CC BY
109
Литература
1. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для втузов. - СПб.: Питер, 2003. - 604 с.
2. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: Уч. пособие. -М.: Форум: Инфра-М, 2005. - 432 с.
3. http://www.exponenta.ru/educat/systemat/kavchuk/index.asp.
4. Айчифер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. - 2-е изд. Пер. с англ. - М.: «Вильямс», 2004. - 992 с.
5. www.ni.com.
6. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в Lab VIEW. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 472 с.
7. Бессонов А. С. Использование нескольких сред программирования для создания программного обеспечения виртуального средства измерений // Оптимальные методы решения научных и практических задач: Матер. Междунар. научн. конф. - Ч. 4. - Таганрог: «Антон», ТРТУ, 2005. - С. 12-15.
УДК.004.94
УНИВЕРСАЛЬНАЯ УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО ОБУЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ
Н.А. Дмитриев, асп. Тел.: (495) 323-92-83; E-mail: dna124@gmail.com
Л.Д. Забродин, д.т.н., проф. Тел.: (495) 323-92-83; E-mail: ldzabrodin@mephi.ru
М.Н. Ёхин, к.т.н., доц. Тел.: (495) 323-92-83; E-mail: mih.dozen@mephi.ru Б.Н. Ковригин, к.т.н., доц.
Тел.: (495) 323-92-83; E-mail: kovrigin2006@yandex.ru М.Ю. Павлов, асп. Тел.: (495) 323-92-83; E-mail: mixey.photo@mail.ru Кафедра Компьютерных систем и технологий Московский инженерно-физический институт (Национальный исследовательский ядерный университет) http: //dozen.mephi.ru
The article dwells on the universal educational laboratory which basis is made by the automated workplace of the student. The new features of laboratory and its use in educational process modern technologies automated designing with orientation to ideology «system on a crystal» are common educational environment for scheme-technical courses.
В статье представлена универсальная учебная лаборатория, основу которой составляет автоматизированное рабочее место студента. Принципиально новыми особенностями лаборатории и ее использования в учебном процессе являются единая учебная среда для схемотехнических курсов, современные технологии автоматизированного проектирования с ориентацией на идеологию «система на кристалле».
Ключевые слова: учебная лаборатория, междисциплинарное обучение, универсальный лабораторный стенд.
Keywords: educational laboratory, interdisciplinary training, the universal laboratory stand.
Современное состояние мировой электронной индустрии характеризуется революционными изменениями, которые обу-
словлены возможностями полупроводниковой технологии создавать все основные функциональные элементы полного конеч-
ного продукта в одном чипе - системы на кристалле. Это привело к разработке и внедрению принципиально новой методологии проектирования систем на сверхбольших интегральных схемах с программируемой пользователем структурой [1].
Рост уровня сложности требует не только использования современных средств проектирования, но и переосмысления всей технологии проведения проектных работ, включая декомпозицию проекта, планирование и управление работами, параллельную и взаимосвязанную разработку его фрагментов и грамотное объединение фрагментов в целостное устройство. Особо значимыми становятся процедуры отладки и верификации проектных решений. От проектировщиков требуется отказ от устаревших методов и средств и овладение современными технологиями проектирования [2]. Понимание описаний, создаваемых автоматическими проектными средствами, необходимо для современного квалифицированного разработчика.
Необходимость обучения студентов качественно новой методологии и инфраструктуре проектирования схем с программируемой структурой и их применения в составе микропроцессорных систем привела к появлению следующих подходов к построению учебных лабораторий [3-8].
а) Использование специализированных плат контроллеров-конструкторов, ориентированных на начальное изучение и освоение конкретных микроэлектронных приборов (микроконтроллеров или ПЛИС). Они содержат минимальный набор средств задания входных воздействий и индикации (КТЦ-МК [3], «ФИТОН» [4], зарубежные производители микроконтроллеров или ПЛИС [5-6]) и являются малопригодными для учебных целей из-за низкой наглядности результатов и невозможности обеспечения вариа-
тивности индивидуальных заданий.
б) Использование специальных лабораторных комплексов и стендов с развитым набором средств задания входных воздействий и индикации (завод «Протон-МИЭТ» [7]), которые ориентированы, как правило, на поддержку практикумов по отдельным курсам.
в) Использование лабораторных станций (NI ELVIS [8]), позволяющих подключать съемные макетные платы с коммутируемыми на них электронными компонентами (2800 контактов). Наличие разъемов требует их технического обслуживания для обеспечения надежного соединения. Еще один недостаток связан с необходимостью контроля действий студента при его работе с разъемными соединениями макетных плат и выводов элементов на коммутационном поле. Это приводит к необоснованным затратам аудиторного времени на коммутирование схемы и ее контроль. Следует отметить также высокую стоимость лабораторных станций. Достоинства данного подхода связаны с его универсальностью и приспособленностью для постановки практикумов практически по всем курсам схемотехнических специальностей.
Все перечисленные подходы предполагают подключение оборудования к компьютеру с установленным на нем инструментальным ПО. Для этого используются стандартные интерфейсы RS-232, USB или специальные платы ввода/вывода аналоговых или дискретных сигналов.
Для обеспечения сквозных технологий изучения и проектирования цифровой аппаратуры, обеспечения современных требований, предъявляемых к выпускникам по специальности 23.01.01, авторами была разработана единая концепция комплексного практического образования студентов по схемотехническому циклу. Эта концепция была сформулирована на основе:
•анализа текущего состояния и тенденций развития мировой электронной индустрии;
• личного опыта в проектировании цифровой аппаратуры специального назначения;
• потребностей проектных организаций в высококвалифицированных специалистах, вла-
деющих современными методами и средствами проектирования цифровой аппаратуры;
• критического анализа текущего состояния учебного процесса и состояния лабораторного оборудования.
Данная концепция предусматривала реализацию следующих принципов:
- создание единой учебной среды, содержащей компоненты современной цифровой схемотехники - схемы программируемой логики, микроконтроллеры, память и элементы периферии;
- унификацию лабораторного оборудования для различных практикумов схемотехнического цикла учебных планов;
- использование в учебном процессе современных технологий проектирования и профессиональных САПР;
- обеспечение проектирования как аппаратной, так и программной составляющих законченной цифровой системы;
- возможность использования лаборатории для перспективных дистанционных форм обучения;
- обеспечение централизованного контроля и консультаций преподавателем в реальном времени выполнения заданий.
Назначение лаборатории - дать базовые практические знания и навыки проектирования сложной цифровой аппаратуры с аппаратной и программной реализацией алгоритмов обработки информации, которые позволили бы студенту в его будущей практической деятельности решать любые поставленные задачи.
1. Состав лаборатории
Универсальная лаборатория (рис. 1) состоит из сервера, 15 автоматизированных рабочих мест (АРМ) студента-проектировщика, сетевого принтера. Компьютеры всех автоматизированных рабочих мест включены в локальную сеть, имеющую выход в Интернет.
Объединение компьютеров всех автоматизированных рабочих мест студентов в локальную сеть обеспечивает:
■ централизованный контроль и консультации преподавателем в реальном времени выполнения заданий студентом;
■ высокую защищенность и сохранность проектов студентов за счет организации хранения проектов на двух жестких дисках сервера, организованных по уровню RAID 1;
■ высокую эксплуатационную надежность лаборатории за счет возможности выполнения задания на любом автоматизированном рабочем месте в случае какой-либо неисправности на одном из рабочих мест;
■ оперативный доступ студентов к методи-
ческим материалам;
■ печать результатов выполнения заданий с любого автоматизированного рабочего места;
■ централизованный тестовый контроль качества предметных знаний студентов и анализ результатов контроля.
Выход в Интернет дает возможность использования лаборатории для перспективных дистанционных форм обучения.
Основу лаборатории составляет автоматизированное рабочее место студента-проектировщика (АРМ).
АРМ студента-проектировщика - это комплекс аппаратно-программных средств, необходимых для обучения основам схемотехники, проектированию цифровых систем на основе микропроцессоров и программируемой логики. Аппаратное обеспечение рабочего места включает:
•универсальный лабораторный стенд;
• компьютер, оснащенный платой расширения цифрового осциллографа BORDO-211 с полосой пропускания 120 МГц и 16-канального логического анализатора с частотой дискретизации 100 МГц и возможностью запоминания 64К отсчетов;
• жидкокристаллический монитор 17" Samsung 710V;
• клавиатуру;
• оптическую мышь.
Возможности АРМ студента-проектировщика определяются, прежде всего, универсальным лабораторным стендом. Рассмотрим более подробно основные соображения и структуру, которые были положены при проектировании стенда.
1.1. Универсальный лабораторный стенд
В настоящее время микроконтроллеры и программируемая логика являются основой построения цифровых систем различной архитектуры для управления техническими устройствами и технологическими процессами (встраиваемые системы).
Типичная встраиваемая система (рис. 2) состоит из микроконтроллера, представляющего процессорное ядро с набором периферийных устройств (порты параллельного и последовательного ввода/вывода, таймер и др.) а также схем программируемой логики (ПЛИС) для аппаратной реализации
критичных по быстродействию алгоритмов обработки данных или построения специфических пользовательских устройств.
Объединение микроконтроллера и ПЛИС в одной системе сочетает преимущества двух способов реализации алгоритмов обработки информации - программного и аппаратного. При таком подходе фактически создается гибкая унифицированная платформа для использования в различных проектах. Она приспо-
сабливается решения
для задач пользователя программированием ее составных частей.
Исторически первые системы подобного класса выполнялись в виде конструкций одноплатных модулей
(System on board - SOB). Достижения микроэлектроники позволили перейти к интеграции процессорного ядра, программируемой логики и памяти программ/данных на одном кристалле.
Появилась возможность создавать встраиваемые системы в виде отдельных микросхем (System on chip - SOC). Однако ни структурная организация, ни способы взаимодействия составных частей обоих вариантов конструктивного исполнения встраиваемой системы практически не отличаются друг от друга. Это сохраняет общность подходов к проектированию встраиваемых систем независимо от способов их конструктивного выполнения. Технология встраиваемых систем в виде SOB более доступна в реализации, что важно для организации процесса ее изучения и практического освоения. Структура, приведенная на рис. 2, и была положена в основу универсального лабораторного стенда.
Организация аппаратных средств стенда (рис. 3) является повторением типовой структуры встраиваемой системы. Кроме этого, в структуре аппаратных средств реализована возможность как автономного, так и совместного использования ПЛИС и микроконтроллера. Это важно для организации поэтапного изучения и освоения компонентов современной цифровой схемотехники в рамках различных учебных дисциплин. Поэтому в состав стенда включены разнообразные аппаратно-программные средства задания входных воздействий и наблюдения состояний проектируемых узлов, устройств и систем [9].
В состав стенда входят все основные компоненты встраиваемых систем:
■ ПЛИС FPGA XCS10-3PC84 фирмы XILINX с объемом 10 тыс. вентилей, на основе которой реализуются проектируемые студентом схемы;
■ 8-разрядный микроконтроллер семейства MCS-51 PCF80C552 фирмы PHILIPS с расширенным набором встроенных периферийных устройств;
■ внешние оперативные запоминающие устройства для эмуляции ПЗУ, хранения данных и аппаратной поддержки функций отладки (останов в контрольных точках, пошаговое выполнение целевой программы);
■ генератор синхросигналов, предназначенный для формирования внешних тактовых сигналов;
■ 4-разрядный дисплей, выполненный на основе 7-сегментых светодиодных индикаторов и предназначенный для отображения алфавитно-цифровой информации в разрабатываемой микропроцессорной системе;
■ алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор для вывода текстовой информации;
■ шесть 4-разрядных светодиодных шкал, подключенных к пользовательским выводам кристалла FPGA;
■ клавиатура 4x4 АК1604 для ввода данных и команд в микропроцессорную систему, блоки кнопок для управления режимами ПЛИС;
■ разъем для подключения параллельного загрузочного кабеля, предназначенного для конфигурирования ПЛИС из компьютера;
■ разъем для подключения к компьютеру через COM-порт для обеспечения управления резидентным монитором микроконтроллера (загрузка, запуск и отладка целевой программы);
■ разъем RJ-11 для подключения внешних устройств с интерфейсом I2C, а также создания сетей микроконтроллеров;
■ разъем для подключения внешних устройств к системной шине микроконтроллера;
■ разъемы для подключения виртуальных измерительных приборов - осциллографа и 16-канального логического анализатора.
На рис. 4 показан внешний вид стенда со стороны лицевой панели. Стенд состоит из приборного корпуса и помещенной в него 4-слойной печатной платы с двумя выносными блоками 16-канального анализатора.
Корпус снабжен лицевой панелью, состоящей из прозрачного экрана и наклеенной на него декоративной пленки. В панель вмонтированы кнопочная клавиатура 4X4 и группы тумблеров с кнопками управления.
На лицевой панели имеются три прозрачных окна (см. рис. 4). В главном окне, расположенном слева, можно наблюдать фрагмент печатной платы с ПЛИС БРОЛ, МК и БИС внешней памяти программ и данных. Здесь же размещены 6 шкал светодиодных индикаторов, подключенных к ПЛИС. Рядом с ПЛИС располагается светодиодный индикатор готовности ее к работе.
В верхнем правом окне расположен 4-разрядный дисплей на 7-сегментных индикаторах и 2 светодиода индикации напряжений питания +12В и +5 В. Дисплей управляется контроллером клавиатуры и индикации, подключенным к внешней шине микроконтроллера.
В нижнем правом окне расположен алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), который имеет 2 строки по 16 символов. Алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор также подключен к внешней шине микроконтроллера.
В правом нижнем углу лицевой панели (см. рис. 4) расположена клавиатура 4X4, которая подключается к контроллеру клавиатуры и индикации.
Для задания входных данных и управляющих сигналов ПЛИС, а также выбора режима работы микроконтроллера имеются 4 группы переключателей. Группы Р1, Р2 и Р3 состоят из четырех тумблеров и подключены к ПЛИС (см. рис. 4). При верхнем положении тумблера формируется входной сигнал логической «1», а при нижнем логического «0».
Группа ГИ/ГОИ состоит из двух кнопок ГОИ1 и ГОИ2 для управления двумя встроенными в проект пользователя генераторами импульсов, а также тумблера выбора режима работы первого генератора (см. рис. 4). Если тумблер установлен в нижнее положение, то от кнопок ГОИ1 и ГОИ2 работают два генератора одиночных импульсов. При верхнем положении тумблера от кнопки ГОИ2 работает только второй генератор одиночных импульсов, а первый генератор переводится в непрерывный режим с отключением кнопки ГОИ1. Данные элементы управления также подключены к ПЛИС.
Группа из 3 тумблеров и кнопки предназначена для формирования управляющих сигналов микроконтроллера (см. рис. 4).
Тумблер INTO обеспечивает выбор источника этого внешнего прерывания микроконтроллера. При его верхнем положения источником прерывания является пользовательское устройство, выполненное на ПЛИС. При нижнем положении тумблера прерывание генерируется блоком памяти контрольных точек, когда включается отладочный режим останова пользовательской программы в контрольных точках. Тумблер СТ предназначен для управления сторожевым таймером. При верхнем положении тумблера сторожевой таймер включен, а при нижнем выключен. Тумблер JTAG определяет способ подключения этого порта ПЛИС. В положении «ВНЕШН» JTAG порт подключается к разъему расширения, а в положении «ВНУТР» к порту Р1 микроконтроллера. Кнопка «СБРОС» подключена к супервизору напряжения питания, который формирует сигналы системного сброса при нажатии указанной кнопки, а также при выходе значения напряжения питания +5 В за допустимые пределы.
Через заднюю крышку стенда выведены интерфейсные разъемы и тумблер включения напряжения питания платы, а также плоские кабели подключения к инструментальной ЭВМ логического анализатора.
Характерными особенностями универсального лабораторного стенда являются:
- полнота как набора типовых функциональных элементов (ПЛИС, микроконтроллер, память), так и способов их объединения самим обучаемым для конфигурирования объекта проектирования в конкретной учебной задаче;
- воспроизведение в стенде структуры «системы на кристалле», являющейся типовой для большинства встраиваемых приложений;
- использование ПЛИС из семейства Spartan с объемом 1O тыс. вентилей для:
• реализации полноценного изучения и практического освоения современной элементной базы;
• получения практических навыков схемотехнического проектирования схем на основе ПЛИС;
• освоения современной технологии проектирования цифровых систем с использованием синтезабельного подмножества языка VHDL;
• расширения круга учебных задач, решаемых при проектировании сложных цифровых систем;
- предоставление широких возможностей по реализации различных режимов работы и отладки спроектированных схем с использованием блока тумблеров и кнопок;
- обеспечение визуального контроля напряжения питания, процесса конфигурирования кристалла и функционирования разрабатываемых схем с помощью светодиодных индикаторов различного типа.
Кроме этого, структура аппаратных
средств стенда обеспечивает комплексиро-вание нескольких автоматизированных рабочих мест в составе лаборатории. Эта возможность позволяет осваивать основы проектирования таких важных разновидностей микропроцессорных систем, как сети контроллеров, многоуровневые распределенные системы управления, системы для полунатурного моделирования технических объектов и технологических процессов.
В базовой конфигурации универсальный лабораторный стенд позволяет проводить лабораторные занятия как во фронтальном режиме при выполнении типовых индивидуальных заданий, так и по индивидуальному графику проведения учебно-исследовательских работ и курсового проектирования. В последнем случае функциональные возможности стенда могут быть расширены путем подключения дополнительных устройств к внешней шине микроконтроллера. Разработка таких устройств может являться частью технического задания на учебно-исследовательскую работу и курсовое проектирование.
Таким образом, универсальный лабораторный стенд можно рассматривать как базовую универсальную аппаратную платформу для обучения студентов проектированию цифровых узлов и устройств вплоть до прототипов встраиваемых систем.
1.2. Программное обеспечение лаборатории
Разработка встраиваемых систем является сложной и трудоемкой задачей. Проектирование и автономная отладка их отдельных составных частей - программного обеспечения микроконтроллеров и устройств на ПЛИС - поддерживается инструментальными средствами стандартных промышленных САПР и интегрированных сред. Важным этапом проектирования является комплексная отладка, которая завершает полный цикл разработки встраиваемой системы. Для решения этой задачи используются специальные комплексы, включающие аппаратную платформу для создания прототипа проектируемой системы, инструментальную ЭВМ и отладочные программные и аппаратные средства (симуляторы, эмуляторы, логические анализаторы, осциллографы).
На рис. 5 приведен типовой маршрут полного цикла разработки программного обеспечения для микроконтроллера встраиваемой системы [10]. Методика полного цикла разработки устройств на ПЛИС предполагает выполнение идентичных этапов:
описание проекта в схемном редакторе или на одном из языков описания аппаратуры, например, VHDL, функциональное и временное моделирование, отработка проекта на целевой или прототипной плате и получение «прошивки» для программирования ПЛИС в готовом изделии [11].
Особенностью проектирования гетерогенных встраиваемых систем с использованием микроконтроллера и ПЛИС является то, что первые 2 этапа их проектирования поддерживаются инструментальными средствами, поставляемыми фирмами, специализирующимися в области разработки средств проектирования и отладки. Отладочные средства для реализации 3-го этапа должны создаваться самими разработчиками платформ для отработки прототипов систем с учетом специфики организации их аппаратных средств. Совместное использование микроконтроллера и ПЛИС в проектируемой системе диктует необходимость обеспечения не только автономной, но и комплексной отладки программного обеспечения для микроконтроллера и проекта на ПЛИС.
Таким образом, подготовка современных специалистов должна проводиться с ориентацией на приведенный выше маршрут полного цикла проектирования. Комплекс программных и аппаратных средств учебной лаборатории должен обеспечивать поддержку выполнения всех этапов маршрута проектирования. Именно это положение является одним из основополагающих в концепции построения представляемой лаборатории.
Для реализации рассмотренных выше маршрутов проектирования на компьютере установлены фирменные САПР ПЛИС и инструментальных средств проектирования программного обеспечения для микроконтроллера. Для обеспечения методик проведения лабораторных занятий эти средства были дополнены специально разработанными аппаратно зависимыми отладочными средами для отработки как отдельных компонентов, так и проектируемой системы в целом.
В состав комплекса отладочных средств микроконтроллера входят учебные версии инструментальных сред uVision dScope фирмы Keil [12]. Эти средства поддерживают стандартные функции редактирования, ассемблирования и компилирования целевых программ с последующей отладкой на программном симуляторе. Для отладки программного обеспечения на лабораторном стенде с учетом реального окружения мик-
роконтроллера в состав отладочных средств дополнительно введены 16- канальный логический анализатор, а также специально разработанное отладочное программное обеспечение [12] для выполнения на стенде следующих функций отладки:
• загрузка в эмулятор ПЗУ и запуск пользовательской программы;
• загрузка внешней памяти данных из файла;
• просмотр и редактирование ее содержимого в просмотровом окне;
• останов в контрольных точках с просмотром и модификацией внутренних ресурсов микроконтроллера;
• трассировка программы и данных.
При разработке дополнительных отладочных средств принималась во внимание методика проектирования программного обеспечения, представленная на рис. 5.
Реальное проектирование носит итерационный характер. Поэтому для обеспечения удобства разработчика программного обеспечения принято решение унифицировать интерфейс всех отладочных средств комплекса. Однако при сохранении структуры многооконного пользовательского интерфейса dScope в разработанных отладочных средствах устранены некоторые его существенные недостатки. В частности, с учетом Гарвардской архитектуры микроконтроллера PCF80C552 предусмотрены отдельные просмотровые окна для памяти программ и данных, введена функция модификации содержимого окон для отображения состояния внутренней и внешней памяти без переассемблирования исходного кода.
Наличие функции трассировки программы и данных в дополнительно разработанном отладочном программном обеспечении [12] позволяет перейти к комплексной отладке системы на микроконтроллере и ПЛИС в целом. Действительно, подключение ПЛИС к внешней шине микроконтроллера дает возможность в качестве данных или переменных программы пользователя рассматривать внутренние регистры устройства, реализованного на ПЛИС.
В состав программного обеспечения автоматизированного рабочего места студента-проектировщика также входит система автоматизированного проектирования программируемых логических схем фирмы Xi-linx Foundation Series 2.1i Student Edition [13]. Программные средства Foundation Series представляют собой систему сквозного проектирования, которая реализует полный цикл разработки цифровых устройств на основе программируемых логических
схем, включающий этапы создания исходных описаний проекта, синтеза, моделирования, размещения и трассировки, а также программирования кристалла.
Для отладки проектов цифровых устройств, загруженных в ПЛИС универсального лабораторного стенда, разработана программно-аппаратная среда «ОТЛАДЧИК» [12]. В состав подсистемы «ОТЛАДЧИК» входят две программы: программа-монитор, предварительно загружаемая в микроконтроллер, и инструментальная программа, размещаемая на компьютере.
Программа-монитор осуществляет прием данных и передачу их в компьютер, а также посылку в ПЛИС управляющих сигналов. Инструментальная программа обеспечивает отображение принятой информации и выполняет функции отладки.
Подсистема «ОТЛАДЧИК» позволяет: наблюдать состояние 64 точек отлаживаемого цифрового устройства, выполнять потак-товый режим работы отлаживаемого цифрового устройства с наблюдением состояния устройства в выбранных точках после каждого такта, просматривать историю состояний цифрового устройства по тактам, выполнять автоматический режим работы цифрового устройства с остановом по условиям, создавать и сохранять различные сценарии отладки цифрового устройства.
Перечислим другие инструментальные средства, используемые в лабораторных практикумах.
Интеллектуальная система автоматизированного проектирования цифровой аппаратуры «ЛАД 4.1» [14-15]. Данный программный комплекс, разработанный на кафедре, предназначен для отработки проектируемых схем, построенных на произвольной элементной базе.
Система состоит из следующих подсистем: графического редактора схем, графического редактора входных воздействий (тестов), подсистемы логического моделирования, подсистемы моделирования неисправностей и подсистемы визуального (графического) создания и отладки базовых моделей цифровых схем.
Программное обеспечение встроенного цифрового осциллографа и логического анализатора фирмы BORDO [16].
Сетевой программный комплекс «ЗНАК» [17], предназначенный для организации и проведения мониторинга качества предметных знаний студентов.
Таким образом, перечисленный состав
аппаратных и программных средств учебной лаборатории позволяют реализовать унифицированную лабораторную базу единой учебной среды по всем дисциплинам схемотехнического цикла.
2. Организация междисциплинарного обучения
Универсальная учебная лаборатория обеспечивает проведение лабораторных занятий по схемотехническим дисциплинам образовательного стандарта по специальности 230101.
При создании практикумов по различным дисциплинам схемотехнического цикла были сформулированы следующие основополагающие принципы:
• существенное приближение учебных заданий, выполняемых студентами, к реальным задачам проектирования, в том числе встраиваемых систем управления и контроля различными техническими объектами и процессами;
• обеспечение индивидуальности заданий по всем лабораторным практикумам;
• реализация преемственности исходных данных для практикумов смежных курсов, что подразумевает использование результатов одного практикума в качестве исходных данных для другого практикума;
• мотивированность и этапность освоения студентами инструментальных средств проектирования;
• обеспечение в реальном времени централизованного контроля и консультаций преподавателем выполнения заданий.
Основная трудность реализации указанных принципов при создании лабораторного практикума по конкретной дисциплине состоит в преодолении следующего объективного противоречия. Приближение учебных заданий к реальным задачам проектирования требует значительного времени на выполнение задания, которое, как правило, превышает рамки учебного семестра. Разрешение этого противоречия потребовало пересмотра традиционного построения учебного процесса, когда учебный материал ограничивался рамками одного семестра и одной дисциплины. Было принято решение не замыкаться рамками только одного учебного курса и дисциплины при выполнении сложного задания и одной формой (лабораторная работа, курсовой проект, задание) его выполнения.
Проиллюстрируем примером выполнения студентами индивидуального достаточно сложного технического задания на проектирование процессора с заданной системой команд и реализации проекта на ПЛИС. Пример задания приведен в [18]. Выполнение задания требует времени большего, чем
семестровый отрезок. Поэтому его выполнение и методическая поддержка осуществляются на 5 и 6 семестрах. Индивидуальное техническое задание студенту выдается на 5 семестре в рамках курса «Схемотехника ЭВМ». Студент, помимо выполнения текущего практикума по данному курсу [19] (задача этого практикума - вооружить студента базовыми знаниями, навыками и умением проектировать и отлаживать основные цифровые узлы на схемном уровне и с использованием языка VHDL), на бумаге проектирует блок операций процессора. Поскольку процесс проектирования блока операций, как и любого другого сложного операционного устройства, не является формализованной задачей, на семинарских занятиях в рамках данного курса подробно на примере рассматривается методика проектирования операционных устройств.
Основное время на выполнение технического задания на проектирование процессора студенту выделяется в рамках курса «Организация ЭВМ и систем» на 6 семестре: 3 часа в неделю в учебной лаборатории, 1,5 часа семинарских занятий и 0,5 часа консультаций. Начиная с первой недели, студенты в лаборатории вводят и отлаживают спроектированную в предыдущем семестре схему блока операций. Параллельно с проектированием и отладкой текущего устройства в лаборатории на семинарских занятиях разбираются вопросы проектирования очередного устройства процессора. Работа студента в лаборатории, в отличие от предыдущего практикума по курсу «Схемотехника ЭВМ», строго не регламентируется. Ему предоставляется большая степень свободы и самостоятельности при выполнении своего проекта. Отдельные узлы спроектированных функциональных схем устройств студенты могут реализовать как в схемном редакторе, так и на языке VHDL или с использованием подсистемы Finite State Machine Editor САПР Xilinx Foundation Series, освоенной ими при выполнении практикума по курсу «Теория автоматов». Процесс выполнения задания регламентируется отчетными сроками представления и оформления законченных частей проекта. Отладка и сдача схем на стенде выполняются студентом с использованием подсистемы «ОТЛАДЧИК» [12].
Данный практикум по проектированию процессора представляется в форме курсового проекта. Завершается выполнение задания представлением пояснительной за-
писки и защитой выполненного проекта перед комиссией.
В результате выполнения данного технического задания студенты приобретают достаточно полные знания и опыт проектирования и отладки сложных цифровых устройств на ПЛИС.
На этом не завершается работа студента над данным проектом. Она продолжается в следующем учебном году в рамках других курсов. На 7 семестре в лабораторном практикуме по курсу «Функционально-логическое моделирование ЭВМ» выполняют два задания. Одно из них состоит в разработке контролирующего теста для блока операций с помощью подсистемы моделирования неисправностей САПР «ЛАД 4.1» [20]. При этом в качестве исходных данных студент получает логическую схему блока операций, которую он сам спроектировал и отработал в предыдущем семестре по индивидуальному техническому заданию.
В другом задании по этому курсу студент должен спроектировать арифметико-логическое устройство на языке УИБЬ. Целями данного задания являются более полное освоение языка УИБЬ и использование его для высокоуровневого проектирования цифровых устройств. При этом в качестве исходных данных выступает техническое задание на проектирование процессора предыдущего семестра. Студенту необходимо отладить спроектированное на УИБЬ арифметико-логическое устройство моделированием на тех же тестах, что были использованы им в предыдущем семестре для схемной реализации арифметико-логического устройства, и затем отработать устройство на стенде.
В следующем, 8 семестре студент по курсу «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ. Автоматизация проектирования» выполняет проектирование печатной платы [21] для логической схемы блока операций, спроектированной им в предыдущем учебном году.
Таким образом, студент в рамках исходных данных одного технического задания в течение двух учебных лет осваивает практически полный цикл разработки цифрового устройства от проектирования, отладки на макете, создания контролирующих тестов до реализации в конкретной конструкции.
Отдельного рассмотрения заслуживает лабораторный практикум «Проектирование микропроцессорных систем» по курсу «Микропроцессорные системы». Целями
данного практикума являются:
• практическое освоение методов проектирования систем с аппаратно-программной реализацией алгоритмов обработки данных (микроконтроллер + программируемая логика);
• практическое освоение методов построения систем с распределенной обработкой данных (сетей микроконтроллеров);
• получение практических навыков в использовании стандартных и нестандартных интерфейсов и протоколов обмена данными между различными устройствами системы;
• ознакомление и практическое освоение методов и средств полного цикла отладки проектируемой системы, включая создание ее прототипа на основе универсального лабораторного стенда;
• приобретение навыков практической работы с измерительными приборами (виртуальный осциллограф, логический анализатор) при решении задач отладки и технического диагностирования аппаратной части системы.
При выполнении данного практикума в форме курсового проекта студент выполняет индивидуальное задание, в соответствии с которым необходимо разработать микропроцессорную систему для контроля или управления техническим объектом или процессом. Задание предусматривает выполнение полного цикла проектирования и отладки системы, включая создание прототипа системы на универсальном лабораторном стенде.
Во всех практикумах реализуется принцип мотивированности и этапности освоения студентами инструментальных средств проектирования. Специальные занятия (лекции, семинары, лабораторные работы) по изучению инструментальных средств проектирования не проводятся. Требуемые сведения студенты получают из учебно-методических пособий, доступных в печатном и/или электронном виде в том объеме, который необходим для выполнения текущего практикума. Необходимость выполнения индивидуального задания побуждает студента к активному самостоятельному освоению инструментальных средств проектирования.
Объединение компьютеров всех автоматизированных рабочих мест студента-проектировщика в локальную сеть автоматизирует процесс управления проведением лабораторных занятий, обеспечивает оперативный контроль знаний и степень подготовки студентов к практической работе.
Концепция сквозного практического обучения в рамках единого комплекса лабораторного оборудования, инструментальных и отладочных средств позволяет значительно сэкономить время студента, затрачиваемое им на изучение и освоение инфраструк-
туры различных практикумов смежных схемотехнических дисциплин.
Заключение
Представленная универсальная лаборатория внедрена в учебный процесс кафедры Компьютерных систем и технологий МИФИ в 2003 году и в настоящее время используется для проведения лабораторных практикумов по пяти дисциплинам схемотехнического цикла, для выполнения учебно-исследовательских работ, выполнения курсовых работ и дипломного проектирования.
Опыт эксплуатации универсальной лаборатории показал высокую надежность оборудования, ее функциональную полноту для обеспечения всех практикумов по схемотехническому циклу. Повышение эффективности и качества обучения студентов обеспечиваются:
■ включением в учебный процесс инновационных технологий автоматизированного проектирования с использованием инструментальных средств полного цикла разработки, отладки и исследования цифровых систем;
■ практическим и более глубоким освоением современной элементной базы с учетом специфики объединения в законченный цифровой вычислитель микропроцессоров, схем программируемой логики и памяти;
■ освоением студентами методов проектирования систем с аппаратным и программным способами обработки информации, идеологически совместимых с технологией «система на кристалле»;
■ унификацией лабораторного оборудования и набора программных инструментальных средств автоматизированного проектирования, обеспечивающих взаимосвязь разнородных лабораторных практикумов;
■ структурной организацией аппаратных средств универсального лабораторного стенда, обеспечивающей полноценное изучение как его отдельных компонентов, так и системы в целом на основе выполнения индивидуальных реальных заданий на проектирование элементов, устройств и законченных систем;
■ экономией учебного времени за счет единой лабораторной базы для смежных курсов и устранения необходимости в предварительном обучении студентов работе в многообразных однотипных инструментальных средах проектирования;
■ личной заинтересованностью студентов в изучении современных средств и методов проектирования, которые получают возможность на ранних этапах обучения использовать и совершенствовать свои знания и практические навыки в проектных организациях и на промышленных предприятиях;
■ интенсивным использованием высоконадежного унифицированного оборудования и снижением эксплуатационных затрат.
К этому надо добавить, что концепция единого комплекса лабораторного оборудования, инструментальных и отладочных средств существенно улучшает условия об-
служивания и эксплуатации лабораторного оборудования в условиях вуза.
Опыт использования универсальной лаборатории в учебном процессе показал, что ее внедрение существенно повысило уровень подготовки студентов, о чем свидетельствуют отзывы организаций, по договорам с которыми осуществляется целевая подготовка молодых специалистов. Авторы выражают благодарность: Литература
бывшему ректору, а ныне президенту МИФИ Борису Николаевичу Оныкому за поддержку и выделение гранта на реализацию проекта лаборатории; Генеральному директору ОАО «Научно-производственный центр САПСАН» Александру Ивановичу Светланову за практическую помощь в реализации лаборатории;
директору ФГУП «Концерн «СИСТЕМ ПРОМ» Юрию Владимировичу Бородакию за помощь в оснащении лаборатории программным обеспечением.
1. Немудров В., Мартин Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. - М.: Техносфера, 2004. - 216 с.
2. Казённов Г.Г. Основы проектирования интегральных схем и систем. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 295 с.
3. http://www.cec-mc.ru (дата обращения: 17.06.2009).
4. http://www.phyton.ru (дата обращения: 17.06.2009).
5. http://www.xilinx.com (дата обращения: 17.06.2009).
6. http://www.silabs.com (дата обращения: 17.06.2009).
7. http://www.zproton.ru (дата обращения: 17.06.2009).
8. http://www.ni.com/nielvis (дата обращения: 17.06.2009).
9. Дмитриев Н.А., Ёхин М.Н. Универсальный лабораторный стенд. Аппаратные средства проектирования встраиваемых систем: Уч. пособие. - М.: МИФИ, 2009. - 116 с.
10.Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola: Справ. пособие. - М.: Радио и связь, 1998. - 560 с.
11.Грушвицкий Р.И., Мурсаев А^., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 736 с.
12.Универсальный лабораторный стенд. Инструментальные средства проектирования и отладки: Уч. пособие /Дмитриев Н.А. и др. - М.: МИФИ, 2009. - 80 с.
13.Ковригин Б.Н. Введение в инструментальные средства проектирования и отладки цифровых устройств на ПЛИС: Уч.-метод. пособие. - М.: МИФИ, 2006. - 192 с.
14.Интеллектуальная система функционально-логического моделирования цифровой аппаратуры «ЛАД» / Под ред. Б.Н.Ковригина: Уч. пособие. - М.: МИФИ, 1997. - 84 с.
15.Ковригин Б.Н., Афанасьев Д.В. Графическая среда создания и отладки базовых моделей цифровых схем: Уч. пособие. - М.: МИФИ, 1999. - 60 с.
16.http://auris.ru/ (дата обращения: 20.04.2009).
17.http://inissoft.by/products_ut.shtml (дата обращения: 20.04.2009).
18.Проектирование процессора ЭВМ: Уч. пособие/ Под ред. Б.Н. Ковригина. - 2-е изд., перераб. -М.: МИФИ, 2006. - 72 с.
19. Схемотехника ЭВМ. Лабораторный практикум / Под ред. Б.Н. Ковригина. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: МИФИ, 2006. - 212 с.
20.Ковригин Б.Н., Чепасов А.В. Лабораторная работа «Автоматизированная разработка контролирующих тестов для цифровых схем»: Уч. пособие. - М.: МИФИ, 1997. - 28 с.
21.Ёхин М.Н., Кларин А.П., Ковригин Б.И. Проектирование печатной платы. - М.: МИФИ, 2005. -
72 с.
* *
*
