kladná (+) a nezáporná (*) iterácia jazyka.
    Kódová abeceda, kódové slovo, kód, kódovanie. Rovnomerné (blokové) a nerovnomerné kódy. Jednoznačnosť dekódovania. Kódovanie znakov (kódovanie po písmenách) a kódovanie slov.
    Model prenosového kanála, zdroj informácie, zdrojová abeceda, kóder, modulátor, prenosový kanál, zdroj šumu, demodulátor, dekóder. Zmysel kódovania (kompresia údajov, ochrana proti chybám, utajenie obsahu).
    Údaje, informácia, poznatky.
  3. Kódovanie informácie v počítači: Princíp pozičnej číselnej sústavy. Binárna sústava. Prevody čísel medzi binárnou a desiatkovou sústavou, základné aritmetické operácie v binárnej sústave (sčítanie, odčítanie, násobenie, delenie).
    Typy údajov v počítači: textové, číselné, riadiace, obrazové, zvukové a iné. Číselné údaje: celé čísla a reálne čísla. Reprezentácia celých čísel: bez znamienka, znamienko absolútna hodnota, jednotkový doplnok, binárny doplnkový kód, exces kód, BCD kód, osmičkové a šestnástkové čísla, Grayov zrkadlový kód. Vyjadrenia celých čísel v rozličných formátoch. Počet zobraziteľných čísel, reprezentácia 0, aritmetické operácie nad celými číslami.
    Reprezentácia reálnych čísel: pevná rádová čiarka, pohyblivá rádová čiarka (floating point number system, FPNS). FPNS: mantisa, exponent. Normálny tvar mantisy. Reprezentácia exponentu pomocou exces kódu. Reprezentácia 0, najmenšie a najväčšie zobraziteľné (kladné) čísla, počet a hustota zobraziteľných čísel na číselnej osi. Aritmetické operácie s číslami vo FPNS. Úpravy exponentu pri aditívnych operáciách, postnormalizácia. Výnimky z normalizovaného tvaru. Hidden bit technique (technika skrytého bitu); počet a rozsah zobraziteľných čísel, reprezentácia 0, porovnanie so štandardným FPNS.
    Textová informácia – ASCII a EBCIDIC. Kódovanie špeciálnych znakov (rozšírené kódové množiny).
    Základná schéma von Neumannovho počítača a princíp činnosti (pamäť: radič pamäte, registre MAR, MBR, pamäťové miesta, I/O systém, CPU (IC, IR, akumulátor), ALU, registre). Inštrukcia: operačný kód a adresová časť. Spôsoby adresácie. Spracovanie inštrukcií. Mikroinštrukcie. Pomocné riadiace údaje: PSW (program status word).
    Kódovanie zvuku (napr. MP3) a obrazu (rastrová a vektorová grafika, formáty).
  4. Booleovské funkcie a operátory: Spracovanie informácie ako transformácia vstupných údajov na výstupné. Požiadavky: konečnosť vstupných a výstupných údajov, jednoznačnosť transformácie, elementárnosť krokov, rezultatívnosť, hromadnosť (= intuitívne požiadavky na algoritmus). Binárna reprezentácia vstupov a výstupov transformácie – tabuľka Booleovského operátora.
    Booleovská funkcia (BF), definícia. Premenné BF, podstatné a fiktívne, n-árne Booleovské funkcie. Počet n-árnych BF. Booleovský (n,m) operátor ako usporiadaná m-tica n-árnych Booleovských funkcií. Booleovské funkcie dvoch premenných. Základné binárne BF: konštanty, identické funkcie, negácia, konjunkcia, disjunkcia, súčet mod 2, ekvivalencia, NAND a NOR, implikácia.
    Skladanie BF. Formula. Realizácia BF formulami. Triedy BF, uzáver triedy, úplná trieda BF. Realizácia BF pomocou DNF (disjunktívnych normálnych foriem). Konštrukcia úplnej DNF. Minimalizácia DNF. Geometrické modely BF – n-rozmerná Booleovská kocka a Karnaugova mapa. Implikanty a ich geometrická implementácia (jednotkové podkocky a jednotkové podmatice), DNF ako pokrytie jednotkových bodov BF. Prosté implikanty BF. Quineho-McCluskeova metóda. Skrátená a minimálna DNF. Konštrukcia pokrytia. Zložitosť optimalizácie BF. Reprezentácia Booleovských operátorov pomocou DNF.
    Neúplne zadané BF a ich realizácia pomocou DNF. Konštrukcia DNF pre neúplne zadané BF pomocou Karnaughových máp. Quineho-McCluskeova metóda konštrukcie množiny prostých implikantov neúplne zadaných BF. Konštrukcia pokrytia.
  5. Kombinačné obvody: Reprezentácia znakov (špeciálne logických hodnôt) pomocou signálov. Napäťová, frekvenčná, fázová modulácia signálu. Napäťová reprezentácia logických hodnôt. Priebeh a interpretácia signálu. Základné logické členy AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR. Príklady reprezentácie pomocou elektrických obvodov. Návrh kombinačných obvodov: slovný popis, funkcia, Booleovská funkcia alebo B. operátor, pravdivostná tabuľka, DNF, logický obvod, testovanie oproti zadaniu. Základné kombinačné obvody: zjednotenie, prienik a doplnok binárnych veličín; testovanie binárnej veličiny na nenulovosť, testovanie parity binárnej veličiny. Porovnávanie veľkosti čísel. Dekóder. Prioritný kóder. Multiplexor a demultiplexor. Realizácia BF pomocou multiplexora. Sčítačka so sériovým prenosom. Sčítačka vo funkcii odčítačky. Sčítačka so zrýchleným prenosom. Zložitosť kombinačných obvodov (časová a priestorová). Aritmetická a logická jednotka, ALU.
  6. Sekvenčné obvody: Konečný automat a jeho reprezentácia (stavový diagram, matica prechodov). Problémy riešiteľné pomocou konečných automatov (hľadanie podslov, sčítanie, testovanie parity a pod.) Realizácia konečného automatu pomocou sekvenčného obvodu (všeobecná schéma). Pamäťový člen SR: logický obvod realizujúci SR, statická a dynamická analýza transformácie vstupných hodnôt. Problém preklápania obvodu SR a jeho riešenie. Synchronizovaný a asynchrónny člen SR. Zapojenie master-slave. Pamäťové členy JK, T, D. Návrh sekvenčného obvodu: neformálny popis problému, konečný automat (stavový diagram, matica prechodov), YZ matica, návrh výstupnej funkcie, excitačná matica, excitačné funkcie, návrh obvodu na realizáciu excitačných funkcií, zostavenie sekvenčného obvodu, testovanie oproti zadaniu. Základné sekvenčné obvody: registre - sériový, paralelný, posuvný. Čítač s úplným a neúplným cyklom. Pamäť. Základná bunka pamäte. Vnútorná organizácia pamäte: lineárna, 2D, 3D. Zložitosť dekódera adries. Zápis do a čítanie z pamäte. Registre MAR, MBR a ich úloha. Radič pamäte.
  7. Digitálne systémy: Oddelenie výkonnej a riadiacej časti obvodu. Riadiace jednotky: jednoduchá, stavovo závislá a programovateľná. Funkcia riadiacej jednotky. Jazyk RTL (registre, logické a aritmetické operácie, podmienené príkazy, operácie skoku). Zápis algoritmov v jazyku RTL. Návrh digitálneho systému: návrh algoritmu, syntéza výkonnej časti, návrh riadiacej jednotky, spojenie výkonnej a riadiacej časti, testovanie. Násobenie a delenie čísel. Aritmetické operácie s číslami v pohyblivej rádovej čiarke. Spracovanie inštrukcie von Neumannovského počítača.
Literatúra:

Skriptá

K 1. časti:

K 2. časti:

K 3. časti:

K 4. časti:

K 5. časti:

K 6. časti:

K 7. časti:


Informačný list predmetu z AISu

Kontakt Hlavná stránka © 2012