ККС - Пълен наръчник за контролното (100% по лекции и дъски)

1. Комуникационни системи — Аналогова и Цифрова

Изисква се ЧЕРТАНЕ на една от двете схеми

Основна концепция (от лекцията): Комуникационните системи предават информация от източник до получател през комуникационен канал. При преминаване през канала се наслагват шум и смущения (водещи до затихване и изкривяване на сигнала).

1.1. Блок-схема на АНАЛОГОВА комуникационна система (от дъската)

Фиг. 1.1: Блок-схема на аналогова комуникационна система (точно възпроизведена от дъската)

1.2. Блок-схема на ЦИФРОВА комуникационна система (от дъската)

Фиг. 1.2: Блок-схема на цифрова комуникационна система (точно възпроизведена от дъската)

Роля на блоковете в предавателната част:

АЦП (A/D): Преобразува аналоговия входен сигнал в цифров входен сигнал.
Кодиране и компресиране на източника: Отстранява излишъка от информация (компресия) и представя данните в двоичен вид.
Кодиране на канала (шумоустойчиво кодиране): Въвежда контролиран излишък (контролни битове) за откриване и коригиране на грешки от канала.
Мултиплексор (MUX / Мулт.): Обединява няколко информационни потока за предаване по общ физически канал.
Модулатор: Пренася сигнала върху високочестотен носещ сигнал, подходящ за преносната среда.

Роля на блоковете в приемната част:

Демодулатор: Извлича модулиращия сигнал от високочестотната носеща.
Демултиплексор (DEMUX / Демулт.): Разделя груповия сигнал обратно на отделни канали.
Декодиране на канала: Открива и/или коригира възникналите в канала грешки.
Декодиране на източника: Възстановява оригиналния цифров поток след компресията.
ЦАП (D/A): Преобразува цифровия изходен сигнал обратно в аналогов изходен сигнал.

2. Шумоустойчиви кодери — Класификация и Режими на работа

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ (без чертане на дървото)

Точен запис от дъската:
Предназначение: Предназначени са за коригиране на грешки при предаване на цифрова информация в преносна среда с шумове.
а) Блокови кодери: дефинират се като устройства без памет; при подадени $k$ входни бита на изхода на кодера се получават $n$ бита.
б) Конволюционни (дървовидни): разглеждат се като устройства с памет. Тук изходните $n$ бита зависят от предходните $m$ бита, като $m$ се дефинира като „памет на кодера“.

2.1. Пълна класификация на шумоустойчивите кодери (списъчно и визуално от дъската)

1. Блокови кодери:
- Разделими:
  - Линейни:
    - Каскадни
    - Кодове на Хеминг
    - Циклични: Кодове на Рид-Соломон, Кодове на Файър, Итерационни
  - Нелинейни:
    - С контролно сумиране
    - (Забележка от дъската: стрелки от Нелинейни сочат и към Циклични и Итерационни)
- Неразделими:
  - С постоянно тегло
  - Кодери на Плоткин
2. Непрекъснати кодери:
- Рекурентни
- Конволюционни (дървовидни)

Фиг. 2.1: Класификация на шумоустойчивите кодери (за визуална памет; на теста само се изброяват!)

2.2. Режими на работа на шумоустойчивите кодери (от дъската)

При код с кодово разстояние $d_0$ (минималното разстояние на Хеминг между две кодови комбинации):

а) Режим на откриване на грешки: гарантирано се откриват всякакви конфигурации от не повече от $d_0 - 1$ грешки във всяка кодова комбинация (прилага се в системи с обратна връзка / циклични итерации за повторно предаване).
б) Режим на коригиране на грешки: гарантирано коригира $t = \lfloor(d_0 - 1) / 2 floor$ грешки във всяка кодова комбинация.
в) Режим на едновременно коригиране и откриване:
- Коригира $t$ грешки: $0 \le t \le \lfloor(d_0 - 1)/2 floor$
- Открива $s$ грешки: $t < s < d_0 - t$ (или $t + s \le d_0 - 1$)

3. Цифрови филтри — Схема, Параметри и Спецификации

ЧЕРТАНЕ на графиките + ИЗБРОЯВАНЕ на параметрите

4.1. Функционална схема — градивни елементи:

Суматор ($\oplus$)
Закъснително звено ($z^{-1}$)
Умножител ($a$)

Изходният сигнал се описва с: $y[n] = x[n] + a \cdot y[n-1]$ (рекурсивен цифров филтър от първи ред).

4.2. Основни параметри на цифровите филтри (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

Ред на филтъра (определя броя на закъснителните звена и стръмността на характеристиката);
Тип на филтъра:
- НЧФ (нискочестотен филтър)
- ВЧФ (високочестотен филтър)
- ЛФ (лентов филтър)
- РФ (режекторен филтър)
Честота на дискретизация;
Гранични честоти в лентата на пропускане / задържане;
Пулсации (неравномерности в лентата на пропускане и задържане);
Затихване.

Функционална схема и детайлна АЧХ на НЧФ (от дъската)

Фиг. 3.1: Функционална схема на цифров филтър и реална АЧХ на НЧФ с пулсации (от дъската)

4.3. Спецификации на цифровите филтри — 4-те графики (ЗА ЧЕРТАНЕ НА ТЕСТА!)

Важно при чертане на теста: Ординатата (вертикалната ос) винаги се надписва „преминал сигнал, dB“, а абсцисата (хоризонталната ос) — „$f$“ (честота).

Фиг. 3.2: 4.3. Спецификации на цифровите филтри — НЧФ, ВЧФ, ЛФ, РФ (точно както се изискват за чертане на теста)

4. Амплитудна и честотна аналогова модулация (Точка 5.2 от дъската)

Допълнителна тема от дъските

Общ принцип (от дъската): Информацията за амплитудата на сигнала в основната лента се съдържа в амплитудата, честотата или фазата на модулирания сигнал.

а) Амплитудна аналогова модулация (АМ)

Притежава най-тясната честотна лента, но може значително да се влияе от външни смущения.
Дефинира се като най-слабо защитения вид модулация.
Основна метрологична характеристика, която се въвежда, е „$m$ — дълбочина на модулацията“ ($0.5$ — оптимална стойност, т.е. 50%).

б) Честотна аналогова модулация (ЧМ / FM)

Информацията за амплитудата на сигнала в основната лента се съдържа в честотата на модулирания сигнал.
Притежава по-широка честотна лента, която има възможност за ограничаване.
Осигурява по-високо качество на сигнала при относително прости приемници и ефективно използване на мощността на предавателите.
При тясна честотна лента ($B \ll f_m$): измерва се разстоянието между спектралните съставящи $f_m$.
При широка честотна лента ($B \gg f_m$): измерва се честотната девиация $\Delta f_{peak}$ (размах $2\Delta f_{peak}$).

5. Ресурсни брокери (РБ)

Изисква се ДЕФИНИЦИЯ (3–4 изречения)

Готова дефиниция за контролното (1:1 от дъската — точно 4 изречения):
1. Ресурсните брокери проследяват заетостта и натоварването на отделните системни ресурси.
2. При възникване на заявка със задача (задачи) от страна на конкретно приложение, ресурсният брокер извършва филтриране и ранкиране чрез услугата „Информационно обслужване“.
3. Извършва предоставяне на свободни и подходящи ресурси за изпълнение на заявените задачи.
4. Провежда се сравнителен анализ между присвоените ресурси и капацитета на наличните свободни физически ресурси на системата.

Визуална справка: 1. Функционална архитектура и 2. Блок-схема на алгоритъма на РБ (от дъската)

Фиг. 5.1: Функционална архитектура и блок-схема на алгоритъма на Ресурсен Брокер (от дъската)

6. Машинни инструкции — Понятие и Функционални групи

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ на функционалните групи

1. Понятие и структура на машинна инструкция (от дъската)

Дължина на инструкция: 2B, 4B, 6B или 8B (2, 4, 6 или 8 байта).
Правило: Дължината на инструкцията се определя от най-левите битове в кода на операцията.

Функционални групи инструкции (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА — всичките 9 от дъската):

Инструкции за трансфер на данни;
Инструкции за управление на системата;
Инструкции за предаване на управлението;
Инструкции за аритметична обработка;
Инструкции за логическа обработка;
Инструкции за символна обработка;
Инструкции за условен преход;
Инструкции за безусловен преход;
Инструкции за вход и изход.

7. Паралелни архитектури (Класификация на Флин, VLIW, CISC/RISC, Изпълнение)

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ / Класификация

7.1. Архитектури, основани на ниво паралелизъм в ДАННИТЕ (Класификация на Флин)

а) SISD (Single Instruction Single Data system)

Подходящи са за опериране с единична инструкция при единичен информационен поток. Всички инструкции и данни се съхраняват в първичната памет. Характеризират се с ниско бързодействие.

б) MISD (Multiple Instruction Single Data system)

Подходящи са за изпълнение на различни инструкции на различни PEs (процесорен елемент — най-малката хардуерна единица в паралелната архитектура, извършваща аритметични и логически операции) върху един поток от данни.

в) SIMD (Single Instruction Multiple Data)

Оперира се с единична инструкция при множество информационни потоци. Подходящи са за приложения с научна насоченост, където е налице необходимост от векторни и матрични изчисления.

г) MIMD (Multiple Instruction Multiple Data system)

Подходящи са при опериране с множество инструкции и множество информационни потоци. Разделят се на два подкласа:

shared-memory MIMD (със споделена памет);
distributed-memory MIMD (с разпределена памет).

Фиг. 7.1: Схеми на SISD, MISD, SIMD и MIMD по класификацията на Флин (от дъската)

7.2. Архитектури на основата на паралелизъм в ИЗПЪЛНЕНИЕТО (Точка 5 от дъската — ЗА ИЗБРОЯВАНЕ!)

Точен списък от дъската:

а) Многоядрени пресмятания
б) Симетрични мултипроцесорни изчисления (SMP)
в) Разпределени изчисления:
- Клъстерни изчисления;
- Масивно паралелни изчисления (MPP);
- Грид изчисления (Grid computing).
г) Специализирани паралелни компютри:
- Векторни процесори;
- Изчисления върху GPU (Graphics Processing Units).

7.3. Паралелни архитектури VLIW (Very Long Instruction Word) (Точка 3 от дъската)

Изграждат се на основата на паралелизъм на ниво инструкция. Инструкционните пакети са организирани в конвейерно изпълнение (Извличане $ ightarrow$ Декодиране $ ightarrow$ Изпълнение на опер. 1, 2, 3 паралелно $ ightarrow$ Запис на резултата).
Наличните функционални модули използват общ регистров файл:
- LOAD / STORE — координира комуникацията между Главната памет и Регистровия файл;
- ALU FP — аритметично-логическо устройство за операции с плаваща запетая (напр. $0.000453 = 4.53 \times 10^{-4} ightarrow$ мантиса: $4.53$, порядък: $-4$);
- BRANCH — организира управлението на преходите и контрол на изпълняваните инструкционни пакети;
- ALU INTEGER — целочислено АЛУ.
Основно предимство: Генериране на планиран и готов за изпълнение код, като процесът „планиране“ е съобразен със зависимостите между функционалните модули и техните латентности.
Основен недостатък: Невъзможност за изпълнение на кода при промяна на количеството на функционалните модули или техните латентности (липса на обратна хардуерна съвместимост без прекомпилиране).

7.4. Сравнителна таблица: CISC, RISC и VLIW архитектури (Точка 4 от дъската)

Характеристика	CISC (Complex Instruction Set Computing)	RISC (Reduced Instruction Set Computing)	VLIW (Very Long Instruction Word)
Дължина на инструкцията	Променлива (от 16 до 64 бита)	Еднаква (фиксирана, обикновено 32 бита)	Еднаква
Формат на инструкцията	Разположението на полетата се променя	Регулярно, разположението на полетата не се променя	Регулярно, разположението на полетата не се променя
Семантика на инструкцията	Променя се от проста до сложна (многоетапни операции на ниско ниво: четене, запис, аритм. опер.; 120 до 350+ инструкции)	Само една операция (опростен набор до 100 инструкции, изпълнявани в 1 тактов цикъл)	Множество прости независими операции в един пакет
Регистри	Малко (ограничен брой от 32 до 64), понякога специализирани	Много, универсални (за бърз достъп до паметта)	Много, универсални (общ регистров файл)
Достъп до паметта	Обвързан с операции на различни типове инструкции (4 до 16 режима на адресиране)	Не са обвързани с операции, LOAD / STORE архитектури	Не са обвързани с операции, LOAD / STORE архитектури
Акцент при проектирането на хардуера	Използване на микрокодирани имплементации	Имплементации с един конвейер и без микрокод	Имплементации с множество конвейери, без микрокод, без сложна логика

8. Електромагнитна интерференция — EMI излъчване

Изисква се ИЗБРОЯВАНЕ (Източници, Смущавани у-ва, Ефекти)

Механизъм на възникване (от дъската): Между EMI източника и смущаваното устройство възниква взаимодействие по два начина:

Жична връзка: протичат паразитни токове и напрежения ($I_p, U_p$).
Безжична връзка: паразитни високочестотни електрическо и магнитно поле ($E_p, H_p / M_p$), предизвикващи поява на паразитни токове и напрежения ($I_p, U_p$).

1. EMI източници (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

Синтезатори;
Осцилатори;
Управляеми превключватели;
Цифрови ключове и др.

2. Смущавани системи (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

Компютърни системи;
Телефонни системи;
Защитни системи;
Цифрови процесори и др.

3. Типове негативни ефекти (ЗА ИЗБРОЯВАНЕ НА ТЕСТА):

Върху хардуера и елементите:

Паразитни линии по платките;
Дефектиране на индуктивни и капацитивни елементи;
Пробив в корпуса;
Частично или пълно дефектиране на заземявания и др.

Върху приемания сигнал:

Интерференция;
Затихване;
Деградиране на спектъра на сигнала и др.

2. Пътища на проникване на EMI в приемника (от дъската)

Директен път (през антената): Ограничава се чрез филтри и съгласуващи звена.
Индиректни пътища (3 вида на дъската):
1. Пробив в корпуса от външно поле ($E_p, H_p$);
2. От захранването — нестабилности и пулсации;
3. От интерфейса — вътрешни паразитни връзки ($I_p, U_p$).

Фиг. 8.1: Пътища на проникване на EMI (директен и индиректни пътища) — точно по схемата от дъската

3. Класификация на EMI (Точки 3.1 и 3.2 от дъската)

3.1. От гледна точка на начина на въздействие върху приемника:

Източници на теснолентови емисии;
Източници на широколентови емисии;
Източници на пулсиращи моментни емисии.

3.2. От гледна точка на физическата причина за възникване:

Предаватели с кратни и огледални честоти;
Неправилно модулирани източници (сигнали);
Електрически мотори и прекъсвачи;
Атмосферни и климатични явления;
Електрически силови линии на промишлена честота и трансформатори и др.

Компютърни и комуникационни системи (ККС)

Регламент за контролното (от последната лекция):