Взял видеоинтервью у вице-президента Ардуино и обсудил с ней преподавание школьникам ПЛИС-ов / FPGA и языка Verilog

Я совершенно согласен с вами, что обучение программированию микроконтроллеров (встроенных процессоров) и проектирование схемотехники конфигурируемой в FPGA — это совершенно ортогональные вещи, как пение и стихосложение. Но чтобы написать песню (создать систему на кристалле с аппаратной и программной частью) нужно представлять обе стороны. Даже если человек в будущем будет специализироваться на чем-то одном.

Для школьников: писание программного кода на любом языке типа C, Паскаля или Питона вносит в подсознание парадигму фон-нейманновской машины (примерно как советский школьный дневник навсегда впихивал в подсознание как должна выглядеть неделя), потом на всю жизнь вычисление будет представляться как цепочки команд, с if-ами, циклами, в крайнем случае – как несколько цепочек таких команд, идущих параллельно.

Это вызывает сильный когнитивный диссонанс, когда человек сталкивается с вычислениями на основе конвейерной обработки данных. При попытке кодировать такое на верилоге программист с опытом сначала всячески норовит представить это в интуитивно привычной (но неработющей форме).

Поэтому было бы интересно поселить в голове у молодого человека две картины вычислительного устройства: программирование (на основе ментальной модели фон-нейманномской машины) и цифровой дизайн на уровне регистровых передач (с концепциями конечного автомата и конвейера).

В первой ментальной модели (программиста) есть такие крипичики как последовательное исполнение, ветви выбора, переменные, выражения, модель плоской адресуемой памяти, циклы, функции (на основе использования стека), рекурсия.

Во второй ментальной модели (электронщика, разработчика логики) есть концепции логического элемента и построенных на них облаков комбинационной логики, выбора с помощью мультиплексора и арифметических выражений; концепция тактового сигнала для синхронизации вычислений и повторения, концепция D-триггера для хранения текущего состояния между тактами/циклами; конечный автомат; параллельность операций, для самых продвинутых — концепция конвейера (не только для процессора, но и для арифметических блоков – см. пример с конвейерной реализацией ).

Про конечные автоматы и конвейеры продвинутым учащимся физматшкол знать может довольно интересно. Для студентов-электронщиков – это необходимая часть профессии. Для разработчиков систем из хардвера и софтвера – крайне полезно, чтобы понимать, когда имеет смысл применять хардвер, когда – софтвер.

Насчет страны я написал здесь:

Системы на кристалле (system on chip, SoC), проектирование высокоинтегрированных микросхем с гетерогенными IP-блоками (CPU, GPU, DSP) — технологическая основа для многих культурных феноменов современного мира, включая смартфоны и быстрый интернет. Значение этой группы технологий еще больше увеличивается с лавинообразным внедрением в автомобильную промышленность чипов для ADAS (advanced driver-assistance systems) и последующим распостранением самоуправляемых автомобилей.

К сожалению, появление ключевых технологий, на которых базируется проектирование систем на кристалле, в мире по времени пришлось аккурат на период коллапса СССР (конец 1980-х — начало 1990-х годов). Западные университеты довольно быстро внедрили в программу обучения языки описания аппаратуры (hardware description languages — HDL), методологию проектирования на уровне регистровых передач (register transfer level — RTL), маршрут проектирования RTL-to-GDSII, превращающий код на языках Verilog и VHDL в геометрическое представление дорожек и транзисторов на кремнии, а также лабораторные работы с использованием реконфигурируемых микросхем FPGA (field-programmable gate arrays). Все эти технологии были внедрены в России гораздо позже, и сейчас их преподавание сконцентрировано в небольшом количестве топ-университетов, таких как МИЭТ в Зеленограде и ИТМО в Санкт-Петербурге.

При этом, сейчас в мире растет потребность в устройствах для интернета вещей, в умных чипах с аппаратной поддержкой распознавания графических образов, а также системах машинного обучения. Все эти рынки открывают ниши для разработки новых микросхем, которыми могли бы заняться и разработчики России, страны с богатыми инженерными традициями. Так как современное проектирование отделено от производства, а мир глобализован, то российские разработчики могут лицензировать западные средства проектирования и IP-блоки, а также использовать азиатские фабрики.

и т.д.

Я же написал в посте — или вы бросили читать после первых пары абзацев? Ну для вашего удобства скопирую, зачем:

Зачем учить школьников языкам описания аппаратуры и использованию ПЛИС? Обоснование программы.

В картине мира, представляемой школьным образованием, существует “слепое пятно” в области принципов проектирования цифровой электроники, между физикой и программированием. Курсы роботики и ардуино это слепое пятно не закрывают, так как сводятся к программированию готовых чипов. Упражнения с дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции, хотя и эффективны во введении в основные принципы, базируются на технологиях 1960-1970-х годов и не содержат привязки к современному проектированию. Слепое пятно можно закрыть с помощью введения элементов языков описания аппаратуры (ЯОА) и доступные для школьного экспериментирования микросхемы ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) — матрицы реконфигурируемых логических элементов. Тем самым картина мира становится цельной, и способствует созданию среды для появления большого количества молодых инженеров, имеющих представление о всех сторонах современных микросхем для приложений типа самоуправляемых автомобилей, и способных в будущем специализироваться для проектирования того или иного аспекта таких устройств.

Введение ЯОА и ПЛИС в школьную программу также хорошо привязывается к курсу математики и физики физматшкол — булевская алгебра, арифметические схемы, конечные автоматы.

Заметим, что ЯОА и ПЛИС, несмотря на поверхностное сходство с программированием, используют другие базовые концепции:

Программирование: последовательное исполнение, ветви выбора, циклы, переменные, выражения, массивы (c моделью плоской адресуемой памяти), функции (на основе использования стека), рекурсия.

Проектирование цифровой логики: комбинационный логический элемент; построение из этих элементов облаков комбинационной логики, включающей примитивы выбора с помощью мультиплексоров, а также блоки для реализации арифметических выражений; концепция тактового сигнала для синхронизации вычислений и повторения, концепция D-триггера для хранения текущего состояния между тактами; конечный автомат; параллельность операций, иерархия модулей, концепция конвейера (не только для процессора, но и для арифметических блоков).

Далее в конце:

Системы на кристалле (system on chip, SoC), проектирование высокоинтегрированных микросхем с гетерогенными IP-блоками (CPU, GPU, DSP) — технологическая основа для многих культурных феноменов современного мира, включая смартфоны и быстрый интернет. Значение этой группы технологий еще больше увеличивается с лавинообразным внедрением в автомобильную промышленность чипов для ADAS (advanced driver-assistance systems) и последующим распостранением самоуправляемых автомобилей.

К сожалению, появление ключевых технологий, на которых базируется проектирование систем на кристалле, в мире по времени пришлось аккурат на период коллапса СССР (конец 1980-х — начало 1990-х годов). Западные университеты довольно быстро внедрили в программу обучения языки описания аппаратуры (hardware description languages — HDL), методологию проектирования на уровне регистровых передач (register transfer level — RTL), маршрут проектирования RTL-to-GDSII, превращающий код на языках Verilog и VHDL в геометрическое представление дорожек и транзисторов на кремнии, а также лабораторные работы с использованием реконфигурируемых микросхем FPGA (field-programmable gate arrays). Все эти технологии были внедрены в России гораздо позже, и сейчас их преподавание сконцентрировано в небольшом количестве топ-университетов, таких как МИЭТ в Зеленограде и ИТМО в Санкт-Петербурге. Игнорируется возможность интеграции концепций HDL и RTL в программы физматшкол, где их можно было бы привязать к математической логике, теории конечных автоматов и электричеству, подобно тому, как обогатило советские школьные программы введение в середине 1980-х годов элементов программирования.

он увлеченный человек. со всеми плюсами и минусами этого…

FPGA — это плацдарм ко всему проектированию цифровых микросхем. В Южной Корее тоже было мало разработчиков на Verilog и VHDL, и если бы там все рассуждали как вы, то смартфоны Samsung Galaxy там бы не появились.