Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ:

Декан факультета

Информационных систем и технологий

__________________ В. В. Шишкин

«__»______________2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Дисциплины (модуля) Теория автоматов

наименование дисциплины (модуля)

23010165 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

(шифр и наименование направления)

__________ __________ ____________

(профиль направления подготовки)

Квалификация Бакалавр

(бакалавр/магистр/специалист)

Факультет Информационных систем и технологий

(наименование факультета, где осуществляется обучение по направлению/магистерской

программе/специальности)

Форма обучения _Очная Учебный цикл Б2 (------------------------------------------

Трудоемкость 6 ЗЕТ

Всего учебных занятий (в академических часах)

Отчетность

аудиторных, из них: 86 Экзамен(ы) +

лекций

лабораторных

практических

(семинарских)

34

36

16

-

Зачет

Курсовой проект

Курсовая работа

контроль

самостоятельной

работы студентов

Контрольная(ые)

работа(ы)

Реферат(ы)

самостоятельных 130 Эссе

экзамен(ы) РГР

Ульяновск , 2011

Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО и учебного плана УлГТУ

специальности (направления)______________________________________________

на кафедре ____ Вычислительная техника___________________________________

(наименование кафедры)

факультета информационных систем и технологий____________________________

(наименование факультета, к которому относится кафедра-составитель)

Составители рабочей программы

__доцент кафедры ВТ, к.т.н.__ _________________ Валюх В.В.___

________________________ _________________ ___________________

(должность, ученое звание, степень) (подпись) (Фамилия И. О.)

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры __ Вычислительная техника___

Протокол заседания № ___от «__»___ 2011 г.

Заведующий кафедрой

«___»________2011г. _________________ Соснин П.И._______

(подпись) (Фамилия И. О.)

Согласовано с научно-методической комиссией ______________________факультета

(к которому относится кафедра-составитель)

Председатель научно-методической комиссии

«___»________2011г. _________________ ___________________

(подпись) (Фамилия И. О.)

СОГЛАСОВАНО:

Заведующий кафедрой _________ Вычислительная техника_______________ (выпускающей специальность (направление)

«___»________201__г. _________________ Соснин П.И._______

(подпись) (Фамилия И.О.)

Заведующий кафедрой _______________________________________________ (выпускающей специальность (направление)

«___»________201__г. _________________ ___________________

(подпись) (Фамилия И. О.)

Выписка из ГОС ВПО по направлению подготовки дипломированного

специалиста 552800 Информатика и вычислительная техника:

СД.01 Теория автоматов 170

Автоматы и формальные языки; концепция порождения

и распознавания; классификация языков по Хомскому;

порождающие грамматики; распознаватели: машина Тьюринга,

магазинный автомат, сеть Петри, конечный автомат;

коллективы автоматов; регулярные языки и конечные

автоматы; модель дискретного преобразователя В.М.

Глушкова; абстрактный синтез; получение не полностью

определенного автомата; структурный синтез; состояния

элементов памяти; кодирование состояний синхронного и

асинхронного автомата; явление риска логических схем;

построение комбинационной схемы автомата;

микропрограммирование; проблема отражения времени при

проектировании: синхронные, асинхронные и апериодические

схемы; проблемы и перспективы автоматизации

проектирования.

1. Цели и задачи учебной дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Задачей курса является представить ряд вопросов, отражающих состояние

теории и практики цифровых автоматов, учесть тот полезный и важный материал,

который уже сложился в теории «Арифметические и логические основы цифровых

автоматов», а также ввести в программу вопросы из теории прикладной информации.

Дать возможность широкому кругу студентов, изучающих вопросы электроники и

функционирование различных электронных схем , понять суть проблем возникающих

при проектировании алгоритмов, функционирования отдельных устройств ЭВМ и

проектирования самих этих устройств. Конечная цель такого изучения - возможность

самостоятельно произвести анализ и синтез несложных узлов и блоков ЭВМ.

Прикладная теория цифровых автоматов постоянно развивается, так как непрерывно

совершенствуются сами цифровые автоматы, т. е. электронные вычислительные

машины. Появляются новые методы и алгоритмы выполнения арифметических

операций. Еще недавно одновременное умножение на два или три разряда множителя

считалось пределом. А в современных конструкциях ЭВМ реализованы алгоритмы с

анализом произвольного количества разрядов множителя. Изменяются также методы

анализа и синтеза отдельных устройств ЭВМ. Процесс проектирования ЭВМ сегодня

полностью выполняется автоматизированным способом. Развитие принимает

направлении полной автоматизации процессов проектирования и изготовления ЭВМ.

2. Место дисциплины в структуре ООП

2.1 Краткая характеристика дисциплины, ее место в учебном процессе

Потребность в вычислениях возникла у людей на самых ранних стадиях

развития человеческого общества. Причем с самого начала для облегчения счета

люди использовали различные приспособления. Многие из них были весьма

интересными и остроумными по принципу действия, но все они обязательно

требовали, чтобы в процессе вычислений активно участвовал человек-оператор.

Качественно новый этап развития вычислительной техники наступил с

изобретением и созданием электронных вычислительных машин, которые работают

автоматически, без участия человека, в соответствии с заранее заданной

программой. Появление таких машин вызвано объективными условиями

современного развития науки, техники и народного хозяйства. Во многих областях

человеческой деятельности уже в середине ХХ века объем и сложность

вычислительных работ настолько возросли, что решение некоторых задач без

применения вычислительной техники было бы практически не возможным. В

настоящее время электронные вычислительные машины применяются во многих

областях науки, техники и народного хозяйства. В основном они

используются: для решения сложных математических и инженерных задач, в

качестве управляющих машин в промышленности и военной технике, в сфере

обработки информации.

В дискретной математике, разделе информатики, теория автоматов изучает

абстрактные машины в виде математических моделей, и проблемы, которые они могут

решать. Теория автоматов наиболее тесно связана с теорией алгоритмов. Это

объясняется тем, что автомат преобразует дискретную информацию по шагам в

дискретные моменты времени и формирует результирующую информацию по шагам

заданного алгоритма. Эти преобразования возможны с помощью технических и/или

программных средств.

2.2. Связь с предшествующими дисциплинами

Так как в «Теории автоматов» студенты должны получить представление о

цифровых автоматах как математической модели дискретных систем, то для успешного

освоения курса им потребуется знание дисциплин «Информатика»,

«Программирование», «Дискретная математика», «Математическая логика и теория

алгоритмов».

2.3. Связь с последующими дисциплинами

Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины «Теория принятия

решения», (наряду с дисциплинами «Методы оптимизации решения», «Экономика» и

«Программирование») являются основой для изучения дисциплин «Модели и методы

анализа проектных решений», «Технология разработки программного обеспечения» и

других дисциплинах, так как принимать определѐнные решения приходится

повседневно и везде.

3. Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины, и ожидаемые результаты

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих

компетенций:

ОК-10 – «использует основные законы естественно-научных дисциплин в

профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и

моделирования, теоретического и экспериментального исследования»;

ПК-4 – «разрабатывать модели компонентов информационных систем, включая

модели баз данных»;

ПК-5 – «разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных,

использовать современные инструментальные средства и технологии

программирования».

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:

определение и классификацию ЦА, способы их задания;

начальные и стандартные языки представления ЦА и методы их

преобразования;

методы анализа и синтеза ЦА, реализующие операционные и

управляющие устройства средств вычислительной техники;

основные понятия и свойства грамматик, классифицируемых по

Хомскому.

Уметь:

представлять исходный управляющий алгоритм преобразования

информации на начальном языке;

выполнять его преобразование для построения структурной схемы ЦА,

реализующего заданный алгоритм, на основе «жѐсткой» и

«программируемой» логики;

построить по грамматике автомат распознаватель языка. Иметь

представление о решении задач верификации управляющих алгоритмов

на моделях.

Владеть:

навыками работы по формальному представлению управляющего

алгоритма обработки цифровой информации на основе использования

концепции ЦА и построению структурных схем, реализующих заданный

алгоритм аппаратно (микропрограммно) или программно.

4 Структура и содержание учебной дисциплины

Таблица 1. Распределение видов и часов занятий по семестрам

Вид учебной работы Количество часов в семестр Всего

1 2 3 4 5 6 7 8

Аудиторные занятия, в т.ч.: 86 86

- лекции 34 34

- лабораторные работы 36 36

- практические занятия 16 16

- семинары - -

Контроль самостоятельной работы - -

Самостоятельная работа

в процессе теоретического

обучения, в т.ч.:

130 130

- проработка теоретического курса 60 60

- курсовая работа (проект) - -

- расчетно-графические работы - -

- реферат - -

- эссе - -

- подготовка к выполнению и

защите лабораторных работ

70 70

- самотестирование - -

- подготовка к зачету* - -

Самостоятельная работа при

подготовке к экзамену,

предэкзаменационные

консультации и сдача экзамена

- -

Итого 216 216

Вид промежуточной аттестации Экз

Общая трудоемкость 6 ЗЕТ

Таблица 2. Тематический план изучения дисциплины

№

Наименование разделов

Количество часов

Всего

часов

Аудиторных Самостоятел

ьных

Лекции

Практ.

(сем.)

занятия

Лаборато

рные

работы

1 Определение

абстрактного автомата

2 2 4

2 Методы задания

автоматов

2 1 4 7

3 Связь между моделями

Мили и Мура

2 2 4 8

4 Минимизация

полностью определенных

автоматов

3 1 9 11 24

5 Совмещенная модель

автомата (С-автомат)

3 1 10 14

6 Канонический метод

структурного синтеза

автоматов

2 12 14

7 Пример канонического

метода структурного

синтеза

2 1 11 14

8 Синтез автоматов на

элементах задержки,

триггерах со счетным и

раздельным входами

3 2 9 12 26

9 Графический метод

структурного синтеза

автомата

2 1 10 13

10 Гонки в автомате 2 2 12 16

11 Противогоночное

кодирование

3 1 9 10 23

12 Кодирование состояний

и сложность

комбинационных схем

2 2 9 10 23

13 Микропрограммы

работы дискретных

устройств

2 1 12 15

14 Граф-схемы алгоритмов

(ГСА)

2 1 10 13

Итого часов 34 16 36 130 216

5. Содержание дисциплины

5.1. Теоретический курс

Таблица. Теоретический курс

Раздел, тема учебной дисциплины,

содержание темы

Номе

р

лекц

ии

Количество

часов

лекци

и

СРС

1 2 3 4 Раздел 1.

Тема 1.1. Определение абстрактного автомата.

Раздел 2.

Тема 1.2. Методы задания автоматов

1.2.1. Табличный Рассмотрение описания работы

автоматов Мили таблицами переходов и выходов и

отмеченной таблицей переходов автомата Мура

1.2.2. Графический Рассмотрение метода задания

автомата в виде ориентированного связанного графа

1.2.3. Матричный Рассмотрение метода задания

автомата с помощью квадратной матрицы

Раздел 3.

Тема 1.3. Связь между моделями Мили и Мура

1.3.1. Реакция А Мили

1.3.2. Реакция А Мура

1.3.3. Пример Рассмотрение определения

эквивалентности полностью определенных автоматов

1.3.4. Переход от А Мура к А Мили Описание

алгоритмов взаимной трансформации автоматов Мили и

Мура

1.3.5. Переход от А Мили к А Мура Описание

алгоритмов взаимной трансформации автоматов Мили и

Мура

1.3.6. Пример преобразования автомата Мили в

автомат Мура

1.3.7. Пример перехода от автомата Мили с

переходящим состоянием к автомату Мура

Раздел 4.

Тема 1.4. Минимизация полностью определенных

автоматов

1.4.1. Теоретические основы минимизации

Рассмотрение алгоритм минимизации полностью

определенных абстрактных автоматов Мили,

предложенного Ауфенкампом и Хоном

1.4.2. Алгоритм минимизации

1.4.3. Пример минимизации автомата Мили

1.4.4. Пример минимизации автомата Мура

Раздел 5.

Тема 1.5. Совмещенная модель автомата (С-автомат)

Раздел 6.

Тема 2.1. Канонический метод структурного синтеза

автоматов

2.1.1. Композиция элементарных автоматов

Рассмотрение этапа структурного синтеза автоматов

1

2

3

4

5

6

2

2

2

3

3

2

2

3

3

4

2

4

2.1.2. Структурный алфавит и автоматное время

2.1.3. Соотношение абстрактного и структурного

автоматов

2.1.4. Основы канонического синтеза автоматов

Рассмотрение канонического метода структурного синтеза,

теорема о структурной полноте

2.1.5. Ограничения в работе схем

2.1.6. Пример полного автомата Мура

2.1.7. Представление структурного автомата

Расмотрение представления структурной схемы С-автомата

в виде трех частей: памяти и двух комбинационных систем

КС1 и КС2

2.1.8. Работа автомата

2.1.9. Синтез комбинационных схем

2.1.10. Абстрактный и структурный автомат памяти

2.1.11. Пример функционирования автомата памяти

Пример построения функции входов абстрактного и

структурного автроматов в виде таблиц.

Раздел 7.

Тема 2.2. Пример канонического метода структурного

синтеза

2.2.1. Таблицы и графы абстрактного структурного

автомата (С-А) и автомата памяти (АП)

2.2.2. Кодирование сигналов и состояний

2.2.3. Структура и таблицы синтезированного

автомата

2.2.4. Функции выходов комбинационных схем КС1

и КС2

2.2.5. Функции возбуждения памяти

2.2.6. Построение логической схемы структурного

автомата

2.2.7. Минимизация комбинационных схем

Рассмотрение минимизации комбинационных схем, правил

неопределенности

Раздел 8.

Тема 2.3. Синтез автоматов на элементах задержки,

триггерах со счетным и раздельным входами

2.3.1. Синтез на элементах задержки

2.3.2. Синтез на триггерах со счетным входом

2.3.3. Синтех на триггерах с раздельными входами

Раздел 9.

Тема 2.4. Графический метод структурного синтеза

автомата

2.4.1. Графический синтез автомата на элементах

задержки

2.4.2. Графический синтез автомата на триггерах со

счетным входом

2.4.3. Графический синтез автомата на триггерах с

раздельными входами

Раздел 10.

7

8

9

10

11

2

3

2

2

3

4

4

1

3

4

Тема 3.1. Гонки в автомате

Раздел 11.

Тема 3.2. Противогоночное кодирование

3.2.1. Суть и алгоритм развязывания состояний

Рассмотрение алгоритма противогоночного кодирования,

алгоритм развязывания пар

3.2.2. Пример противогоночного кодирования

3.2.3. Соседнее кодирование состояний автомата

Раздел 12.

Тема 3.3. Кодирование состояний и сложность

комбинационных схем

3.3.1. Кодирование состояний и КС

3.3.2. Кодирование выходных сигналов и КС

3.3.3. Оценка сложности КС Рассмотрение весовой

функции оценки сложности КС

3.3.4. Пример кодирования состояний автомата

Раздел 13.

Тема 4.1. Микропрограммы работы дискретных

устройств

Раздел 14.

Тема 4.2. Граф-схемы алгоритмов (ГСА)

4.2.1. Определение ГСА

4.2.2. Пример ГСА

4.2.3. Процесс выполнения ГСА

4.2.4. Пример работы дискретного устройства по

ГСА

12

13

14

2

2

2

4

4

4

Всего 34 60

5.2. Практические (семинарские) занятия

Практические занятия учебным планом не предусмотрены.

5.3. Лабораторные занятия

Таблица 5. Лабораторные работы

Номер

лаб.

работы

Наименование

лабораторной

работы

Номер

раздела,

тема

дисциплины

Формы

контроля

выполнения

работы

Объем в часах

Ауди-

торных СРС

1 Минимизация автомата 4 Демонстрация

программы,

собеседование,

отчет

9 16

2 Кодирование состояний с

минимизацией сложности

12 Демонстрация

программы,

собеседование,

отчет

9 15

3 Противогоночное 11 Демонстрация 9 19

кодирование программы,

собеседование,

отчет

4 Синтез С-автомата на

элементах И, ИЛИ, НЕ

8 Демонстрация

программы,

собеседование,

отчет

9 20

Всего 36 70

5.4. Курсовой проект

Курсовой проект учебным планом не предусмотрен.

5.5. Самостоятельная работа студентов

Таблица 6. Программа самостоятельной работы студентов

Номера

разделов и

тем дис-

циплины

Виды СРС

Сроки

выполне

ния

Формы

конт-

роля

СРС

Объѐм,

часов

1 - 14 Проработка лекционного

материала по конспектам и

учебной литературе

1-16нед. Тестиров

ание

70

4, 8, 11, 12 Подготовка к выполнению и

защите лабораторных работ

1-16нед. Защита

лаборат

орной

работы

60

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1. Перечень рекомендуемой литературы

Основная литература:

1. В.Г. Лазарев, Е.И. Пийль. Синтез управляющих автоматов. М.,

Энергоатомиздат, 1989, 327 с.

2. С.И. Баранов, В.А. Скляров. цифровые устройства на программируемых

БИС с матричной структурой. М., Радио и связь, 1986, 269 с.

3. С.А. Майоров, Г.И. Новиков. Структура электронных вычислительных

машин. Л., Машиностроение, 1979, 384 с.

4. К.Г. Самофалов и др. Прикладная теория цифровых автоматов. Киев: Виша

школа, 1987, 375 с.

Дополнительная литература:

1. Н.. Сергеев, Н.П. Вашкевич. Основы вычислительной техники. М., В. шк.,

1988,311 с.

2. Н.П. Вашкевич. Синтез микропрограммных управляющих автоматов.

Учебное пособие. Изд. Пенз. Пол. Ин-та, 1990, 114 с.

3. Н.П. Вашкевич, С.Н. Вашкевич. Недетерминированные автоматы и их

использование для синтеза систем управления. Часть 1. Эквивалентные преобразования

недетерминированных автоматов. Изд. Пенз. Гос. Техн. Ун-та, 1996, 88 с.

4. В.Дж. Рейуолд-Смит. Теория формальных языков. М., Радио и связь, 1988,

127 с.

5. С.И. Баранов. Синтез микропрограммных автоматов. Л., Энергия, 1979, 232

с.

6. Проектирование цифровых систем на комплектах микропрограммируемых

БИС/Под редакцией Колесникова. М., Радио и связь, 1984, 239 с.

6.2. Методические указания к самостоятельной работе студентов

Методические указания к самостоятельной работе студентов учебным планом не

предусмотрены.

6.3. Методические указания (рекомендации, материалы) преподавателю

Методические указания преподавателю учебным планом не

предусмотрены.

7. Формы и методика текущего, промежуточного и итогового контроля

Контроль выполнения лабораторных работ осуществляется в течение семестра.

Форма контроля - демонстрация работы программы, проверка отчета к лабораторной

работе, ответы на контрольные вопросы.

Экзаменационный билет состоит из двух частей: теоретическая часть и

практическая часть. Теоретическая часть содержит два вопроса из первого раздела

дисциплины, а вторая часть содержит постановку задачи, построенную на втором

разделе дисциплины. Итоговая оценка за экзамен формируется как среднее

арифметическое из двух оценок, полученных за теоретическую и практическую части

билета.

7.2. Критерии формирования экзаменационной оценки

Экзамен имеет своей целью проверить и оценить уровень полученных студентами

знаний и умение применять их к решению практических задач, овладение

практическими навыками и умениями в объеме требований учебной программы, а

также качество и объем индивидуальной работы студентов.

К экзамену допускаются студенты, выполнившие все лабораторные работы и

сдавшие курсовую работу в соответствии с требованиями учебной программы.

Экзамен принимает преподаватель, ведущий лекционные занятия по данной

дисциплине. Экзамен проводится в объеме рабочей программы по билетам. При

проведении экзамена в каждый билет включаются два теоретических вопроса и две

практические задачи, соответствующие по теме теоретическим вопросам. Билетов

должно быть на 20% больше числа студентов в учебной группе. Предварительное

ознакомление студентов с билетами не разрешается. Кроме указанных в билете

вопросов преподаватель имеет право задавать дополнительные вопросы с целью

уточнения объема знаний студентов и оценки качества усвоения теоретического

материала и практических навыков и умений.

Оценка студенту на экзамене выставляется:

"отлично", если студент показал глубокие знания теоретического материала по

поставленному вопросу, грамотно логично и стройно его излагает, а также выполнил в

полном объеме практические задания и способен обосновать свои решения;

"хорошо", если студент твердо знает теоретический материал, грамотно его

излагает, не допускает существенных неточностей в ответе на вопрос, выполнил

практические задания не в полном объеме (не менее ¾) либо в полном объеме, но с

несущественными погрешностями и ошибками;

"удовлетворительно", если студент показывает знания только основных

положений по поставленному вопросу, требует в отдельных случаях наводящих

вопросов для принятия правильного решения, допускает отдельные неточности;

выполнил практические задания не в полном объеме (не менее ½) либо в полном

объеме, но с существенными погрешностями и ошибками;

"неудовлетворительно", если студент допускает грубые ошибки в ответе на

поставленный вопрос, не справился с выполнением практических заданий.

Экзамен проводится в компьютерном классе. На подготовку студенту отводится 2

академических часа.

Студенты, не сдавшие экзамен, сдают его повторно в соответствии с графиком,

разработанным деканатом.

8. Материально-техническое обеспечение учебной дисциплины

Лекционные занятия проводятся в аудитории, оснащенной проектором. На

компьютере преподавателя установлено программное обеспечение, указанное в разделе

7.1 данной рабочей программы. В ходе лекции преподаватель имеет возможность

сопровождать изложение теоретического материала демонстрацией в среде

программирования работы примеров программ, приведенных в лекциях в качестве

примеров.

Лабораторный практикум проводится в компьютерном классе. Требования к

программному обеспечению приведены в разделе 7.1 данной рабочей программы.

Требования к аппаратному обеспечению следующие:

1. Персональный компьютер на платформе Intel (AMD или аналогичной)

2. Выделенный сервер на платформе Intel (AMD)

3. Локальная сеть

4. Средства телекоммуникации (концентраторы, коммутаторы, сетевые карты)

Используемые компьютерные и телекоммуникационные средства должны иметь

подключение к Интернет.