تظهر الجنيات اليابانية الزناد الرئيسي في المانجا الجديدة على الإلكترونيات الرقمية

تنشر دار نشر DMK-Press الآن ترجمة روسية للمانغا اليابانية في عام 2013 حول الدوائر الرقمية التي أنشأها Amano Hideharu و Meguro Koji. على الرغم من الشكل التافه للعرض التقديمي ، فإن جوهر هذا الكتاب سليم للغاية. على سبيل المثال ، يبدأ من الدوائر الدقيقة القديمة بدرجة صغيرة من التكامل ويربطها بسرعة بلغة وصف أجهزة Verilog الحديثة والدوائر المتكاملة المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs). أيضًا ، تحدد المانجا بوضوح سبب الحاجة إلى المخططات التوافقية ، وتعطي فكرة عن طرق التحسين.

تتجنب مانغا أخطاء العديد من سابقاتها. تم ارتكاب أحد هذه الأخطاء من قبل تشارلز بيتزولد في كتاب "الرمز" ، الذي أدخل المنطق التسلسلي ليس على مشغلات D التي يتم التحكم فيها بواسطة حافة إشارة الساعة (D-flip-flop التي يتم تشغيلها من الحافة) ، ولكن على مشغلات D ذات مستوى التشغيل (المزالج مزلاج D حساس للمستوى) ، على الرغم من أنه تحول لاحقًا إلى المشغلات الصحيحة. ربما كان الخطأ يرجع إلى حقيقة أن تشارلز بيتزولد ، الذي أصبح مشهورًا كمؤلف للكتب المدرسية حول برمجة واجهة المستخدم الرسومية في Microsoft Windows ، لم يكن مطورًا إلكترونيًا ممارسًا ، وكانت المزالج "أسهل" بالنسبة له من المشغلات المثبتة في المقدمة. تكمن المشكلة في أن المزالج غير متوافقة بشكل جيد مع التحليل الثابت للتأخيرات في التوليف المنطقي ، وهي التقنية الرئيسية لتصميم الدوائر الرقمية في الثلاثين عامًا الماضية. تستخدم الأنظمة الموجودة على شريحة داخل الأدوات مثل جهاز iPhone مشغلات D التي يتم تشغيلها من قِبل الدولة في 99٪ من الحالات كعناصر للحالة ، ولا يتم استخدام المزالج إلا في حالات خاصة جدًا. لإعطاء المبتدئين لبناء الدوائر على المزالج - وهذا يعني تضليلهم.

بهذا المعنى ، المانجا أفضل من بيتزولد. هذه هي الطريقة التي تشرح بها المانجا بأناقة الزناد الرئيسي ثنائي المرحلة D الذي يتم التحكم فيه بواسطة واجهة الساعة. يتم ذلك بمساعدة الجنيات "Hee hee hee" والجنيات "Ha ha ha":



بعد ذلك ، أسلط الضوء على تعليقاتي باللون الأزرق حتى لا تندمج مع اقتباسات من المانجا:

لكن لنبدأ بالترتيب. تبدأ المانجا حول الدوائر الرقمية بدوائر دقيقة ، وتذكر على الفور كل من الدوائر الصغيرة القديمة بدرجة صغيرة من التكامل ، مع العديد من العناصر المنطقية ، والعناصر الحديثة ، مع ملايين ومليارات الترانزستورات:





تشرح المانغا عمل العناصر المنطقية باستخدام تشابهات بسيطة وممتعة للمراهقين:



لماذا نذكر حتى الدوائر المصغرة ذات درجة منخفضة من الاندماج ، والتي عفا عليها الزمن منذ 50 عاما؟ الحقيقة هي أنه على الرغم من سنهم المبجل ، فإن التمارين على لوحة توصيل تحتوي على مثل هذه الدوائر الدقيقة هي الطريقة الأكثر بديهية لإظهار الطلاب كيف يعمل عنصر المنطق. لا تحتاج إلى تثبيت برنامج للنمذجة أو التوليف لـ FPGAs. كل ما تحتاجه هو لوحة توصيل ، وبطارية 9 فولت ، ودائرة صغيرة ، وأسلاك ، ومصابيح LED وأزرار:



يعتقد بعض المعلمين في الأوساط المدرسية أنه يجب استبدال كل هذه التمارين بأردوينو. ظهر هذا الرأي في 1970-1980 ، عندما دخلت المتحكمات الدقيقة والمعالجات المدمجة في التكوين. لم يتمكن تلميذ المدرسة النموذجي في عام 1988 من إنفاق مئات الآلاف من الدولارات لتصنيع دائرته المصغرة الخاصة به في المصنع ، وتم استخدام الدوائر المصغرة القديمة بدرجة صغيرة من التكامل في المنتجات الصناعية الحقيقية أقل وأقل. لذلك ، في ذلك الوقت ، لوحوا بأيديهم في المنطق الرقمي لأطفال المدارس وألقوا كل طاقتهم في تعليم البرمجة. في ما يلي تعليق على Facebook يصف هذا الرأي هذه الأيام:



ومع ذلك ، بعد 30 عامًا ، تغير كل شيء مرة أخرى:


1. أولاً ، في نفس عام 1988 ، ظهرت تقنية لتصميم الدوائر الدقيقة باستخدام التركيب المنطقي ، من الشفرة بلغات وصف الأجهزة - Verilog و VHDL.

2. في الوقت نفسه ، في الثمانينيات ، ظهرت دوائر متكاملة منطقية قابلة للبرمجة (FPGAs) - مصفوفات من عناصر المنطق القابلة لإعادة التشكيل والتي يمكنك من خلالها تكلف الدوائر الرقمية ببساطة عن طريق تغيير محتويات ذاكرة التكوين داخل FPGA.

3. في التسعينات ، تم تضمين تدريس HDL والتوليف المنطقي و FPGA في برامج جميع أقسام الإلكترونيات في الجامعات الغربية ، على الرغم من أنه في روسيا وأوكرانيا ، بسبب فوضى ما بعد البيريسترويكا ، كانت هذه العملية أبطأ.

4. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، توقفت سرعة نمو المعالجات التقليدية ، وبدأ المسوقون في توقع تجزؤ سوق المعالج المضمن (الذي حدث - السحابة ، إنترنت الأشياء) ، بالإضافة إلى ظهور مجموعات من المعالجات وأجهزة الكمبيوتر المتخصصة لمختلف المهام (وهو ما حدث - أولاً أنها سريعة الرسوم المتحركة ، ثم الرقائق المتخصصة لتعدين التشفير ، رؤية الكمبيوتر ومسرعات الشبكة العصبية).

5. الآن ، في عام 2010 ، انخفضت أسعار لوحات FPGA إلى المستوى عندما أصبحت متاحة لأطفال المدارس. في الوقت نفسه ، تتطلب الصناعة عددًا كبيرًا من المهندسين الجدد لإنشاء دوائر صغيرة ضخمة مع شبكات عصبية. حتى إذا كنت ستعمل طوال حياتك في البرمجة ، لفهم الأنظمة الجديدة ، تحتاج إلى معرفة مبادئ تشغيل المعدات: الدوائر التوافقية والمتسلسلة ، آلات الحالة ، التوقيت ، الأنابيب ، إلخ. ثم يمكنك فهم ما إذا كان الأمر يستحق معالجة البيانات باستخدام برنامج عادي أو وحدة أجهزة.

لذا تسمح لك الدوائر المصغرة ذات درجة الدمج الصغيرة "بلمس" بدائيّات الأجهزة مباشرةً. وفور شرحها لمخططات بدرجة صغيرة من التكامل ، تقدم المانجا لغات وصف الأجهزة و FPGA:





بعد وصف العناصر المنطقية ، توضح المانجا كيفية بناء مخطط اندماجي مفيد للتصويت الرئيسي:







ثم تم تحسين هذا المخطط. في رأيي ، تكرس مانغا الكثير من الوقت للتحسين التوافقي. ولكن من الجدير بالذكر أن اليابانيين كتبوا المانجا ، ولديهم مبدأ في الثقافة 切磋琢磨 (جلسة تاكوما) - لتلميع شيء ما (مثل السيف) حتى يصبح مثاليًا. لذلك ، في المانغا ، هناك كلا من التحسين على أساس الحس السليم ، والتحسين على أساس مخططات كارنوت. يجعل التوليف المنطقي للغات وصف الأجهزة مثل هذه التحسينات تلقائيًا:





تحتوي المانغا أيضًا على مخطط رومانسي ، أي مشهد:




يمكن تجميع مخطط تصويت الأغلبية بسهولة على الدوائر المصغرة ذات درجة صغيرة من التكامل. يمكن القول أن مراقبة العناصر التوافقية AND-OR-NOT / AND-OR-NOT على لوحة الخبز ليس أمرًا مثيرًا للاهتمام للغاية ، حيث يتم شرح الجبر البولياني أيضًا في درس البرمجة المعتاد. يمكن القول أنه على الرغم من أن الأطفال في سن 7 سنوات يمكنهم فهم AND-OR-NOT ، فإن بعض تلاميذ المدارس يتعثرون عند حاجز عقلي عند محاولة فهم D-triggers. في هذه الحالة ، يصبح العرض المرئي أكثر قيمة.

لسوء الحظ ، لا يمكن للطالب "لمس" يديه مباشرة باستخدام D-triggers داخل FPGA. هناك عشرات الآلاف منهم في FPGAs. في Arduino ، لا ينشأ مثل هذا الكائن على الإطلاق. وعلى لوحة ذات دائرة صغيرة ذات درجة صغيرة من التكامل ، يمكن الشعور بالزناد D على النحو التالي:



وإليك كيفية تفسير الدوائر المتسلسلة ومانغا D- الزناد. لاحظ أن المترجم الياباني استخدم كلمة "متسلسل" لترجمة "متسلسل" ، على الرغم من أن مصطلح "متسلسل" قد تم تأسيسه في الأدب الروسي حول الدوائر الرقمية:



هنا سيكون من الممكن الكتابة بشكل أكثر تحديدًا أن المخططات المتسلسلة ، على عكس المخططات التوافقية ، تسمح بتكرار الإجراءات وتوقع الأحداث. وبعبارة أخرى ، فإنهم يجعلون الكمبيوتر "ذكيًا". بدونها ، باستخدام الكمبيوتر ، يمكنك فقط حساب قيم التعبيرات الحسابية البسيطة:



من المؤسف أن المانجا لا تقول أي شيء عن التأخير الزمني في الدوائر التوافقية وحساب أقصى تردد على مدار الساعة. يمكن إدراج هذا هنا في هذا المكان:



آمل أن يكون لهذه المانجا في روسيا خلفاء سيصنعون نوعًا من الرسوم المتحركة مع إيفان تساريفيتش وفاسيليسا الجميلة ، مما قد يؤدي إلى تأخير في التوزيع ومسار حاسم ، على سبيل المثال ، استنادًا إلى معلومات من الكتاب المدرسي هاريس وهاريس. فيما يلي الشرائح المناسبة من مواد إضافية للكتاب:







إليك شريحة مباشرة تنص على أنه بالنسبة لجميع عناصر الحالة تقريبًا ، يتم استخدام الزناد D [باستثناء الحالات التي لا يواجهها المبتدئون على الإطلاق ، على سبيل المثال ، مزلاج لاستقبال ساعة مسورة بدون تدخل النبض في دوائر توفير الطاقة - حساسة للمستوى D- مزلاج لساعة مزودة ببوابات خالية من الخلل تستخدم في تصميمات الطاقة المنخفضة].



تذكر أن Petzold استخدم D-latches لتقديمه ، وهو أمر خاطئ. ولكن ليس فقط Petzold يرتكب أخطاء في هذا المكان. لقد قمت ذات مرة بنشر منشور في LiveJournal مع مثل هذه الصورة للعداد أدناه من الأفعى و D- الزناد ، وبعد ذلك أخبرني أحد المبرمجين الروس من ولاية كولورادو بعد يومين أنه كان من الأسهل بناء عدادات على مشغلات T. أخبرته أنه يتذكر بشكل صحيح مشغلات T من طفولته في السبعينيات ، ولكن الآن في القرن الحادي والعشرين ، يقوم مطورو iPhone ببناء عدادات من مشغلات D ، لأن وضع العداد على مشغلات T ، حيث يتم استخدام إشارة البيانات كإشارة ساعة ، لا يتناسب بشكل جيد مع تحليل التوقيت في الرقائق لمليارات الترانزستورات (إذا كنت لا توافق معي ، يرجى تقسيم رأيي مع روابط إلى مكتبات ASIC من TSMC ، Synopsys Design Compiler ، إلخ):



لقد رأينا بالفعل سلسلة من الصور حول عمل الزناد D على مرحلتين (السيد-العبد) مع الجنيات:





من خلال مخطط زمني يسهل فهمه - لا يتم تسجيل البيانات إلا في لحظة الحافة الإيجابية لمشغل D ، ويتم تجاهل بقية الوقت:



الآن تنتقل المانغا إلى مثال استخدام الزناد D لبناء آلة حالة بسيطة - جهاز لرمي العظام الإلكترونية. بصراحة ، أنا لست مسرورًا تمامًا بهذا الجزء من الكتاب. سنقول هذا ، آلة الحالة المتدهورة المتدهورة التي تسير فيها الولايات في دائرة ، تتوقف قليلاً - زر الإيقاف. إذا كان هناك العديد من الأتمتة في كتاب الأمثلة ، فسيكون كل شيء على ما يرام ، ولكن تعيينه على أنه المثال الوحيد خطأ. لا تُظهر فئة المشاكل بالكامل التي يمكن حلها باستخدام أجهزة الحالة المحدودة. أدناه سأوضح كيف سأكملها.



مخطط الدولة 0-1-2-3-4-5:



الحالات الثنائية المكتوبة في ثلاث D-flip-flops:



مخطط اندماجي يتلقى دولة جديدة من القديم:



وأخيرًا ، توضح المانجا كيفية تصميم نفس المخطط ليس عن طريق الرسم بالماوس على الشاشة ، ولكن عن طريق تجميع لغة وصف أجهزة Verilog. على الرغم من أن هذا الرمز يشبه رمز لغة برمجة مثل Pascal أو Java ، إلا أن هذا الرمز له طبيعة مختلفة تمامًا. إن الغرض من الكود الموجود في الجحيم هو أن تتحول إلى دائرة بأسلاك وترانزستورات. ويتم تجميع التعليمات البرمجية في لغة البرمجة في سلسلة من التعليمات والأصفار والأخرى المخزنة في الذاكرة [من الواضح أنه يمكن تفسير كل من Verilog و Java + يمكن أن يتحول الرمز في Verilog إلى أصفار وأخرى لتكوين FPGA + يمكن ترجمة Java إلى Verilog و أصبح أيضًا رسمًا بيانيًا ، لكن هذه تفاصيل لا تساهم في الفهم الأولي]:







الآن ، كما هي ، استكملت المثال عن آلة الحالة المحدودة I. سأقدم مثالاً أكثر تفاعلية لآلة حالة محدودة ، على سبيل المثال ، باستخدام القياس مع ما يسمى ب "الغرفة الصينية". إليكم وصفي للغرفة الصينية ، التي حذفها المحرر من مقالتي قبل عقد من الزمن في The New Times (هذه المجلة ليست فقط عن السياسة ، بل لديها أيضًا تقنية شائعة)

في عام 1980 ، قدم أحد نقاد الذكاء الاصطناعي ، جون سيرل ، حجة أنيقة تسمى "الغرفة الصينية". لنفترض أنه في المستقبل كانت هناك نسخة من برنامج Eliza تتحدث اللغة الصينية بشكل جيد لدرجة أن الصينيين لم يتمكنوا من تمييز الكمبيوتر عن شخص. لنفترض الآن أن شخصًا ما سينسخ هذا البرنامج إلى كتاب سميك يحتوي على تعليمات ميكانيكية لشخص ما - إذا رأيت الحرف A وقبل ذلك رأيت الحرف B ، فقم بإزالة الحرف C من الصندوق. والآن نضع شخصًا معينًا لا يعرف اللغة الصينية في غرفة مغلقة مع هذا الكتاب وسوف يلكزه تحت علامات الباب بالهيروغليفية التي تحتوي على أسئلة باللغة الصينية. باتباع التعليمات الميكانيكية من الكتاب ، سيجد الشخص في صندوق ويدفع العلامات الأخرى بالهيروغليفية. من وجهة نظر مراقب خارجي ، فإن الغرفة "ستفهم" و "تتكلم" باللغة الصينية. ولكن من هو صاحب هذا العقل؟ بعد كل شيء ، لا يفهم المؤدي اللغة الصينية؟

صرح جون مكارثي وغيره من قدامى المحاربين في الذكاء الاصطناعي على الفور أن العقل وحتى الوعي سيظهران في "شخصية افتراضية" أو في "عملية" تتم في هذه الغرفة. تم طرح إحدى الحجج الأنيقة ضد جون سيرل من قبل الفلاسفة بول وباتريشيا تشرشلاند. جادل تشرشلاندز ، كما نعلم من الفيزياء ، أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية. افترض أن المتشكك يبدأ في تحريك المغناطيس بيده ، ولا يرى الضوء ، ويبدأ في الادعاء بأن الضوء مستحيل. في الواقع ، للحصول على الضوء ، تحتاج إلى التلويح بمغناطيس بسرعة 450 مليار ضربة في الثانية. وجادل تشرشلاندز بأن الوعي العقلاني سيظهر في "الغرفة الصينية" إذا كان المؤدي رشيقًا بما فيه الكفاية.

من المثير للاهتمام أن كاتب الخيال العلمي الأوكراني وصف أناتولي دنيبروف نظير "الغرفة الصينية" في الخمسينات في قصة "اللعبة".

حتى هنا. بالنسبة لمحاضراتي والمواد الخاصة بي ، توصلت إلى مثال حيث تنتج آلة الحالة المحدودة (FSM) استجابة لتسلسل من أي عدد من الشخصيات "الدب" و "الشجرة" ، مع الحرف النهائي "العلم" - سلسلة من الأحرف "سيبيريا". هذه أبسط "غرفة صينية":



هنا رسم تخطيطي لحالتها:



من هذا الرسم البياني ، يمكنك بناء دائرة وتنفيذها على لوحة باستخدام FPGA.

في اليوم الآخر ، استخدمت مقتطفات من هذه المانجا من تأليف Amano Hideharu و Meguro Koji عندما ألقيت محاضرة عبر سكايب من كاليفورنيا إلى 150 طالبًا من Kazan Innopolis. يبدأ الطلاب في دراسة هندسة الكمبيوتر ، ويحتاجون إلى اختراق حاجز سوء الفهم الأولي للمنطق الرقمي. لهذا ، فإن المانجا جيدة جدًا ، خاصة إذا كنت تستخدمها مع الكتب المدرسية مثل Harris & Harris "الدوائر الرقمية وهندسة الكمبيوتر".

هنا الفيديو من هذه المحاضرة:


يمكن تنزيل شرائح لهذه المحاضرة القادمة هنا:

http://bit.ly/2018-01-25-verilog-1-innopolis-yuri-panchul

http://bit.ly/2018-02-01-verilog-2-innopolis-yuri-panchul

الآن ، كثير من قراء المنشورات حول FPGAs غالبًا ما يطرحون السؤال التالي: "لماذا هذا ضروري ، لأن هناك المزيد من الأعمال على Java؟"

يمكن الإجابة على ذلك: وفقًا لموقع Glassdoor في سان خوسيه ، كاليفورنيا ، فإن مصممي الدوائر الرقمية يقدرون أكثر من مطوري جافا:





وإذا قال القارئ ، "وماذا أحتاج سان خوسيه؟ أنا في روسيا ولا أهدد بالذهاب إلى سان خوسيه "، يمكنك تقديم مثال جديد على أن المتزوجين حديثًا من سانت بطرسبرغ احتلوا المركز الأول في مسابقة Intel InnovateFPGA في أوروبا ، وبعد ذلك احتلوا المركز الثاني في المباراة النهائية في سان خوسيه. هنا يجلسون في مكتب إنتل في سان خوسيه قبل بضعة أيام. لجعل المشروع على FPGA. ربما بالنسبة لمشروع على Java Intel ، أحضر شخصًا في سان خوسيه مع تقديم الجائزة ، لكنني شخصياً لا أعرف مثل هذه الأمثلة.



فلاديسلاف شارشين وأندري بابوشين ويلينا كيريشينكو - www.innovatefpga.com/cgi-bin/innovate/teams.pl؟Id=EM076