«Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»
(Блок 1 «Дисциплины (модули)», Вариативная часть, обязательные дисциплины, 7 зачетных единиц, 216 часов)
1. Цели: формирование у аспирантов представления о математических основах программирования; языках и системах программирования; технологиях разработки программного обеспечения; методах хранения и доступа к данным, организация баз данных и знаний; защите данных и программных систем
2. Содержание курса
1. Математические основы программирования
1.1. Понятие алгоритма и его уточнения: машины Тьюринга, нормальные алгоритмы Маркова, рекурсивные функции. Тезис Чёрча. Эквивалентность данных формальных моделей алгоритмов. Понятие об алгоритмической неразрешимости. Примеры алгоритмически неразрешимых проблем.
1.2. Понятие сложности алгоритмов. Классы P и NP. Полиномиальная сводимость задач. Теорема Кука об NP-полноте задачи выполнимости булевой формулы. Примеры NP-полных задач, подходы к их решению. Точные и приближенные комбинаторные алгоритмы.
1.3. Примеры эффективных (полиномиальных) алгоритмов: быстрые алгоритмы поиска и сортировки; полиномиальные алгоритмы для задач на графах и сетях (поиск в глубину и ширину, о минимальном остове, о кратчайшем пути, о назначениях).
1.4. Автоматы. Эксперименты с автоматами. Алгебры регулярных выражений. Теорема Клини о регулярных языках. Регулярные языки и их представление конечными автоматами. Задачи распознавания слов конечными автоматами (распознающие автоматы).
1.5. Алгебра логики. Булевы функции, канонические формы задания булевых функций. Понятие полной системы. Критерий полноты Поста. Минимизация булевых функций в классах нормальных форм.
1.6. Исчисление предикатов первого порядка. Исчисление высказываний. Понятие интерпретации. Выполнимость и общезначимость формулы первого порядка. Понятие модели. Теорема о полноте исчисления высказываний и исчисления предикатов первого порядка. Теорема дедукции.
1.7. Проблема логического вывода. Методы естественного вывода. Метод резолюций и его модификации. Обратный метод Маслова.
1.8. Отношения и функции. Отношение эквивалентности и разбиения. Фактор множества. Отношения частичного порядка. Теоретико-множественное и алгебраическое определения решетки, их эквивалентность. Свойства решеток. Булевы решетки. Полные решетки.
1.9. Формальные языки и способы их описания. Классификация формальных грамматик. Их использование в лексическом и синтаксическом анализе.
1.10. λ- исчисление, правила редукции, единственность нормальной формы и правила ее достижения, представление рекурсивных функций.
1.11. Основы комбинаторного анализа. Метод производящих функций, метод включений и исключений. Примеры применения.
1.12. Коды с исправлением ошибок. Алфавитное кодирование. Методы сжатия информации.
1.13. Основы криптографии. Задачи обеспечения конфиденциальности и целостности информации. Теоретико-информационный и теоретико-сложностный подходы к определению криптографической стойкости. Американский стандарт шифрования DES и российский стандарт шифрования данных ГОСТ 28147-89. Системы шифрования с открытым ключом (RSA). Цифровая подпись. Методы генерации и распределения ключей.
2. Вычислительные машины, системы и сети
2.1. Архитектура современных компьютеров. Организации памяти и архитектура процессора современных вычислительных машин. Страничная и сегментная организация виртуальной памяти. Кэш-память. Командный и арифметический конвейеры, параллельное выполнение независимых команд, векторные команды. Специализированные процессоры. Машины, обеспечивающие выполнение вычислений, управляемых потоком данных. Организация ввода-вывода, каналы и процессоры ввода-вывода, устройства сопряжения с объектами.
2.2. Классификация вычислительных систем (ВС) по способу организации параллельной обработки. Многопроцессорные и многомашинные комплексы. Вычислительные кластеры. Проблемно-ориентированные параллельные структуры: матричные ВС, систолические структуры, нейронные сети.
2.3. Назначение, архитектура и принципы построения информационно – вычислительных сетей (ИВС). Локальные и глобальные ИВС, технические и программные средства объединения различных сетей.
2.4. Системы телеобработки данных (СТОД). Принципы телеобработки данных. Элементы системы телеобработки. Общесистемные программные средства СТОД.
Организация измерений в вычислительных системах. Цели и методы измерений. Архитектура аппаратных измерительных мониторов. Использование измерений при настройке вычислительных систем.
2.5. Методы и средства передачи данных в ИВС, протоколы передачи данных.
Особенности архитектуры локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI).
Сеть Internet, доменная организация, семейство протоколов TCP/IP. Информационно-вычислительные сети и распределенная обработка информации.
3. Языки и системы программирования. Технология разработки программного обеспечения
3.1. Языки программирования. Языки естественные и формальные. Процедурные языки программирования (Фортран, Си), Функциональные языки программирования (Лисп), логическое программирование (Пролог), объектно-ориентированные языки программирования (Ява).
3.2. Процедурные и проблемно-ориентированные языки программирования, особенности организации. Основные управляющие конструкции, структура программы. Работа с данными: переменные и константы, типы данных (булевский, целочисленные, плавающие, символьные, типы диапазона и перечисления, указатели), структуры данных (массивы и записи). Процедуры (функции): вызов процедур, передача параметров (по ссылке, по значению, по результату), локализация переменных, побочные эффекты. Обработка исключительных ситуаций. Библиотеки процедур и их использование.
3.3. Объектно-ориентированное программирование. Классы и объекты, наследование, интерфейсы. Понятие об объектном окружении. Рефлексия. Библиотеки классов. Средства обработки объектов (контейнеры и итераторы).
3.4. Распределенное программирование. Процессы и их синхронизация. Семафоры, мониторы Хоара. Объектно-ориентированное распределенное программирование. CORBA.
3.5. Параллельное программирование над общей памятью. Нити. Стандартный интерфейс Open MP. Распараллеливание последовательных программ. Модели параллельных процессов. Языки, ориентированные на параллельную обработку. Параллельное программирование над распределенной памятью. Парадигмы SPMD и MIMD. Стандартный интерфейс MPI.
3.6. Асинхронные программы. Сегментация программ. Оптимальное размещение по ЭВМ в системе и сети. Централизованное и децентрализованное управление процессами вычислений.
3.7. Основы построения трансляторов. Структура оптимизирующего транслятора. Промежуточные представления программы: последовательность символов, последовательность лексем, синтаксическое дерево, абстрактное синтаксическое дерево. Уровни промежуточного представления: высокий, средний, низкий. Формы промежуточного представления.
3.8. Анализ исходной программы в компиляторе. Грамматика языков, классификация по Хомскому. Автоматные (регулярные) грамматики и сканирование, контекстно-свободные грамматики и синтаксический анализ, организация таблицы символов программы, имеющей блочную структуру, хеш-функции. LL-грамматики и LR-грамматики. Нисходящие (LL(1)-грамматики) и восходящие (LR(1)-грамматики) методы синтаксического анализа. Атрибутные грамматики и семантические программы, построение абстрактного синтаксического дерева. Автоматическое построение лексических и синтаксических анализаторов по формальным описаниям грамматик. Системы lex и yacc. Система Gentle.
3.9. Оптимизация программ при их компиляции. Оптимизация базовых блоков, чистка циклов. Анализ графов потока управления и потока данных. Отношение доминирования и его свойства, построение границы области доминирования вершины, выделение сильно связанных компонент графа. Построение графа зависимостей. Перевод программы в SSA-представление и обратно. Глобальная и межпроцедурная оптимизация.
3.10. Генерация объектного кода в компиляторах. Перенастраиваемые (retargetable) компиляторы, gcc (набор компиляторов Gnu). Переработка термов (term rewriting). Применение оптимизационных эвристик (целочисленное программирование, динамическое программирование) для автоматической генерации генераторов объектного кода (системы BEG, Iburg и др.).
3.11.Машинно-ориентированные языки, язык ассемблера. Представление машинных команд и констант. Команды транслятору. Их типы, принципы реализации. Макросредства, макровызовы, языки макроопределений, условная макрогенерация, принципы реализации.
3.12. Системы программирования (СП), типовые компоненты СП: языки, трансляторы, редакторы связей, отладчики, текстовые редакторы. Модульное программирование. Типы модулей. Связывание модулей по управлению и данным.
3.13. Пакеты прикладных программ (ППП). Определение, назначение и классификация ППП. Системная часть и наполнение. Языки общения с ППП. Средства автоматизации построения ППП.
3.14. Машинная графика. Средства поддержки машинной графики. Графические пакеты.
Основные понятия и определения диалогового взаимодействия. Синхронный, асинхронный способы взаимодействия. Состав и структура диалоговой системы (ДС). Классификация ДС. Организация вычислительного процесса в ДС. Графический и телекоммуникационный методы доступа. Информационное обеспечение диалога.
3.15. Технология разработки и сопровождения программ. Жизненный цикл программы. Этапы разработки, степень и пути их автоматизации. Обратная инженерия. Декомпозиционные и сборочные технологии, механизмы наследования, инкапсуляции, задания типов. Модули, взаимодействие между модулями, иерархические структуры программ. Отладка, тестирование, верификация и оценивание сложности программ. Генерация тестов. Системы генерации тестов. Срезы программ (slice, chop) и их применение при отладке программ и для генерации тестов.
3.16. Методы спецификации программ. Методы проверки спецификации. Схемное, структурное, визуальное программирование. Разработка пользовательского интерфейса, стандарт CUA, мультимедийные среды интерфейсного взаимодействия.
4. Операционные системы
4.1. Режимы функционирования вычислительных систем, структура и функции операционных систем. Основные блоки и модули. Основные средства аппаратной поддержки функций операционных систем (ОС): система прерываний, защита памяти, механизмы преобразования адресов в системах виртуальной памяти, управление каналами и периферийными устройствами.
4.2. Виды процессов и управления ими в современных ОС. Представление процессов, их контексты, иерархии порождения, состояния и взаимодействие. Многозадачный (многопрограммный) режим работы. Команды управления процессами. Средства взаимодействия процессов. Модель клиент-сервер и ее реализация в современных ОС.
4.3. Параллельные процессы, схемы порождения и управления. Организация взаимодействия между параллельными и асинхронными процессами: обмен сообщениями, организация почтовых ящиков. Критические участки, примитивы взаимоисключения процессов, семафоры Дейкстры и их расширения. Проблема тупиков при асинхронном выполнении процессов, алгоритмы обнаружения и предотвращения тупиков.
4.4. Операционные средства управления процессами при их реализации на параллельных и распределенных вычислительных системах и сетях: стандарты и программные средства PVM, MPI, OpenMP, POSIX .
4.5. Одноуровневые и многоуровневые дисциплины циклического обслуживания процессов на центральном процессоре, выбор кванта.
4.6. Управление доступом к данным. Файловая система, организация, распределение дисковой памяти. Управление обменом данными между дисковой и оперативной памятью. Рабочее множество страниц (сегментов) программы, алгоритмы его определения.
Управление внешними устройствами.
4.7. Оптимизация многозадачной работы компьютеров. Операционные системы Windows, Unix, Linux. Особенности организации, предоставляемые услуги пользовательского взаимодействия.
4.8. Операционные средства управления сетями. Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Маршрутизация и управление потоками данных в сети. Локальные и глобальные сети. Сетевые ОС, модель клиент — сервер, средства управления сетями в ОС UNIX, Windows NT. Семейство протоколов TCP/IP, структура и типы IP-адресов, доменная адресация в Internet. Транспортные протоколы TCP, UDP .
4.9. Удаленный доступ к ресурсам сети. Организация электронной почты, телеконференций. Протоколы передачи файлов FTP и HTTP, язык разметки гипертекста HTML, разработка WEB-страниц, WWW-серверы.
5. Методы хранения данных и доступа к ним. Организация баз данных и знаний
5.1. Концепция типа данных. Абстрактные типы данных. Объекты (основные свойства и отличительные признаки).
5.2. Основные структуры данных, алгоритмы обработки и поиска. Сравнительная характеристика методов хранения и поиска данных.
Основные понятия реляционной и объектной моделей данных.
Теоретические основы реляционной модели данных (РДМ). Реляционная алгебра, реляционное исчисление. Функциональные зависимости и нормализация отношений.
CASE-средства и их использование при проектировании базы данных (БД).
5.3. Организация и проектирование физического уровня БД. Методы индексирования.
Обобщенная архитектура, состав и функции системы управления базой данных (СУБД). 5.4. Характеристика современных технологий БД. Примеры соответствующих СУБД.
Основные принципы управления транзакциями, журнализацией и восстановлением.
5.5. Язык баз данных SQL. Средства определения и изменения схемы БД, определения ограничений целостности. Контроль доступа. Средства манипулирования данными.
Стандарты языков SQL. Интерактивный, встроенный, динамический SQL.
5.6. Основные понятия технологии клиент—сервер. Характеристика SQL-сервера и клиента. Сетевое взаимодействие клиента и сервера.
5.7. Информационно-поисковые системы. Классификация. Методы реализации и ускорения поиска.
5.8. Системы искусственного интеллекта. Методы представления знаний: процедурные представления, логические представления, семантические сети, фреймы, системы продукций. Интегрированные методы представления знаний. Языки представления знаний. Базы знаний и принципы их построения. Проблемы приобретения знаний.
5.9. Манипулирование знаниями. Достоверный логический вывод. Метод резолюций и обратный метод Маслова. Вывод на семантических сетях. Вывод с помощью продукционных систем. Правдоподобный и индуктивный вывод. Планирование в пространстве задач в пространстве состояний. Частные виды планирования для интеллектуальных роботов.
5.10. Обобщение знаний по признакам и структурам. Проблема формирования понятий. Организация методов поиска по образцу на семантических сетях. Логики пополнения баз знаний (временные, пространственные, казуальные и другие).
5.11. Проблемы понимания естественного языка. Построение лингвистических процессоров различного типа. Диалоговые системы, понимающий ограниченный естественный язык. Модели общения.
5.12. Экспертные системы (ЭС) и принципы их построения. Области применения ЭС. Архитектура ЭС. Механизмы вывода, подсистемы объяснения, общения, получения решения, приобретения знаний ЭС. Жизненный цикл экспертной системы. Примеры конкретных ЭС.
5.13. Технология изготовления экспертных систем. Пустые экспертные системы и шеллы. Инструментальные языки для создания интеллектуальных систем. Коллективные методы решения задач в сетях ЭВМ.
6. Защита данных и программных систем
6.1. Аппаратные и программные методы защиты данных и программ. Защита данных и программ с помощью шифрования.
6.2. Защита от несанкционированного доступа в OC Windows NT. Система безопасности и разграничения доступа к ресурсам в Windows NT. Файловая система NFTS и сервисы Windows NT.
6.3. Защита от несанкционированного копирования. Методы простановки некопируемых меток, настройка устанавливаемой программы на конкретный компьютер, настройка на конфигурацию оборудования.
6.4. Защита от разрушающих программных воздействий. Вредоносные программы и их классификация. Загрузочные и файловые вирусы, программы-закладки. Методы обнаружения и удаления вирусов, восстановления программного обеспечения.
6.5. Защита информации в вычислительных сетях Novell Netware, Windows NT и др.
7. Алгоритмическое и программное обеспечение систем управления
7.1. Модели динамических систем. Модели линейных систем, принцип суперпозиции. Передаточные функции и амплитудно-фазовые характеристики. Фазовые портреты динамических систем. Управляемость и наблюдаемость. Устойчивость состояний равновесия. Функции Ляпунова.
7.2. Управляемые системы. Модели управляемых систем. Многозначные отображения и дифференциальные включения. Скользящие режимы управляемых систем. Методы теории управления. Необходимые условия оптимальности для объектов, характеризующихся обыкновенными дифференциальными уравнениями. Уравнение Эйлера, принцип максимума Понтрягина. Принцип расширения, достаточные условия оптимальности управления. Синтез оптимального управления. Уравнение Беллмана и динамическое программирование.
7.3. Задачи многостадийной оптимизации. Описание и оценки множеств достижимости. Усреднение в задачах оптимизации. Условия оптимальности усредненных задач. Оптимальные циклические процессы. Принцип максимума для задач с условиями разного типа. Вырожденные задачи оптимального управления, метод кратных максимумов.
7.4. Вычислительные алгоритмы решения задач оптимального управления. Методы и задачи оптимизации. Методы и задачи теории операций. Алгоритм ветвей-границ. Задачи теории массового обслуживания. Нелинейное программирование. Теорема Куна-Таккера. Алгоритмы численного решения. Задачи и методы линейного программирования. Симплекс-алгоритм. Расширение задач нелинейного программирования, достаточные условия оптимальности.
7.5. Программные средства систем автоматического управления. Программное обеспечение для описания алгоритмов и математических моделей систем управления для специализированных управляющих и универсальных ЭВМ. Программные средства систем автоматического управления
|
