Некий комментатор скормил ИИ мои посты про обучение школьников цифре на макетке, и иишница в частности ответило: “Высокий порог входа для части школьников. Проект предполагает понимание базовых вещей: что такое бит, такт, сдвиговый регистр, перенос, семисегментный индикатор”.
Это конечно ерунда полная. Школьники знают про арифметический перенос из того что их учили складывать столбиком числа во втором классе. Такт - это просто период между миганиями лампочки на модуле тактового генератора. Сдвиговый регистр они понимают по движению лампочек которое отображает его содержимое. А семисегментный индикатор они могут прощупать втыканием провода в пины идущие к каждому из светодиодов.
Но предоставим слово самим школьникам. Я сделал видео, но которых попросил трех школьников показать, что они выучили и смогли смастерить после двух-трех сессий на викенды. Некоторые проекты они делали при мне, некоторые дома. Младшему, Матвею, дома помогал отец, но на одном из видео Матвей паяет проект при мне, на видео - так что это довольно чистый эксперимент.
На видео: Тимофей обсуждает счетчик; Тимофей и Нил отлаживают сдвиговый регистр; Матвей обсуждает комбинационный сумматор; Матвей обсуждает логический элемент XOR; Матвей сравнивает паяльники.
Причем все это только начало - они начали с базовых компонент, но я обсудил с ними план до конечных автоматов, ALU, FIFO и перехода на FPGA платы с языком описания аппаратуры SystemVerilog и последующей реализацией микросхемы ASIC с помощью сервиса Tiny Tapeout.
Могут начаться реплики “все неправильно, а где резисторы?” В схеме с платой XOR нет резисторов, так как мы:
Используется специальные 5V-толерантные светодиоды.
Используются кнопки с встроенными подтягивающими резисторами.
Используется блок питания который выдает стабильные 5 вольт.
Я также не заставляю детей собирать схему из 555 и конденсаторов, так как это было актуально при Брежневе, а сейчас неактуально, так как в смартфонах 2030 года (за проектирование 2нм чипа в которых мне сейчас платят зарплату) ничего такого нет. Пэтому я даю школьникам уже собранный модуль на 555 с АлиЭкспресса.
Так как в разных регионах (Россия, США, Украина) используются разные видео-хостинги, я залил все на YouTube, TikTok, Вконтакте и на Rutube:
Часть 1:
Rutube:
Часть 2:
ТикТок:
Rutube:
Вконтакте:
Какой же план для продолжения? Он есть у меня:
Приквел для FPGA и ASIC с помощью микросхем малой степени интеграции
Полноценный набор упражнений
Юрий Панчул, 2026-07-23
Идеально для школьников, но полезно и для студентов, чтобы они не пытались “программировать” на верилоге, а строили верилоговским кодом аппаратные структуры.
Годно чтобы учить детей концентрироваться над решением технических задач на полянке в глухом лесу, без доступа к интернету и ИИ. Только даташиты на микросхемы, макетные платы, батарейки на 9 вольт, ручка и листы бумаги.
Для этих упражнений я рекомендую использовать светодиоды, рассчитанные на напряжение 5 вольт, кнопки со встроенными подтягивающими резисторами (pull-down), стабильный блок питания для макетки на 5 вольт и уже собранный модуль генератора тактовых сигналов на основе микросхемы 555.
Все это избавляет от бессмысленного втыкания десятков резисторов, сборки неактуальной схемы с конденсаторами и 555 и прочих танцев с бубном, которые жалко выбросить всем составителям наборов для детей с 1970-х годов.
По той же причине я исключил транзисторы, SR-защелки, JK-триггеры итд, поскольку современный RTL-проектировщик (RTL = Register Transfer Level) не сталкивается с этим на рабочем месте.
Цель - провести школьников от логических элементов И/ИЛИ/НЕ и D-триггеров к микроархитектуре, поэтому мы стараемся не выходить за рамки двух абстракций: комбинационной/последовательностной логики и (потом, когда дойдем до FPGA) статического анализа тайминга внутри такта.
Итак:
Базовые элементы
Демонстрация работы микросхем: 4081 (И), 4071 (ИЛИ), 4069 (НЕ), 4070 (Исключающее ИЛИ).
Демонстрация D-триггера (DFF) 4013 с асинхронным сбросом.
Демонстрация счетчика 4029.
Демонстрация сдвигового регистра 4015 с последовательным входом и параллельным выходом (SiPo - serial input / parallel output).
Изучение работы одноразрядного семисегментного индикатора с общим катодом и управление им с помощью микросхемы 4511.
Демонстрация 4-разрядного комбинационного сумматора 4008. Использование трех микросхем 4511 для отображения операндов и результата на трех семисегментных индикаторах.
Функциональные узлы
Демонстрация реконфигурируемого логического элемента 4048.
Демонстрация сдвигового регистра 4014 с параллельным входом и последовательным выходом (PiSo - parallel input / serial output).
Демонстрация 4-разрядного комбинационного компаратора 4063.
Демонстрация мультиплексоров (MUX) на базе микросхем 4051, 4052, 4053, 4019.
Демонстрация дешифратора 4028. Он будет использоваться в проектах для замены мультиплексора комбинацией дешифратора и селектора на элементах И и ИЛИ.
Демонстрация приоритетного шифратора 4532 (8 в 3). Использование 4511 для отображения выходного сигнала в десятичном виде.
Демонстрация десятичного счетчика 4017 с дешифрированными выходами.
Демонстрация FIFO-буфера 40105.
Демонстрация работы регистрового файла 4x4 40108.
Демонстрация 4-разрядного АЛУ 40181.
Мини-проекты для повторения
Полный сумматор на базовых логических элементах.
2-разрядный комбинационный сумматор, использующий полный и полусумматор.
Замените мультиплексор 4051 эквивалентной схемой на базе дешифратора 4028 и селектора, построенного на элементах AND и OR.
Замените мультиплексор 4051 эквивалентной схемой на базе дешифратора 4028 и селектора, использующего элемент 4086 (AND-OR-NOT) и инвертор 4069.
Замените мультиплексор 4052 эквивалентной схемой на базе дешифратора 4555 и селектора, построенного на элементах AND и OR.
Замените мультиплексор 4052 эквивалентной схемой на базе дешифратора 4555 и селектора, использующего элемент 4086 (AND-OR-NOT) и инвертор 4069.
Продемонстрируйте работу селектора данных 4019, выполняющего объединение двух битовых векторов по маске. Сравните это решение с эквивалентной реализацией на базовых логических элементах.
Счетчик Джонсона на базе сдвигового регистра 4015 и инвертора 4069.
Проекты
Демонстрация побитового последовательностного сумматора 4032. Объединение его с двумя сдвиговыми регистрами 4014 (параллельный вход / последовательный выход), одним сдвиговым регистром 4015 (последовательный вход / параллельный выход) и тремя драйверами индикаторов 4511 для отображения операндов и результата. Сравните этот способ сложения с методом, использующим комбинационный сумматор 4008.
Замените микросхему 4032 эквивалентной схемой на базе логических элементов (AND, NAND, OR, NOR, NOT, XOR) и D-триггера (DFF) для хранения бита переноса.
Объедините три FIFO-буфера 40105 с сумматором 4008 для сложения чисел, поступающих в разных тактах, и организуйте контроль потока данных (data flow control with backpressure).
Разработайте конечный автомат для распознавания последовательностей битов (нажиманий на кнопку). Реализуйте его на базовых логических элементах и D-триггерах. Вместо 4013 можно использовать D-триггеры 4076 и 40174.
Постройте побитовый последовательностный компаратор в виде конечного автомата на базовых логических элементах и D-триггерах. Сравните его с комбинационным компаратором, выполненным на микросхеме 4063.
См. также:
Из обучения школьников цифре на макетке нужно выкинуть все резисторы и вставить микросхемы с FIFO
Как обучить школьников работать в группах проектирования с помощью многоплатных проектов
Заседания по таким проектам в Silicon Valley проходят по воскресеньям в 11.00-14.00 по адресу Hacker Dojo, 855 Maude Ave, Mountain View. При этом 2 и 9 августа меня не будет, так как я улетаю в отпуск на Кавказ.
Школьники будут показывать свои проекты в следущий четверг на мероприятии торговой палаты города Маунтин-Вью, Калифорния:
Для российских школьников олимпиадного типа прохождение такого рода упражнений поможет им например для учебы на очередной Школе Синтеза Цифровых Схем (синтез на FPGA и ASIC, основы микроархитектуры), которая начинается в октябре.
