June 8th, 2017

2017

Взял видеоинтервью у вице-президента Ардуино и обсудил с ней преподавание школьникам ПЛИС-ов

На днях я встретился и взял короткое видеоинтервью у Kathy Giori, Vice President Operations Arduino USA. Мы обсудили с Кати новое веяние, которое уже коснулось и Ардуино-коммьюнити: так как программированию микроконтроллеров с помощью Ардуино уже все более-менее научены, то пора делать следующий шаг: учить школьников использовать язык описания аппаратуры Verilog и микросхемы ПЛИС / FPGA, матрицы логических элементов с изменяемыми функциями. А для того, чтобы сделать освоение FPGA проще, стоит воскресить упражнения с микросхемами малой степени интеграции, популярные в 1970-х, в качестве приквела к современным FPGA. Все это закроет брешь между физикой и программированием, дискретными элементами и микроконтроллерами, транзистором и Ардуино.

FPGA и платы можно использовать от любого производителя (Xilinx, Altera, Lattice, Digilent, Terasic), все что я пишу ниже, не имеет привязки к той или иной компании.

В разговоре с Кати принимала участие преподаватель Стенфорда Светлана Хутка, которая рассказала Кати об эксперименте по бесплатному обучению школьников использованию FPGA в Киеве, силами преподавателей-энтузиатов из нескольких киевских вузов. После этого я поделился с Кати планами проведения следующего такого эксперимента на известной еще с советских времен летней школе юных программистов в Новосибирске, а также поговорил с другими присутствующими товарищами из Ардуино-коммьюнити о внедрении FPGA в двух школах и одном коледже Silicon Valley.

https://youtu.be/KleA7rNHkDc



В этом посте я приведу как информацию по результатам киевского эксперимента, так и некоторые планы на будущее, которые сейчас разрабатывают активисты - преподаватели физматшкол и вузов Киева, Чернигова, Новосибирска, Москвы, Нижнего Новгорода, Самары, Санкт-Петербура, Алматы и других городов. На киевском семинаре участники дошли до создания конечных автоматов кодового замка и интеграции с простыми периферийными устройствами (16-кнопочная клавиатура, динамик). На летней школе в Новосибирске у нас времени будет больше и мы попробуем построить со школьниками процессор. В перспективе из этого планируется сделать годовой курс основ цифровой электроники на FPGA для физматшкол, который может обогатить школьное образование, как в 1980-х его обогатило введение элементов программирования.

Плата c FPGA, которую сейчас рекомендует Кати, и которую я несколько переделываю, чтобы приспособить к своим нуждам (про это будет отдельный пост):



А теперь обсудим детально:

1. Зачем учить школьников языкам описания аппаратуры и использованию ПЛИС? Обоснование программы.

В картине мира, представляемой школьным образованием, существует “слепое пятно” в области принципов проектирования цифровой электроники, между физикой и программированием. Курсы роботики и ардуино это слепое пятно не закрывают, так как сводятся к программированию готовых чипов. Упражнения с дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции, хотя и эффективны во введении в основные принципы, базируются на технологиях 1960-1970-х годов и не содержат привязки к современному проектированию. Слепое пятно можно закрыть с помощью введения элементов языков описания аппаратуры (ЯОА) и доступные для школьного экспериментирования микросхемы ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) - матрицы реконфигурируемых логических элементов. Тем самым картина мира становится цельной, и способствует созданию среды для появления большого количества молодых инженеров, имеющих представление о всех сторонах современных микросхем для приложений типа самоуправляемых автомобилей, и способных в будущем специализироваться для проектирования того или иного аспекта таких устройств.

Введение ЯОА и ПЛИС в школьную программу также хорошо привязывается к курсу математики и физики физматшкол - булевская алгебра, арифметические схемы, конечные автоматы.

Заметим, что ЯОА и ПЛИС, несмотря на поверхностное сходство с программированием, используют другие базовые концепции:

Программирование: последовательное исполнение, ветви выбора, циклы, переменные, выражения, массивы (c моделью плоской адресуемой памяти), функции (на основе использования стека), рекурсия.

Проектирование цифровой логики: комбинационный логический элемент; построение из этих элементов облаков комбинационной логики, включающей примитивы выбора с помощью мультиплексоров, а также блоки для реализации арифметических выражений; концепция тактового сигнала для синхронизации вычислений и повторения, концепция D-триггера для хранения текущего состояния между тактами; конечный автомат; параллельность операций, иерархия модулей, концепция конвейера (не только для процессора, но и для арифметических блоков).

Collapse )