[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.
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. Тема эта известна мне не понаслышке, два десятка лет в ней варюсь. Довелось поработать и в отечественных, и в зарубежных фирмах. Ну и почему бы подросткам не рассказать, в чем состоит работа инженеров, выдумывающих внутренности «процов». Это не среди таких же зануд на конференции выступать — перед детьми просто оттарабанить текст не получится. Если им будет совсем не интересно, то плевать им на почетные седины, блистательные лысины и надутые щеки. Будут зевать, не стесняясь, и ерзать на стульях в надежде сбежать поскорее. Но есть и плюсы — всякие вольности, шутки, неточности и упрощения не вызовут негодования и требований сжечь еретика-докладчика. В общем, судя по количеству вопросов в процессе общения, первый блин вышел не комом, стало интересно двигаться дальше.
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.
Набор «рассыпухи», доступной в лагере на момент озарения, был небогатым. Но главное — он был. Нужно было на этой базе придумать нечто, что могло призывно мигать лампочками или чем-нибудь жужжать. Ситуация осложнялась тем, что я провел теоретическую беседу о микропроцессорах и уехал к себе домой за 50 км от лагеря. То есть я был тут, а детали — там.
Поэтому с одним из преподавателей пришлось устроить сеансы телеэлектроники. Я придумывал схемы, рисовал их на промокашках и пересылал фотографии ему. А он пытался разобрать эту клинопись, собрать ее на макетке и добиться правильной работы. Описывал мне результат в ответных сообщениях, а я старался определить причину неполадок и глюков, чтобы их устранить. Удивительно, но в итоге все же нам удалось победить две схемы: дешифратор адреса и мультиплексор. Еще не было ясно, как это понравится детям, но уже было что им показать.
В лагере был устроен опрос, есть ли желающие посетить уже не лекцию, а семинар с лабораторкой на тему работы внутренностей цифровых чипов. Нашлась дюжина отважных пятнадцатилетних, которым не страшно было попробовать понять материал, который, между прочим, на третьем курсе института обычно рассказывают. Сразу было ясно, что из изложения надо к черту исключить ТТЛ, ЭСЛ и прочие замшелые типы логики, которыми профессура конопатит мозг студням. Только КМОП, только мейнстрим! На свой страх и риск включил туда объяснения принципов работы МОП-транзисторов в цифровых схемах. Но без физики полупроводников и прочих ужасов.
Здесь лирическое отступление в адрес тех, кто ругает современную молодежь за лень и глупость. Пусть они не бухтят, вот что. Нормальная у нас молодежь, не слушайте старых ворчунов, парни и девчонки. Лирическое отступление окончено.
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. Потом вместе на этих вентилях мы «изобрели» сумматор, дешифратор и мультиплексор. А после этого — тадам! — преподаватель и добрый волшебник Алексей вынес макетки с результатами наших с ним телемучений. 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. Лучшая реплика при этом была: «Ааааа, теперь я понял, куда подевались почти все провода из лаборатории!»
После этого дети задали много вопросов по электронике. На них мне, к счастью, хватило квалификации ответить. Кроме одного: «А где почитать про то, что вы рассказывали?» А ведь и негде. Старые советские книжки, по которым мы паяли свои цветомузыки и радиоприемники, устарели с точки зрения «цифры». Институтские буквари своими формулами отобьют всякое желание изучать электронику. Есть прекрасная книжка Харрисов, но там нет экспериментов на макетке. Есть отличные наборы компонентов с макетками, но там обычно нет подробных объяснений, как все эти устройства работают. Опять пришлось уезжать с чувством, как будто что-то не доделал.
Как известно, если тебя не устраивает то, что есть, не ной, а сделай сам, как считаешь нужным. Пришлось засесть за написание и издание учебно-практического курса для толковых школьников. Для этого, конечно, потребовалось купить детали, макетку, провода и начать играть в работу дома. Внезапно это оказалось страшно увлекательно.
Вот, например, игра «кто быстрее» на двух МОП-транзисторах:
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. Кто там говорит, что детей от телефонов за уши не оттащишь? 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:
А вот это D-триггер, срабатывающий по уровню (триггер-защелка). На нем прекрасно отрабатываются идеи запоминания и хранения данных:
Разобравшись с работой всех видов логических вентилей на транзисторном уровне, можно перейти уже к микросхемам малой степени интеграции серии CD4000. Никаких чудес и магии в их работе уже не будет после возни с транзисторами на макетке. Вот, например, полный сумматор:
А вот, не поверите, макет оперативной памяти. Он, конечно, убогий — два регистра по два бита. 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.
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.
В общем, нынешним старшеклассникам точно по зубам освоение премудростей проектирования компьютерного железа с самого низкого уровня. Нет там ничего такого, что недоступно пытливому уму при современных компонентах и возможностях. Есть надежда, что удастся расширить и углубить пропаганду микроэлектронных ценностей среди населения.
