Хабрахабр

[Из песочницы] Микроэлектроника для школьников от самого истока

Несколько лет назад довелось мне попробовать свои силы в заманивании пытливых отроков в разработку микроэлектроники. А дальше было, как в известной пословице: «Коготок увяз — птичке пропасть!» Остановиться уже не смог. Хочу поделиться с общественностью этим опытом, возможно, другие инженеры-электронщики тоже захотят устроить что-то подобное. Грамотнее народ – лучше жизнь.

Тема эта известна мне не понаслышке, два десятка лет в ней варюсь. Началось все с того, что мы почти случайно договорились с Межрегиональной компьютерной школой в подмосковной Дубне о проведении для их слушателей чего-то вроде лекции о проектировании микропроцессоров. Ну и почему бы подросткам не рассказать, в чем состоит работа инженеров, выдумывающих внутренности «процов». Довелось поработать и в отечественных, и в зарубежных фирмах. Если им будет совсем не интересно, то плевать им на почетные седины, блистательные лысины и надутые щеки. Это не среди таких же зануд на конференции выступать — перед детьми просто оттарабанить текст не получится. Но есть и плюсы — всякие вольности, шутки, неточности и упрощения не вызовут негодования и требований сжечь еретика-докладчика. Будут зевать, не стесняясь, и ерзать на стульях в надежде сбежать поскорее. В общем, судя по количеству вопросов в процессе общения, первый блин вышел не комом, стало интересно двигаться дальше.

image

А дальше после подобного занятия со школьниками и преподавателями уже в лагере Goto Camp возникла идея дать попробовать детям самим собрать на макетке разнообразные «запчасти» для процессоров и пощупать их вживую. Благо в лагере среди разнообразных программистов было и логово робототехников, у которых можно было разжиться микросхемами, проводами, светодиодами и кнопками. Такой подход в тысячу раз лучше, чем разглядывать схемы и диаграммы на бумаге. Увидеть своими глазами, как нолики и единицы бегают внутри схемы, потыкать в логические вентили пальцем — что может быть надежнее для освоения материала. А то они программируют свои микроконтроллеры, как черные ящики, вообще не представляя, что у тех внутри шуршит. И даже ПЛИСы не решат задачу сделать электронику наглядной. Ну, написал ребенок на Verilog'е логическую функцию, ну, закачал ее через программатор внутрь — результат тот же, вся логика скрыта в недрах микросхемы. Поэтому — только вентили. А еще лучше — транзисторы.

Но главное — он был. Набор «рассыпухи», доступной в лагере на момент озарения, был небогатым. Ситуация осложнялась тем, что я провел теоретическую беседу о микропроцессорах и уехал к себе домой за 50 км от лагеря. Нужно было на этой базе придумать нечто, что могло призывно мигать лампочками или чем-нибудь жужжать. То есть я был тут, а детали — там.

Я придумывал схемы, рисовал их на промокашках и пересылал фотографии ему. Поэтому с одним из преподавателей пришлось устроить сеансы телеэлектроники. Описывал мне результат в ответных сообщениях, а я старался определить причину неполадок и глюков, чтобы их устранить. А он пытался разобрать эту клинопись, собрать ее на макетке и добиться правильной работы. Еще не было ясно, как это понравится детям, но уже было что им показать. Удивительно, но в итоге все же нам удалось победить две схемы: дешифратор адреса и мультиплексор.

Нашлась дюжина отважных пятнадцатилетних, которым не страшно было попробовать понять материал, который, между прочим, на третьем курсе института обычно рассказывают. В лагере был устроен опрос, есть ли желающие посетить уже не лекцию, а семинар с лабораторкой на тему работы внутренностей цифровых чипов. Только КМОП, только мейнстрим! Сразу было ясно, что из изложения надо к черту исключить ТТЛ, ЭСЛ и прочие замшелые типы логики, которыми профессура конопатит мозг студням. Но без физики полупроводников и прочих ужасов. На свой страх и риск включил туда объяснения принципов работы МОП-транзисторов в цифровых схемах.

Пусть они не бухтят, вот что. Здесь лирическое отступление в адрес тех, кто ругает современную молодежь за лень и глупость. Лирическое отступление окончено. Нормальная у нас молодежь, не слушайте старых ворчунов, парни и девчонки.

Потом вместе на этих вентилях мы «изобрели» сумматор, дешифратор и мультиплексор. Дети так ловко схватывали материал, после объяснений и примеров смело выходили к доске, установленной прямо на лужайке под открытым небом, и рисовали по таблицам истинности вентили на транзисторном уровне — это было прекрасно. — преподаватель и добрый волшебник Алексей вынес макетки с результатами наших с ним телемучений. А после этого — тадам! Лучшая реплика при этом была: «Ааааа, теперь я понял, куда подевались почти все провода из лаборатории!» Это вызвало некоторый ажиотаж среди слушателей — можно потрогать руками то, что только что рисовалось на доске фломастерами, и понажимать кнопки, наблюдая за переключением светодиодов на выходах.

На них мне, к счастью, хватило квалификации ответить. После этого дети задали много вопросов по электронике. Старые советские книжки, по которым мы паяли свои цветомузыки и радиоприемники, устарели с точки зрения «цифры». Кроме одного: «А где почитать про то, что вы рассказывали?» А ведь и негде. Есть прекрасная книжка Харрисов, но там нет экспериментов на макетке. Институтские буквари своими формулами отобьют всякое желание изучать электронику. Опять пришлось уезжать с чувством, как будто что-то не доделал. Есть отличные наборы компонентов с макетками, но там обычно нет подробных объяснений, как все эти устройства работают.

Пришлось засесть за написание и издание учебно-практического курса для толковых школьников. Как известно, если тебя не устраивает то, что есть, не ной, а сделай сам, как считаешь нужным. Внезапно это оказалось страшно увлекательно. Для этого, конечно, потребовалось купить детали, макетку, провода и начать играть в работу дома.

Вот, например, игра «кто быстрее» на двух МОП-транзисторах:

image

Кто там говорит, что детей от телефонов за уши не оттащишь? Мы эту игру потом собрали на печатной плате с младшеклассником, и она вызвала живой интерес у его школьных товарищей, которые целую неделю на переменах азартно жали кнопки, отложив смартфоны в сторону. Ну а герой паяльника и канифоли потребовал придумать что-нибудь еще, чтобы можно было поразить товарищей.

А вот это — вентиль XOR (исключающее ИЛИ) на дюжине транзисторов:

image

На нем прекрасно отрабатываются идеи запоминания и хранения данных: А вот это D-триггер, срабатывающий по уровню (триггер-защелка).

image

Никаких чудес и магии в их работе уже не будет после возни с транзисторами на макетке. Разобравшись с работой всех видов логических вентилей на транзисторном уровне, можно перейти уже к микросхемам малой степени интеграции серии CD4000. Вот, например, полный сумматор:

image

Он, конечно, убогий — четыре регистра по два бита. А вот, не поверите, макет оперативной памяти. Но это честная память с дешифраторами адреса, битовыми шинами, запоминающими ячейками и прочими узлами и проводами, в каждую точку которых можно ткнуть щупом логического пробника и по загорающимся и гаснущим светодиодам увидеть беготню нулей и единиц по схеме, разобрать в деталях процессы чтения и записи данных.

image

Всего в новом варианте курса для летней школы насчитывается три десятка схем, развлекательных и образовательных, которые последовательно от одного транзистора до десятка микросхем помогают детям узнать цифровую электронику, даже не умея программировать.

Нет там ничего такого, что недоступно пытливому уму при современных компонентах и возможностях. В общем, нынешним старшеклассникам точно по зубам освоение премудростей проектирования компьютерного железа с самого низкого уровня. Есть надежда, что удастся расширить и углубить пропаганду микроэлектронных ценностей среди населения.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть