Программа
вступительного экзамена
в аспирантуру по специальности
05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы
и компьютерные сети»
1. Общие положения
"Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети" - специальность, занимающаяся совершенствованием и созданием принципиально новых вычислительных машин и систем, включающая разработку научных основ архитектурных, структурных, логических и технических принципов их создания, отличающаяся тем, что она содержит научные и технические исследования и разработку в области архитектуры вычислительных машин и компьютерных сетей, устройств арифметической, логической, символьной и специальной обработки, устройств управления, памяти, устройств ввода-вывода, параллельной и конвейерной обработки информации, многопроцессорных и многомашинных систем. Важность решения научно-технических проблем данной специальности состоит в создании и совершенствовании теоретической и технической базы средств вычислительных машин и систем, обладающих высокими качественными и эксплуатационными показателями, обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса и имеющих важное народно-хозяйственное значение.
Область исследования:
1. Разработка научных основ создания, исследования общих свойств и принципов функционирования вычислительных машин и компьютерных сетей.
2. Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования вычислительных машин и систем в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
3. Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза вычислительных машин и компьютерных сетей с целью улучшения их технических характеристик.
4. Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования вычислительных машин и систем.
Настоящая программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети» отражает современное состояние средств вычислительной техники и включает их важнейшие разделы, знание которых необходимо высококвалифицированному специалисту, выполняющему в рамках подготовки диссертации научно-исследовательскую работу, содержащую новое решение актуальной научной задачи. Экзаменующийся по специальности должен продемонстрировать высокий уровень теоретической и экспериментальной подготовки, знание общих физических концепций, глубокое понимание основных разделов науки и техники по специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети». Экзаменующийся должен показать умение применять полученные знания для решения исследовательских и прикладных задач, для проведения необходимых инженерно-технических расчетов и оптимизации конструкции и технологии создания средств вычислительной техники. В основу программы положены следующие вузовские дисциплины: «Организация ЭВМ», «Схемотехника ЭВМ», «Сети ЭВМ и телекоммуникации», «Интерфейсы периферийных устройств», «Программирование на языке высокого уровня».
Программа вступительного экзамена по специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети» разработана на основе соответствующих программ учебных дисциплин высшего образования.
2. Содержание вступительного экзамена
Математические основы функционирования ЦВМ
· Системы счисления. Разложение числа по степеням основания системы счисления. Перевод чисел из одной позиционной системы счисления в другую.
· Представление данных в ЭВМ. Формы представления чисел с фиксированной и плавающей запятой. Преимущества и недостатки каждой из форм представления чисел, их использование в вычислительной технике. Представление отрицательных чисел в ЦВМ. Прямой код. Обратный код. Дополнительный код. Введение модифицированных прямого, обратного и дополнительного кодов для обнаружения переполнения разрядной сетки. Правила сложения чисел и умножения чисел в форме с фиксированной и плавающей запятой.
· Двоичные числа с плавающей точкой: представление, особые случаи, особые представления чисел. Строки символов: методы кодировки, свойства.
· Понятие логической переменной и логической функции. Функционально полная система логических функций (базис). Теорема Поста-Яблонского о функциональной полноте. Примеры функционально-полных базисов: базис алгебры Буля, базис алгебры Жегалкина, базис стрелки Пирса и базис штриха Шеффера. Минимизация логических функций с помощью карт Карно.
· Моделирование систем. Общая классификация моделей систем. Математические методы описания технических систем. Непрерывно детерминированные модели (D-системы). Дискретно детерминированные модели (F-системы). Дискретно-стохастические модели (Р-системы).
· Моделирующий алгоритм. Принципы построения моделирующих алгоритмов. Языки моделирования. Генераторы случайных чисел. Псевдослучайные числа. Моделирование случайных сигналов и процессов.
· Цифровое кодирование информации. Коды: позиционные, двоично-десятичные, Грея. Взаимные преобразования кодов Неравенство Крафта и теорема Шеннона об эффективном кодировании. Построение эффективного кода по методам Шеннона-Фано и Хаффмена. Эффективность оптимальных кодов. Кодирование укрупненными блоками. Цель и сущность помехоустойчивого кодирования. Теоремы Шеннона о помехоустойчивом кодировании.
· Классификация корректирующих кодов. Общие принципы использования избыточности при построении корректирующих кодов. Кодовое расстояние и его влияние на корректирующую способность кода. Избыточность корректирующих кодов.
Организация ЭВМ и систем
· Обобщенная структурная организация ЭВМ: понятие, свойства и функции операционного устройства, памяти и устройств ввода-вывода. Основные характеристики ЭВМ, ее параметры. Режимы работы ЭВМ: однопрограммный, мультипрограммный, пакетной обработки, вытесняющей многозадачности, режим работы в реальном масштабе времени.
· Общие методы адресации информации: прямая или абсолютная, непосредственная, неявная, регистровая, косвенная, базовая, индексная, автоинкрементная и автодекрементная, относительная адресация. Понятие стека.
· Машинные операции и их иерархия; функциональная полнота и эффективность набора операций. Общая классификация машинных операций, RISC - и CISC-архитектура. Структура команд, форматы команд процессоров на примере IA-32.
· Виды, приоритеты, маскирование прерываний; вложенные прерывания; организация прерываний на примере IA-32; программные прерывания. Внешние прерывания и идентификация устройств: программный и аппаратный поллинг; программируемый контроллер прерываний.
· Способы повышения производительности ЭВМ: распараллеливание, конвейеризация. Виды параллелизма. Классификация систем обработки информации по потокам команд и данных, мультипроцессоры и мультикомпьютеры.
· Классификация, характеристики и области применения специализированных процессоров. Примеры процессоров ввода-вывода: сетевых, звуковых и видеопроцессоров.
· Архитектура параллельных систем; систолические и волновые матрицы; транспьютер. Соединения в вычислительных комплексах, гиперкуб. Примеры систем массового параллелизма и супер-ЭВМ. Топологии соединений мультимикроконтроллерных и мультимикропроцессорных систем.
· Типы запоминающих элементов; электронные запоминающие элементы: ПЗУ, ОЗУ, классификация, устройство и области применения. Иерархическая организация памяти ЭВМ; организация ОЗУ: простейший вариант, память с многоканальным доступом, с расслоением обращений; сегментная и страничная организация памяти. Структура и характеристики кэш-памяти, магазинная кэш-память; буферные ЗУ с прямой адресацией. Ассоциативная кэш память: понятие об ассоциативной организации информации, структура и реализация ассоциативного ЗУ, ассоциативная по множеству кэш-память. Алгоритмы свопинга и замещения информации.
· Динамическая память. Асинхронная память— FPM, EDO и BEDO DRAM. Синхронная память – SDRAM и DDR SDRAM. Память с виртуальными каналами – VC DRAM. Структурная организация запоминающих устройств. Статическая память. Энергонезависимая память. Память на магнитных носителях. Принципы построения SSD накопителей.
· Понятие интерфейса. Параллельная и последовательная, синхронная и асинхронная передача данных; структуры интерфейсов. Основные системные интерфейсы малых ЭВМ и ПК: Q-bus, Multibus, ISA, МСА, EISA, PCI, AGP, ATA, SCSI. Локальные шины на примере процессоров IA-32. Обзор моделей универсальных ЭВМ широкого применения.
· Интерфейс НГМД. Аппаратный интерфейс. Контроллер НГМД. Интерфейс ATA/ATAPI (IDE). Параллельный интерфейс АТА. Последовательный интерфейс Serial ATA.
· Причины возникновения и характер помех по общему проводу и шинам питания, способы снижения их уровня. Искажения цифровых сигналов при передаче по электрически коротким и длинным линиям связи. Способы согласования источников и приемников цифровых сигналов.
Программное обеспечение ЭВМ
· Классификация операционных систем. Основные принципы их построения. Краткий обзор истории создания и ближайших перспектив развития операционных систем ЭВМ.
· Процесс – основной агент в операционной системе. Модель процесса, основанная на марковской схеме случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем перехода. Диаграмма состояний процесса. Классификация процессов. Ресурс как основной объект распределения в операционной системе, классификация ресурсов. Виртуализация – основной принцип решения задач, стоящих перед ОС. Использование концепции виртуализации в методе восходящего проектирования ОС. Уровни виртуализации по Майерсу.
· Разделение задач по характеру использования ресурсов. Задачи и содержание долгосрочного планирования. Интерпретативный и компилятивный принципы реализации долгосрочного планирования. Реализация схемы управления заданиями в операционной системе майнфрэймов.
· Подсистема управления вводом- выводом. Драйверы устройств. Асинхронный и синхронный драйверы. Драйверы блочных и символьных устройств. Базовая система ввода-вывода (BIOS).
· Классы операционных систем. Задачи системного программиста по управлению и настройке операционной системы. Генерация ОС и файлы конфигурирования. Сравнительные характеристики MS DOS, Win9x, Unix/Linux. Краткий обзор современных сетевых ОС.
· Понятие программного модуля. Основные характеристики программного модуля. Спецификация программного модуля. Методы разработки структуры программы. Контроль структуры программы.
· Инструментальная среда разработчика. Машинно-ориентированные и проблемно-ориентированные системы программирования. Сочетание достоинств обоих классов систем программирования. Типизация, структура программ, основные виды операций. Передача параметров при обращении к процедурам и функциям. Многоуровневая организация системы средств ввода - вывода.
· Тестирование и отладка программного средства, основные понятия. Стратегия проектирования тестов. Автономная отладка и тестирование программного модуля. Комплексная отладка и тестирование программного средства.
· Общая характеристика процесса обеспечения качества программного средства. Инструментальные среды разработки и сопровождения программных средств, использующие графические пакеты. Среда визуального программирования Delphi. Понятие проекта и формы приложения. Компоненты формы. Событие и процедура обработки события. Компиляция и запуск приложения.
· Методология объектно ориентированного программирования в разработке программных средств. Инструментальная среда разработчика программирования. Сочетание достоинств машинно-ориентированных и проблемно-ориентированных систем программирования в языке Си.
· Обзор свойств Java. Типы данных. Классы в Java. Пакеты. Обработка событий. Потоки. Работа с файлами. Обработка исключительных ситуаций. Апплеты. Сервлеты.
· Структура HTML-документа. Синтаксис HTML-тегов. Теги заголовка документа. Логическое и физическое форматирование текста. Таблицы. Формы. Фреймы. Навигационные карты. Каскадные таблицы стилей.
Сетевые технологии и защита информации
· Понятие о распределенных вычислительных средах (РВС). Основные компоненты РВС. Модели взаимодействия в РВС. Информационно-вычислительные сети – основа РВС. Классификация информационно-вычислительных сетей. Сетевые архитектуры: одноранговая сеть, сеть типа "клиент-сервер" и их разновидности. Топология сетей.
· Определение открытой системы. Уровни и протоколы. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем — модель OSI (Open System Interconnection). Обзор стеков коммуникационных протоколов. Принципы межсетевых взаимодействий.
· Локальные вычислительные сети (ЛВС): основные протоколы и стандарты. Методы доступа к среде передачи данных. Базовые технологии ЛВС: сети Ethernet и ее разновидности, сети Token Ring и FDDI. Сетевое оборудование ЛВС.
· Типы глобальных сетей. Особенности технологий SDH, ISDN, X25, Frame Relay, ATM. Обзор других перспективных сетевых технологий. Организация удаленного доступа в глобальных составных сетях.
· Служба и задачи администрирования сети. Средства администрирования. Пользователи, учетные записи, профили, группы, домены, доверительные отношения. Стандартные группы Windows NT. Управление учетными записями пользователей и групп и политикой защиты. Назначение прав и полномочий. Ревизия событий в системе защиты. Редакторы системной политики.
· Информация как объект нападений и защиты. Среда защиты информации и ее составные части. Модели систем и процессов обеспечения информационной безопасности. Защищаемые ресурсы, области, объекты в области. Абстрактные модели защиты информации. Стратегии защиты информации.
· Механизмы обеспечения целостности информации. Механизмы подтверждения подлинности объектов. Механизмы защиты конфиденциальности информации. Механизмы защиты от отказа доступа к информации.
· Криптографические модели защиты информации. Алгоритмы шифрования и их классификация. Понятие о криптосистемах. Симметричные и асимметричные криптосистемы. Технология цифровой подписи. Управление криптографическими ключами.
· Элементы повышенной опасности в Intranet. Стратегия защиты сети. Использование брандмауэров. Протокол SSL.
3. Рекомендуемая учебная литература
Основная:
1. . Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник для вузов. СПб, «Интер», 2002.
2. Михаил Гук. Аппаратные средства локальных сетей. СПб, «Интер», 2000.
3. Яблонский в дискретную математику: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., стер. — М.: Высш. школа, 2001.
4. Новиков математика для программистов: Учебник. — СПб.: Питер, 2001.
5. нтерфейсы ПК. Справочник. - СПб., 1999.
6. , Яковлев систем: Учеб. для вузов по спец. «Автоматизир. системы обработки информ. и упр.». – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1998.– 319 с.: ил.
7. К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003.
8. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2003.
9. перационные системы. 4-е изд.: пер. с англ. – М.: Изд. дом «Вильямс»,2002. – 848 с.: ил.
10. Г. Дейтел Введение в операционные системы, т.1, 2. М., Мир, 1987.
11. Орлов разработки программного обеспечения (2-е издание). – СПб, Питер, 2003.
12. Броидо системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер, 2002, – 688с.
13. , Олифер сети: Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 1999/2000, – 672с.
14. Д Бек. Системное программирование. – М.: Мир, 1992.
15. Угрюмов схемотехника. – СПб.: БХВ – Санкт – Петербург, 2002.- 528 с.: ил.
16. Лехин ЭВМ. . – СПб.: БХВ – Санкт – Петербург, 2010.- 672 с.: ил.
17. А. Пол. Объектно-ориентированное программирование на С++. – СПб, БИНОМ, 1999.
Дополнительная:
1. Марков информационно-вычислительных процессов: Учебное пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. , 1999. – 360с., ил.
2. , . Современные микропроцессоры. – М: Нолидж, 2000.
3. Рамбо Дж. Унифицированный процесс разработки программного обеспечения. – СПб, Питер, 2002.
4. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации/, , ; Под ред. . – М.: Финансы и статистика, 2001. - 509с.
5. , . Кодирование в радиоэлектронике. – М.: «Радио и связь», 1986.
6. Новиков цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования.- М.: Мир, 2001.- 379 с., ил.- (Современная схемотехника)
Нормативно-справочная:
1. . Микроконтроллеры PIC16C7x. Справочник по КМОП-микросхемам с АЦП. – СПб., «Наука и техника», 2000.
2. нтерфейсы ПК. Справочник. - СПб., 1999.
3. ехнологии защиты информации в интернете: Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 848с.
Научные и отраслевые периодические издания:
1. Компьютер пресс.
2. Мир ПК
4. Перечень вопросов для подготовки и сдачи вступительного
экзамена
Математические основы функционирования ЦВМ
1. Свойства логической функции. Функционально полная система логических функций (базис). Примеры базисов.
2. Позиционные и непозиционные системы счисления. Разложение числа по степеням основания системы счисления. Перевод чисел из одной позиционной системы счисления в другую.
3. Представление данных в ЭВМ. Формы представления чисел с фиксированной и плавающей запятой. Представление отрицательных чисел: прямой, обратный и дополнительный коды.
4. Принципы использования избыточности при построении корректирующих кодов.
5. Псевдослучайные числа. Моделирование случайных сигналов и процессов.
6. Моделирование систем. Непрерывно и дискретно детерминированные модели (D-системы и F-системы).
Организация ЭВМ и систем
7. Классическая структурная модель ЭВМ, принципы фон Неймана.
8. Программная модель процессоров i80х86.
9. Организации памяти ЭВМ: классификация, четыре уровня иерархии памяти. Понятие кэш-памяти. Сегментная и страничная организация памяти.
10. Организация обмена информацией с внешними устройствами: программный ввод-вывод, прямой доступ к памяти, каналы ввода-вывода.
11. Структура и основные узлы персонального компьютера.
12. Параллельные многоразрядные двоичные сумматоры, арифметико-логические устройства ЦВМ.
13. Разновидности и структурная организация полупроводниковых запоминающих устройств.
14. Принцип работы магнитных и SSD накопителей.
15. Методы повышения скорости обмена данными в динамической памяти.
16. Однокристальные ЭВМ. Общая структура на примере контроллеров семейства MCS-51.
17. Принципы функционирования, основные параметры и разновидности цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
18. Внутренние и внешние интерфейсы ЭВМ. Интерфейс RS 232C. Организация шины USB. Шина и мосты PCI. Радиоинтерфейсы Bluetooth и Wi-Fi.
19. Искажения цифровых сигналов в электрически коротких и длинных линиях передачи данных и способы согласования линии с нагрузкой.
Программное обеспечение ЭВМ
20. Назначение ОС и основные принципы их построения. Понятия процесса и ресурса.
21. Файловая система ОС и решаемые ею задачи.
22. Задача управления памятью в ОС и основные способы ее решения.
23. Общая характеристика языков ассемблера.
24. Схема работы компилятора языка высокого уровня (ЯВУ).
25. Принципы оптимизации кода, сгенерированного компилятором.
26. Модульно-иерархическое построение программных средств. Основные свойства иерархических систем. Достоинства иерархического построения.
27. Библиотеки динамической компоновки (DLL) в Windows.
28. Управление процессами и потоками в Windows.
29. Экстремальное программирование (XP). Основные принципы и методики.
30. Системы управления базами данных.
Сетевые технологии и защита информации
31. Топологии и структура локальных вычислительных сетей.
32. Аппаратные и программные средства обеспечения функционирования вычислительных сетей, распределение функций между ними.
33. Задачи администрирования сети. Учетные записи, профили, группы, домены.
34. Информационные потоки и методы управления ими.
35. Адресация и маршрутизация в вычислительных сетях.
36. Механизмы защиты целостности и конфиденциальности информации.
37. Каналы несанкционированного получения информации. Пути проникновения в защищенную систему.
