CC BY
38
«ВИРТУАЛЬНЫЙ» ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ПО ОСНОВАМ КОМБИНАЦИОННОЙ ЛОГИКИ
И.А. Костин (Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, факультет среднего профессионального образования) Научный руководитель - Д.М. Гриншпун
Введение
В работе представлен «виртуальный» лабораторный комплекс (Комплекс), предназначенный для изучения основ комбинационной логики в рамках дисциплин «Информатика» и «Электротехника и электроника», изучаемых при подготовке специалистов СПО по специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». Приведено обоснование актуальности разработки, описание лабораторных установок, их математические модели, описание последовательности выполнения лабораторных работ. Приводятся результаты экспериментального опробования их выполнения.
Назначением Комплекса является приобретение студентами навыков проектирования, сборки и исследования основных характеристик комбинационных логических схем. Одновременно осваиваются принципы разработки «виртуальных» лабораторных установок.
Лабораторный комплекс создавался для решения образовательных задач, связанных с изучением информационной электроники - основ комбинационной логики. Целесообразность его разработки вызвана тем, что преимущественно теоретический характер изучения материала, предусмотренный примерным учебным планом, приводит к затруднениям его изучения, повышенной трудоемкости освоения, вследствие чего студенты теряют интерес к соответствующим дисциплинам. К тому же содержание учебных программ этих дисциплин, включающее изучение принципов работы цифровых электронных устройств, не совсем соответствует приобретаемой специальности, ориентированной на разработку и применение программных средств. Таким образом, целью разработки является повышение мотивации к изучению дисциплин, достигаемое за счет стимулирования интереса к получению практических результатов методом «виртуального» моделирования и изучения соответствующего прикладного программного обеспечения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач, предусмотренных техническим заданием на проектирование Комплекса:
- Комплекс должен состоять из последовательности лабораторных работ, содержание которых должно соответствовать логике изучения теоретического материала дисциплин «Информатика» и «Электротехника и электроника»;
- Комплекс должен быть создан в программной имитационной среде и опираться на самостоятельное изучение студентами соответствующего программного обеспечения;
- в качестве метода имитации следует применить функциональное моделирование;
- каждая лабораторная работа должна предусматривать теоретическую, в том числе математическую, подготовку к ее выполнению;
- каждая последующая лабораторная работа должна опираться на знания и умения, полученные в результате выполнения предыдущей;
- должен быть разработан комплект методических указаний по выполнению работ, в котором указаны цели и задачи, описан порядок выполнения, приведены требования по содержанию и оформлению отчета.
Разработка и структура лабораторного комплекса
Поскольку Комплекс является составной частью создаваемого УМК, содержащего также лабораторные комплексы по изучению некомбинационной логики, физических процессов в полупроводниковых материалах и т.д., то при его разработке учтено требование применения единой программной среды, включающей средства как функционального, так и имитационного моделирования. В качестве такой среды выбран программный пакет ЬаЬУ1е1^ Этот пакет содержит: библиотеки логических элементов, органов управления, индикации и визуализации; инструменты формирования лицевых панелей исследуемых приборов и сборки приборов на монтажных панелях; технические средства имитационного программирования электронных узлов, также располагаемых на монтажных панелях. В представленном Комплексе применены средства функционального моделирования.
Анализ рабочих учебных программ дисциплин «Информатика» и «Электротехника и электроника», выполненный в соответствии с техническим заданием, показал, что практическому изучению и освоению подлежат:
1. изучение функционирования логических элементов;
2. изучение комбинационных схем малой и средней степени интеграции;
3. разработка таблиц истинности для заданных целевых логических функций;
4. разработка математических моделей в совершенных формах на основе таблиц истинности;
5. разработка карт Карно;
6. разработка математических моделей в минимальных формах на основе карт Карно;
7. синтез комбинационных схем по математическим моделям.
В соответствии с этим для практической реализации определены темы практических работ, формирующие соответствующие умения студентов (табл. 1).
Как видно из таблицы, освоение материала осуществляется по принципу «от простого к сложному».
Назначение первой работы - не столько дать студентам представление о логических элементах, что, во-первых, несложно, и, во-вторых, в достаточной степени подробно проходится в рамках лекционных занятий, сколько ознакомить с программной средой «виртуального» моделирования, ее инструментами, библиотеками, техническими средствами экспериментирования. Методическими рекомендациями предусматривается поиск функциональных элементов библиотек, выбор элементов управления и индикации, настройка их параметров, выполнение монтажных работ на рабочих панелях и формирование лицевой панели исследуемых устройств.
Вторая-четвертая работы опираются на навыки, полученные в ходе выполнения первой, и посвящены более серьезной задаче: проектированию, сборке и исследованию комбинационных схем, разрабатываемых на основе математических моделей различных форматов. Студенты получают практические результаты теоретических работ, выполненных на лекционных занятиях, осуществляют их сравнительный анализ.
Завершающими являются пятая-седьмая работы, при выполнении которых студенты учатся создавать целевые приборы, т. е. устройства, выполняющие логические задачи. Проектируются приборы по мере усложнения их функций и, соответственно, электрических схем. Одновременно с помощью терминальных средств изучается создание микросхем многокаскадной логики и их монтажа в сборном приборе.
Большинство лабораторных работ предусматривает самостоятельную разработку студентами таблиц истинности и математических моделей в различных форматах: СДНФ, СКНФ, МДНФ, МКНФ. В табл. 2 и формулах (1)-(4) представлен пример разработки таблицы истинности и математических моделей второго сегмента дешифратора, проектируемого в лабораторной работе №5.
№ Наименование (тема) Цель
1 Изучение электронных логических элементов малой степени интеграции Практическое изучение логических элементов, освоение методики сборки виртуальных электронных установок и выполнения лабораторных работ по предмету
2 Синтез и сборка комбинационных схем, соответствующих математическим моделям СДНФ и СКНФ, на основе заданных таблиц истинности Получение практических навыков разработки совершенных (не минимизированных) комбинационных схем
3 Синтез и сборка комбинационных схем, соответствующих математическим моделям МДНФ и МКНФ, на основе заданных карт Карно Получение практических навыков разработки оптимальных (минимальных) комбинационных схем
4 Исследование сравнительных характеристик комбинационных схем, соответствующих форматам СДНФ, СКНФ, МДНФ, МКНФ математических моделей Сравнение трудоемкости синтеза и сборки схем, разработанных на основе разных форматов математических моделей
5 Разработка целевого прибора: дешифратора для семисегментного индикатора, отображающего в десятичном формате числа, набранные в двоичном коде Получение практических навыков разработки и сборки целевого прибора
6 Разработка целевого прибора: шифратора десятичных чисел в двоичный код Получение практических навыков разработки и сборки целевого прибора
7 Разработка целевого прибора: сумматора (с функцией вычитания) чисел в двоичном коде Получение практических навыков разработки и сборки целевого прибора
Таблица 1. Темы лабораторных работ
х1 РС уО
хО у1
у2
х2 уз
у4
хЗ У5
уб
Рис. 1. Дешифратор
Формат МДНФ: у 2 = х3 V х2 V х0 х1 V х 0 х1 (1)
Формат МКНФ: у2 = (х3 V х1) • (х2 V х3) • (х2 V х1 V х 0) • (х0 V х2 V х1) (2)
Формат СДНФ: у 2 = (х0 л х1 л х2 л х3) V (х0 л х1 л х2 л х3) (3)
Формат СКНФ:
y2 = (x0 v x1 v x2 v x3) л (x0 v x1 v x2 v x3) л
л (x0 v x1 v x2 v x3) л (x0 v x1 v x2 v x3) л л (x0 v x1 v x2 v x3) л (x0 v x1 v x2 v x3) л л (x0 v x1 v x2 v x3) v (x0 v x1 v x2 v x3)
входные сиг-
выходные сигналы
налы
х0 х1 х2 х3 у1 у2 у3 у4 у5 у6 у7
0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1
1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0
0 1 0 0 1 1 1 1 0 0
1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 1 0 0 0 1 0 1 1
1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 0 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1
Таблица 2. Таблица истинности
Педагогический эксперимент
Разрабатываемый Комплекс экспериментально опробован в двух вариантах применения:
• как демонстрационный материал при проведении теоретических занятий;
• в качестве лабораторных установок в соответствии с табл. 1.
С первой целью он был предложен двум учебным группам, со второй - одной группе. В обоих случаях основным результатом была явно выраженная заинтересованность студентов, причем более высокая во втором, так как кроме выполнения самих лабораторных работ обеспечивалось изучение новой для них программной среды, что соответствует интересам студентов, обучающихся по специальности 230105. В то же время выявилась потребность в доработке методических материалов в части включения в них типовых примеров получаемых результатов экспериментов.
Литература
1. Петров К.С. Технология. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: учебное пособие. - М.: Феникс, 2004. - 522 с.
2. Безуглов Д.А., Каленко И.В. Цифровые устройства и микропроцессы. - М.: Феникс, 2006. - 480 с.
3. Лагин В.И., Савелов Н.С. Электроника. - М.: Феникс, 2004. - 576 с.
4. Суранов А.Я. LabView 7: справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 512 с.
5. Тревис Дж. LabView для всех. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 533 с.
6. Бутырина П.А. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabView 7. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.
