Отчет о посещении кружка по изучению основ цифровой схемотехники в Музее Космонавтики в Москве

    Когда я был маленьким мальчиком, моей любимой книгой была «Земля и Небо». Она до сих пор стоит у меня на полке:
    zemlya_i_nebo_151213_211040


    Потом я в 1 классе поехал в Москву, пошел на ВДНХ в павильон «Космос», и с большим интересом познакомился там с луноходом. И вот недавно, 38 лет спустя, я повторил знакомство:

    20151024_015455_voskhod

    Правда теперь он стоял не в павильоне «Космос», а в Музее Космонавтики рядом с ВДНХ, в здании под взлетающей ракетой:

    20151024_134642_voskhod

    В музей космонавтики меня пригласил зайти Антон Михайлов, организатор кружка для обучения детей основам электроники который называется Конструкторское бюро «Восток». С Антоном Михайловым я познакомился через Руслана Тихонова из компании http://amperka.ru.

    Антон Михайлов также сотрудничает с Московским государственным техническим университетом имени Н. Э. Баумана, где собирается 19 декабря провести соревнование для школьников по цифровой схемотехнике.

    Когда я пришел в Музей Космонавтики, меня прежде всего поводил по нему экскурсовод, молодой человек, который лично общался с кучей космонавтов, а также, насколько я помню, участвует в казаческом движении. Я рассказал, что микропроцессоры, разработанные в нашей компании Imagination Technologies (ранее MIPS Technologies) используются как в космических кораблях Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA, так и в американском космическом аппарате, который летит к Плутону. Кроме этого, сейчас наша компания сотрудничает с российской компанией НПЦ «Элвис», которое также разрабатывает микросхемы для спутников и изначально выросло из советского предприятия ЭЛАС, которое разрабатывало электронику для космических станций «Салют» и «МИР».

    Наконец я встретил Антона Михайлова:

    20151024_031104_voskhod

    И Руслана Тихонова:

    20151024_031211_voskhod

    Они разработали набор для обучения школьников основам цифровой схемотехники на основе макетных плат и микросхем малой степени интеграции, которые содержат логические элементы, D-триггеры, счетчики и генераторы синхросигнала:

    20151024_031020_voskhod

    Ту читатель может воскликнуть: «Зачем это?! XXI век! Детям надо Ардуино, Лего, Разберри Пай!»

    Увы, Лего/Ардуино/Разберри Пай могут научить программировать микроконтроллеры и подсоединять к ним готовую периферию, но они не показывают, как можно спроектировать сам микроконтроллер/встроенный процессор, на основе которого сделан Ардуино/Разберри Пай. Чтобы сделать первый шаг, школьнику необходимо четко понять концепции логических элементов, D-триггеров и синхросигналов. Это три фундаментальных кирпичика, без которых никак, и понимать эти концепции лучше не на симуляторе и не на ПЛИС/FPGA, а именно на микросхемах малой степени интеграции — это нагляднее, особенно для детей.

    Я писал об этом раньше (Как и зачем начинать обучение младшего школьника цифровой электронике?, Набор электроники для кружка робототехники Информатикум).

    Пример платы собранной из аналогичного американского набора Гибсона:

    tron.ix_2_4_17_updn

    После таких упражнений самых продвинутых старших школьников можно пересадить на ПЛИС/FPGA — см. «Как начать разрабатывать железо, используя ПЛИС — пошаговая инструкция»

    После нашей встречи с Антоном и Русланом они начали занятия кружка. Я прочитал перед школьниками речь с рассказом о Silicon Valley, а также о том, как им повезло — они будут первым поколением электронных инженеров, которые могут, не эмигрируя, работать в России «по гамбургскому счету», то есть иметь доступ к мировой экосистеме разработки (EDA tools, semiconductor IP), участвовать в международных проектах в совместных американо-европейско-российско-азиатских командах, а также иметь доступ к международному венчурнуму капиталу и рынкам сбыта для своих разработок.

    Дети с интересом послушали и приступили к своим занятиям:

    20151024_031034_voskhod

    20151024_031048_voskhod

    20151024_031051_voskhod

    Под конец Антон Михайлов устроил им тест:

    20151024_031325_voskhod

    А теперь немного материала для взрослых:

    Японский космический корабль с гордым названием Хаябуса-2 («Сокол»), который сейчас летит к астероиду 1999 JU3, управляется процессором HR5000 на основе довольно давно лицензированного у MIPS Technologies процессорного ядра MIPS 5Kf.

    Datasheet на HR5000

    А вот datasheet на его ядро MIPS 5Kf

    Структура процессорного конвейера этого ядра:




    И протокол шины MIPS 5Kf под названием EB (External Bus).

    Чему вы хотите учить школьников?

    Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

    • +16
    • 6,3k
    • 4
    Поделиться публикацией
    Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

    Зачем оно вам?
    Реклама
    Комментарии 4
    • +2
      Лично по моему мнению — главное создать общее представление о компьютере, что-бы его работа не выглядела каким-то «чудом» (и чтобы ребёнок смог осознанно выбрать ту область, которая ему интересна по жизни — а не вбить в голову пару законов, которые он даже не сможет применять).

      Компьютер — это вообще замечательный пример того, как множество законов на разных уровнях соединяются воедино:
      1) закон Ома это не просто формула, а возможность посчитать потерю энергии в проводах
      2) p-n переходы — это не просто «правила движения электронов» а возможность описать работу транзистора
      3) булева алгебра — это не просто нули и единицы, а возможность что-то с помощью этих транзисторов посчитать
      4) ассемблер и языки высокого уровня — позволяют сократить время написания программы в разы

      Учить надо основам следующего: математика → математическая логика → булева алгебра, и параллельно физика → электричество → транзисторы → машинный код → ассемблер → языки высокого уровня. В такой последовательности, чтобы предыдущее опиралось на последующее (а не просто знания «висящие в воздухе» — как бесполезный кусок), так появится понимание зачем это вообще нужно, кроме получения оценки.

      И не надо тут зацикливаться на мелочах — разницу между p-n-p и n-p-n рассказать можно, а заставлять заучивать все типы транзисторов — нельзя. У них в остатке должно остаться представление как компьютер работает в целом, а не то что транзисторы могут быть в металлокерамическом или пластмассовом корпусе. И без всяких «методом пузырька» в программировании — уж лучше пусть какие-нибудь фигуры вращающиеся на основе тригонометрических функций строят: результат их труда должен вызывать интерес, а не желание уснуть при виде очередной отсортированной таблицы. А кто захочет — сможет потом выучить алгоритмы и сам, когда появится интересная задача для них.

      П.С. Это — для математического класса, для гуманитарием надо что-нибудь по-проще, им и последнего «уровня абстракции» — в виде текстового редактора и браузера по жизни будет достаточно. А раз интереса нет — то и не стоит мучить: математику с началами анализа оставить, программирование — в любом виде убрать.
      • +2
        Вы все правильно пишете, но в том, что вы написали, есть слепое пятно: Дело в том, что машинный код не опирается на транзисторы. Примерно так же как навыки вождения автомобиля не опираются на гайки и болты. Так же как между гайками и навыками вождения автомобиля есть минимум два уровня механики (конструкция двигателя, конструкция автомобиля), то и между транзисторами и компьютерной архитектурой / ассемблером есть минимум три уровня (лигические элементы (и, или, нет, триггеры), уровень регистрового обмена (register transfer level — RTL) на языках описания аппаратуры (hardware description languages, HDL), и микроархитектура (устройство конвейера процессора).

        Полное игнорирование длинной дыры между физикой и программированием в образовании — это одна из причин недостаточной представленности России на международном рынке разработки микросхем.

        Я написал об этом пост — habrahabr.ru/post/259505
        • 0
          Вы все правильно пишете, но в том, что вы написали, есть слепое пятно: Дело в том, что машинный код не опирается на транзисторы.
          Да, и вправду — с верхней и нижней областями много работал — а эту как-то из вида упустил. А если вспомнить про текущие пару миллиардов транзисторов на один физический процессор — с тремя кэшами разных частот, и 4-8 процессорами логическими — то там можно сказать «целый город» внизу выстроен), и даже САПР специализированные для проектирования этого есть.
      • 0
        Спасибо за рассказ!

        У меня не было книги «Земля и Небо» — нашёл её в интернете, и там красивое начало:

        Выйди в поле лунной ночью и посмотри на небо.

        На небесном своде сияет луна. Ее мягкий серебристый свет заливает землю, но он далеко не так силен, как блеск солнца. Все видно вблизи, но далекие предметы исчезают в туманной дымке.

        Луна освещает и небо. Близкие к ней звезды меркнут в лунном сиянии, а далекие — бледнее, чем в темную ночь.

        Ночное небо в ясную погоду — одно из прекраснейших зрелищ в природе. Можно часами любоваться светлой луной и тысячами мерцающих звезд, разбросанных по небу.

        Но вот луна спускается все ниже и ниже и наконец исчезает за горизонтом — небо темнеет, на нем появляется гораздо больше звезд, они кажутся еще ярче.


        Есть книги которые вырабатывают фундамент мировоззрения в детстве, и спасибо тем авторам кто их написал, и благодаря кому они вышли в свет.

        Про популяризацию космоса хорошие книги у французского астронома Камиля Фламмариона (1842 — 1925), вот из его книги «В небесах и на земле», какой слог:

        На землю спустилась глубокая ночь; было тихо и безмятежно. В прозрачном воздухе реял приятный запах от скошенного на лугах сена. Деревья вырисовывались черными фантастическими силуэтами на фоне вечернего неба, подернутого последними неопределёнными отблесками сумерек, а башня замка в этом бледном свете казалось черной. Мы вышли из векового парка по пустынной дороге, чтобы углубиться в открытое поле, откуда был виден весь горизонт. Ни одного кусочка неба не было от нас скрыто. С севера на юг и с востока на запад весь звездный свод расстилался над нашими головами и скоро, с последним исчезновением вечера, между небесными алмазами, сияющими всеми своими огнями, мало-помалу начали зажигаться во множестве более мелкие звезды.

        Летние ночи торжественные и величественные! Сколько сладостных часов доставляете вы созерцательным душам. Солнечный свет, дневной шум, беспрерывная работа природы, борьба за существование, господство материи, честолюбие низменное или возвышенное всего человечества, повелевают, волнуют, наполняют мир от восхода до захода солнца. Существование человека, захваченное и унесенное водоворотом жизни, не принадлежит больше ему самому. Наоборот, ночью земная природа засыпает и уступает место владычеству и величию неба. Душа может обрести самое себя, забыть о теле, распуститься как цветок в безмолвном воздухе, одиноко мечтать, созерцать, изучать, познавать, чувствовать, жить духовной жизнью. И наслаждаться великолепием мимолетного предчувствия правды. Тогда чувствуется тщета человеческих творений. Забывается то, что с точки зрения исключительно материальной, казалось, представляло основу ценности человечества. Лучшие произведения промышленности, самые изящные строения, дворцы, храмы окутаны ночью. Мы чувствуем себя слившимися с природой, нашей матерью, нашей невестой, нашим вечным другой, — с этой природой вечно-юной и прекрасной, на лоне которой нам грезятся все наши сны. Она нас слышит, она нас понимает, она нам отвечает своими звездами, она говорит нам своею тишиною, мы живем в ней и благодаря ей и чувствуем себя больше не гражданами какого-нибудь уголка земли, или даже целой планеты, но гражданами бесконечности. Это зрелище ночи дает нам возможность жить в нашей истинной обители — вечности и бесконечности, доступной только для прозорливой мысли.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.