ДонНТУ ФВТИ Портал магистров Автобиография Библиотека Ссылки Инд. задание English variant

"Моделирование логических схем применительно к обучающим системам"

составил магистр Заняла Д.Г.

Автореферат

1. Вводная часть

1.1 Введение (актуальность и мотивация)

1.2 Цели и задачи работы

1.3 Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность

2. Основная часть

2.1 Локальный обзор

2.2 Национальный обзор

2.3 Мировой обзор

3. Заключительная часть

3.1 Описание полученных и планируемых результатов по теме

3.2 Выводы и заключение

3.3 Литература

1. Вводная часть

1.1 Введение (актуальность и мотивация)

Выбор данной темы был обусловлен предложением научного руководителя. Именно он предложил заниматься разработкой обучающей системы. Однако работа эта была рассчитана на нескольких студентов, и сферы деятельности пришлось разделить. Поскольку обучающая система предусматривала работу с курсами архитектура ЭВМ и прочие, связанные с цифровой электроникой, то становился актуальным вопрос о подсистеме моделирования работы логических элементов (схем), которая могла бы:

- наглядно продемонстрировать обучающемуся принцип работы данного логического элемента;

- позволить обучающемуся самому поэкспериментировать с данным элементом, чтобы проследить все те его особенности работы, которые позволяет увидеть моделирующая система;

- проверить знания обучающегося путём ответов на различные тестовые задания, построенные на базе моделирующей подсистемы.

Именно эту часть работы я и выбрал.

Актуальность задачи можно рассмотреть двояко.

С одной стороны это - актуальность обучающих систем, с другой – актуальность вопросов моделирования.

Первая подтверждается следующими факторами:

- всё большее распространение дистанционного обучения и спрос на него;

- безусловная ведущая роль информационных технологий в процессе распространения дистанционного обучения.

Актуальность второй также подтверждена прочным внедрением в процесс разработки и производства электронных устройств аппаратно-программных продуктов - САПР, одной из частей которых является как раз система моделирования.

1.2 Цели и задачи

Выше были описаны критерии, которым должна соответствовать разрабатываемая подсистема. Из этих критериев вытекают следующие задачи, подлежащие решению для успешной разработки подсистемы:

- поскольку одним из критериев подсистемы является успешная демонстрация учащемуся всех тонкостей работы изучаемых логических элементов, то необходимо добиться наибольшей реалистичности работы модели каждого конкретного элемента;

- необходимо обеспечить стандартные возможности моделирующего приложения, как то: графический интерфейс, визуализация процесса работы элементов и пр.;

- необходимо обеспечить специфические возможности, характерные именно для обучающей системы, а именно: возможность создавать с помощью подсистемы тестовые задания, а так же возможность отвечать на них, пользуясь графическим интерфейсом.

1.3 Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность

Практическая ценность такого продукта, как разрабатываемая подсистема, заключается в возможности использования его в учебном процессе для формирования у обучающихся более глубокого понимания принципов работы логических элементов, являющихся основой сегодняшней цифровой техники. Моделирование работы элементов с учётом всех временных и уровневых особенностей позволит будущим специалистам обрести более тонкое понимание процессов, происходящих в цифровых устройствах.

Современные моделирующие системы ориентированы в большей степени не на точность моделирования, а на размер моделируемой схемы. Что можно понять, ведь размеры и сложность используемых схем с каждым годом увеличиваются. Однако, создавая моделирующую подсистему не с практической, а с учебной целью, вполне можно себе позволить реализовать большую точность моделирования, где-то, возможно, уступив в скорости или в объёмах схемы. Именно в этом уклоне в сторону точности и заключается научная новизна разрабатываемого продукта.

2. Основная часть

2.1 Локальный обзор

Проблемами цифрового моделирования логических схем и дистанционного обучения сейчас занимаются многие. В ДонНТУ к этой проблеме близки к.т.н. доцент каф. ЭВМ Зинченко Ю.Е.[9], а так же некоторые магистры [10, 11]. Более подробный перечень заинтересовавших меня магистерских работ можно увидеть в перечне ссылок в разделе «Страницы магистров».

В общем же можно сказать, что в ДонНТУ весьма широко изучаема тема применения IT технологий в процессе дистанционного обучения, т.к. очень многие магистры пишут по ним работы. Тема моделирования логических элементов в чистом виде менее популярна, больше её рассматривают под углом либо тестирования уже смоделированных устройств, либо моделирования как помощника в проектировании. И в таком представлении эта тема является одним из приоритетных направлений развития научной мысли кафедры ЭВМ ДонНТУ.

2.2 Национальный обзор

Позволю себе отнести к национальному обзору разработки не только украинских фирм, университетов и учреждений, но и русских ввиду близости стран и направлений развития.

Итак, среди примеров использования и разработки обучающих продуктов и систем можно привести:

- дистанционные квалификационные курсы фирмы [6] (Россия);

- система инновационного образования в МГУ им. М.В.Ломоносова [7](Россия);

- образовательные программы фирмы 1С серии «1С:Репетитор»[1](Россия);

- производственные обучающие системы фирмы НПГ «Планета» [2](Россия).

Среди разработанных моделирующих систем такие:

- ControlPanel - размещённая в Интернет система с одержащая динамические модели логических элементов (Россия)[12];

- система функционально-логического моделирования цифровой аппаратуры ЛАД 3.1, разработанная на кафедре "Компьютерные системы и сети" МИФИ(Россия)[13].

Также близкими темами занимаются в Харьковском государственном техническом университете радиоэлектроники[8], в Институте прикладного системного анализа от НТУУ «КПИ» (Киев)[14] и во многоих других технических вузах Украины.

2.3 Международный обзор

В мире дистанционное обучение получило также значительное признание и развитие. Возьмём хотя бы давно всем известную школу ЕШКО[5], хоть она и не является примером элктронного дистанционного образования. Главный офис этой школы находится в Голландии, а работает она по всему миру.

На мировом уровне в мире разработано множество более или менее сложных САПР для проектирования цифровых устройств, каждое из которых содержит в себе моделирующую часть. Это Micro Cap, PCAD, OrCAD, EWB, Active-HDL, Verilog и пр.

Однако особенно хотелось бы остановиться на CAD с открытым исходным кодом Electric VLSI Design System. На сайте [18] можно получить представление о возможностях этой системы, а также скачать её код на языках С++ или Java. Данный факт весьма интересен с точки зрения использования данной системы в качестве базы для дальнейшего усовершенствования.

Кроме этого приведём некоторые учебные заведения и организации, занимающиеся разработками в сфере цифрового моделирования в мире:

- Modeling and Simulation Information Analysis Center (MSIAC) – Аналитический информационный центр по моделированию (Америка).

- Centre for Modeling and Simulation University of Pune [16]- Центр Моделирования был организован в августе 2003, чтобы развить, поддержать и облегчить академическую и исследовательскую деятельность, связанную с моделированием. Центр осуществляет значительные исследования, включая высокоэффективное вычисление и операции с крупномасштабными численными данными. Центр сосредотачивает свои усилия в двух основных областях: моделирование сложных систем и моделирование материалов. Среди моделирования сложных систем рассматривается и моделирование крупных логических схем.

- Strathclyde University, Глазго, Шотландия. The CAD Centre – исследовательское подразделение университета, является частью отделения Design Manufacture and Engineering Management. Занимается исследованиями в области цифрового моделирования [17].

- Группа VLSI/CAD в Университете Колорадо, сосредотачивает усилия прежде всего на развитии Автоматизированного проектирования, его инструментах и алгоритмах. Проводимое исследование сосредотачивается на трех областях: формальная проверка цифровых систем, синтез малоточных схем, разработка пакетов бинарных диаграмм принятия решений (BDD) [20].

- Fujitsu, Labs. CAD – японская лаборатория, занимающаяся проблемами в области цифрового моделирования [19].

3. Заключительная часть

3.1 Полученные и планируемые результаты по теме

В результате проведенного исследования в областях дистанционного обучения и систем моделирования логических схем были получены следующие результаты:

- сделан вывод, что наиболее перспективным направлением в разработке приложений, в том числе и относительно дистанционного обучения, является направление интернет-приложения;

- проанализированы имеющиеся системы моделирования (MicroCap, OrCAD, EWB, ActiveHDL) и выявлены некоторые особенности моделей, нуждающиеся в усовершенствовании с точки зрения точности отражения особенностей работы логических элементов;

- продвигается разработка визуальной оболочки подсистемы. Один из возможных вариантов реализации процесса моделирования показан на рисунке ниже. Он представлен в виде анимации (количество кадров - 7, количество повторений - 10, размер ок 8 КБайт)

Моделирование работы RS триггера

3.2 Выводы и заключение

Поставленная задача выполняется путём детализации модели логических элементов, с применением новейших технологий построения приложения и визуального интерфейса обучения.

3.3 Литература

  1. http://obr.1c.ru - образовательные программы фирмы 1С – официальный сайт
  2. http://www.mediaplanet.ru - фирма НПГ «Планета», занимающейся разработкой обучающих систем
  3. http://www.prometeus.ru/products/sdo/consumers.asp - система дистанционного обучения «Прометей»
  4. http://training.microtest.ru/section/18222/view/53 - компания «Микротест». Учебный центр, специализирующийся на дистанционном обучении;
  5. http://www.escc.com.ua/ - сайт Европейской Школы Корреспондентского Обучения
  6. http://www.1c.ru/rus/partners/training/default.jsp - фирма 1С. Обучение и сертификация.
  7. http://www.msu.ru/innovation/distanation.html - Формирование системы инновационного образования в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова. Дистанционное обучение
  8. http://apvt.kture.kharkov.ua/prep_show.php?prid=42 – персональная страница, Хаханов Владимир Иванович, д.т.н. Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники
  9. http://cs.donntu.ru/~zinchenk/frames.htm - список публикаций к.т.н. Зинченко Ю.Е.
  10. http://www.masters.donntu.ru/2006/fvti/skorobagataya/diss/index.htm - страница магистра ДонНТУ Скоробагатой А.Ю., тема работы: «Система дистанционного обучения по курсу "Обработка структур данных»
  11. http://www.masters.donntu.ru/2003/fvti/serkin/mg.htm - страница магистра ДонНТУ Серкина А.В., тема работы: «Построение и анализ Т-моделей для RTL схем на языке Verilog»
  12. http://www.jdesign.ru/doc_controlPanel.htm - документация размещённой в Интернет системы с динамическими моделями логических элементов
  13. http://dozen.mephi.ru:8100/study/lad.htm - СИСТЕМА ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРЫ ЛАД 3.1, разработанная на кафедре "Компьютерные системы и сети" МИФИ
  14. http://www.cad.ntu-kpi.kiev.ua/ukr/?page=research – кафедра САПР Института прикладного системного анализа НТУУ «КПИ»
  15. http://www.staticfreesoft.com/ - сайт фирмы Static Free Soft, разработчика системы Electric VLSI Design System
  16. s
  17. http://cms.unipune.ernet.in/ - Centre for Modeling and Simulation University of Pune
  18. http://www.cad.strath.ac.uk/ - Strathclyde University, Глазго, Шотландия. The CAD Centre
  19. http://vlsi.colorado.edu/ - Группа VLSI/CAD в Университете Колорадо
  20. http://www.fujitsu.com/global/ - Fujitsu, Labs. CAD
  21. Бибило П.Н. Основы языка VHDL. -М.: Солон-Р, 1999.
  22. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. -М.: Солон-Р, 2002.
  23. Дж.Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств. В 2-х т. Т. 1-2. М.: Постмаркет, 2002.
  24. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 2002.
ДонНТУ ФВТИ Магистры Автобиография Автореферат Библиотека Ссылки Инд. задание English variant