НОВЫЙ ПОДХОД В ОБУЧЕНИИ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ СПО 230101 "ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, КОМПЛЕКСЫ, СИСТЕМЫ, СЕТИ"
Валишев А.И., Салтовский А.Н. (valishev@ci.nsu.ru; saltovsky@ci.nsu.ru)
Высший колледж информатики Новосибирского государственного университета
Введение
Стандартом специальности 230101 [1] в разделе "Квалификационная характеристика выпускника" предусмотрена: " ... профессиональная деятельность по производству и эксплуатации вычислительных машин и комплексов на их основе, аппаратно - программных систем на базе микроконтроллеров, компьютерных сетей..". Что касается производства и эксплуатации вычислительных машин, то подобная деятельность становится у работодателей все менее масштабной, в противовес деятельности "...по разработке, установке и адаптация технических средств и программного обеспечения аппаратно-программных систем на базе микроконтроллеров и микропроцессоров".
Названные изменения в характере деятельности специалистов в области проектирования, программирования и настройки аппаратно -программных систем происходят на фоне коренных изменений в элементной базе устройств обработки сигналов. Действительно, в начале 90-х годов существовало 2-5 наименований цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), простейшие ПЛИС типа PAL и GAL, ограниченная номенклатура АЦП, классические операционные усилители (ОУ). В настоящее время по каждой из обозначенных позиций существуют десятки предложений. Стоимость компонентов уменьшилась более чем на порядок. Появились принципиально новые классы устройств. Следует отметить ряд революционных изменений таких как:
- появление высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров, как с фиксированной, так и с плавающей точкой;
- появление недорогих ПЛИС ёмкостью до 100000 и более вентилей;
- появление современных ОУ с широкой полосой пропускания в сотни МГц; rail-to-rail, напряжением питания до 1,8 В и т.п.;
- появление АЦП с быстродействием более 100 МГц и разрядностью 10-12 бит;
- появление принципиально новых компонентов - цифровых квадратурных преобразователей с понижением частоты, чипсетов для цифровых радиоприёмных устройств, БИС интерфейсов, программируемых аналоговых интегральных схем и т.п.;
- появление недорогих массовых микроконтроллеров, позволяющих легко реализовать функции управления и интерфейса системы;
- массовое применение поверхностного монтажа и технологий межсоединений высокой плотности;
- широкое применение средств САПР электронной аппаратуры (EDA - Electronic Design Automotion), включающих в себя как средства проектирования печатных плат, так и средства моделирования и проектирования аналоговых и цифровых устройств, средства разработки микропроцессоров;
- появление идеологии разработки "система-на-кристалле" (System On Chip - SOC).
Традиционная подготовка специалистов отстает от потребностей очерченного сектора экономики РФ. Как показывает практика, курсы схемотехнического проектирования и конструирования аппаратуры обработки сигналов, читаемые в ВУЗах и учреждениях СПО, практически не изменились с середины 80-х годов. Аналогичные факторы имеют место в издании литературы. Если в области программирования информационные потребности в значительной степени удовлетворены, то современной литературы по схемотехническому проектированию чрезвычайно мало.
Технологическая сложность, с которой сталкиваются преподаватели схемотехнических дисциплин в настоящее время при создании лабораторных практикумов, делает постановку работ, изготовление стендов, на современной элементной базе в рамках ВУЗа - учреждения СПО, но и на российских радиоэлектронных предприятиях, трудновыполнимой Достаточно отметить, что корпуса типа BGA и комплектующие SMD-типа для поверхностного монтажа требуют применения специальной развитой технологии и с использованием монтажных роботов, что сопряжено со значительными сложностями в учебной лабораторной практике. В качестве примера можно привести минимальный набор "инструментов" технологической линейки для автоматизированного SMD-монтажа:
- установщик компонентов Universal AdVantis X42 с комбинацией одиночной 4-х шпиндельной головкой InLine4 и шнековым дозатором AMV, для сочетания операций нанесения паст и адгезивов с установкой компонентов;
- конвейерную конвекционную 7- зонную печь оплавления Universal XPM2 520, для создания сложного температурного профиля пайки;
- пост оптического контроля, оборудованный системой визуального контроля Mantis;
- установку пайки двойной волной припоя Soltek 6622CC, обеспечивающую пайку элементов установленных в отверстия и предварительно приклеенных элементов поверхностного монтажа
Актуальным в настоящее время становится пользование на начальном этапе проектирования отладочными средствами, которые предлагают фирмы-производители. Это отладочные платы, именуемые либо: evalution board, либо demo-board, бластеры. Как правило, все они поддерживаются САПР, поставляемыми фирмами, имеют интерфейс (USB, RS-232, Centronics), содержат в себе средства программирования кристаллов. Таким образом у студентов приобретаются профессиональные компетенции, необходимые при создании кристаллов, удовлетворяющих требованиям технических заданий. Опыт показывает, что процесс проектирования и моделирования ПЛИС и микроконтроллеров составляет подавляющую долю всех трудозатрат. По этой причине 1-2 "отладочников" достаточно для проведения лабораторного практикума в группе 10-15 студентов.
Модернизация содержания учебных курсов
Основной целью обучения в рамках комплекса предлагаемых ниже дисциплин является приобретение студентами знаний и навыков их реализация в элементах схемотехники и схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств [6]. Основная задача - выработка у студентов системного подхода к решению задач схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств, способности ориентироваться в многообразии методов проектирования, а также классификации устройств с целью выбора наименее трудоёмкой и адекватной схемной реализации. Необходимо формирование у студентов знаний и навыков по следующим направлениям:
Для усвоения студентами курса "Основы схемотехники и схемотехнического проектирования" необходимо предварительное изучение следующих дисциплин в объемах ГОС СПО:
- "Высшая математика";
- "Физика";
- "Теоретические основы электротехники";
- "Основы информационных технологий";
- "Управление в технических системах";
- "Радиотехнические цепи и сигналы";
- "Микроэлектроника";
- "Алгоритмический язык ANSI C"
- "Основы конструирования приборов и систем стандартов".
- "Микросенсорные устройства информационных и управляющих систем";
- "Моделирование систем";
- "Введение в цифровые фильтры ".
В спецкурсах и дисциплинах по выбору целесообразно включить разделы, связанные с синтезом конкретных перспективных устройств, анализом и экспериментальным исследованием их рабочих характеристик, специальным технологиям и испытаниям.
Интегрированное содержание лекционных курсов
- Введение - цель, проблематика и содержание раздела;
- Технология производства интегральных схем;
- Компараторы напряжения;
- Операционные усилители;
- Аналоговые мультиплексоры;
- Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи;
- Схемы фазовой автоподстройки частоты;
- Широкополосные усилители мощности аналогового сигнала;
- Схемотехнические проблемы построения цифровых устройств;
- Элементы алгебры логики;
- Функциональные узлы комбинационного типа;
- Функциональные узлы последовательного типа (автоматы с памятью);
- Синхронизация в цифровых устройствах;
- Запоминающие устройства;
- Арифметические устройства;
- Микропроцессоры и микроконтроллеры;
- Технические средства интерфейса;
- Цифровые сигнальные процессоры;
- Программируемые логические интегральные схемы - CPLD и FPGA;
- "Языки проектирования ПЛИС - VHDL, AHDL";
- Методика и средства проектирования цифровых устройств;
- САПР в схемотехническом проектировании;
- Функциональная электроника.
В ходе практических занятий (упражнений) студенты должны овладеть методами решения конкретных задач схемотехнического проектирования. Практические занятия проводятся после изучения соответствующего раздела лекционного материала. Во время проведения практических занятий целесообразен текущий контроль степени усвоения студентами материалов курса.
Лабораторные практикумы предназначены для закрепления приобретённых знаний во время практической реализации микроэлектронных устройств. Лабораторные работы рекомендуется выполнять на высокопроизводительных компьютерах с применением САПР: пакет MPLAB для работы с PIC-контроллерами фирмы Microchip. На 2-м курсе СПО - рекомендуется провести учебно - профессиональный проект, посвященный изучению MPLAB. Пакет AVR Studio для работы с контроллерами ATmega фирмы Atmel целесообразно изучать на 3-м курсе. Лабораторные практикумы по дисциплинам "Периферийные устройства", спецкурса "Программирование микроконтроллеров"; по изучению пакетов Xilinx WebPack ISE и Quartus II для работы с матрицами FPGA фирм Xilinx (Spartan-3) и Altera (Cyclon 3) в рамках спецкурса "Введение в проектирование ПЛИС" рекомендуется вынести на 4-й курс СПО. Курсы СПО ориентированы на обучение студентов на базе общего среднего образования (9 кл.)
Оборудование, необходимое для лабораторного практикума
- рабочие места проектирования контроллеров (Atmel, Microchip) с использованием САПР;
- рабочие места проектирования ПЛИС (ALTERA, XILINX) с использованием САПР;
- отладочные средства и программаторы;
- измерительные приборы (широкополосные осциллографы, генераторы сигналов сложной формы и т.п.);
- рабочие места, оснащённые АЦП, ЦАП;
- отладочные платы (Evaluation Kit) для микропроцессоров и ПЛИС;
- отладочные макеты микроэлектронных устройств.
Литература
- Государственный образовательный стандарт среднего профессионального образования (ГОС СПО). Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 230101 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети". Министерство образования РФ, Регистрационный № 04-2201-Б, 8. 02. 2002 г
- Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPack ISE М.: Горячая линия - Телеком, 2003
- Бибило П.Н. Основы языка VHDL. М.: Солон-Р., 2000
- Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 1988
- Бродин В.Б., Калинин А.В.. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. ЭКОМ, М., 2002
- Клайф Максфилд. Проектирование на ПЛИС. Архитектура, средства и методы. Курс молодого бойца. ДОДЭКА -XX1, М., 2007
- Рекомендации по преподаванию программной инженерии и информатики в университетах. CURRICULA - 2001: Computer Science. ИНТУИТ, М., 2007
|
Преподавание Информационных Технологий в России
