"Моделирование логических схем применительно к обучающим системам"
составил магистр Заняла Д.Г.
Автореферат
1.1 Введение (актуальность и мотивация)
1.3 Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность
2.1 Локальный обзор
2.3 Мировой обзор
3.1 Описание полученных и планируемых результатов по теме
3.3 Литература
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.
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.
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.
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.
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 1С [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.
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].
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)
Поставленная задача выполняется путём детализации модели логических элементов, с применением новейших технологий построения приложения и визуального интерфейса обучения.