Сегодня видел план вводного курса, написанный начинающей американской преподавательницей. План иллюстрирует распостраненную ошибку - неправильный порядок подачи материала:

1. Операционная система.
2. Кэшы и виртуальная память.
3. Архитектура набора команд и ассемблер.
4. Ввод-вывод и прерывания.

Что не так с этим планом? На четыре пункта пять нарушений зависимостей:

1. Две ключевые функции ядра операционной системы - это многозадачность и изоляция пользовательских программ от ввода-вывода. Многозадачность строится на переключении контекста во время прерывания, например прерывания от таймера. При этом происходит сохрание регистров одной задачи в памяти, восстановление регистров другой задачи и переход на адрес другой задачи при выходе из прерывания.

Таким образом (1) зависит от объяснения что такое прерывание в (4), а также объяснения что такое регистр в (3).

Изоляция пользовательских программ от ввода-вывода требует объяснения, что ввод-вывод делается через выделенную область адресов (memory-mapped I/O), доступ к которым пользовательских программ ограничивается с помощью трансляции виртуального адреса в физический.

Таким образом (1) зависит еще и от объяснения что такое ввод-вывод в (4) и что такое виртуальная память в (2).

2. Вводить кэши без понимания архитектуры набора команд (Instruction Set Architecture (ISA), 3) как-бы и можно, особенно если студент уже знает о разности латентности доступа к регистровому файлу из D-триггеров, SRAM и DRAM. Но это все равно странно - желательно чтобы студент знал и что транзакция к кэшу начинается с инструкции загрузки или сохранения регистра в execution unit, откуда через load/store unit она попадает в кэш.

В принципе, делать лабы с кэшем как со сферическим конем в вакууме можно, но для виртуальной памяти это было бы совсем безблагодатно. Для таких лаб было бы желательно немного писать на ассемблере и быть в курсе, что при доступе к странице, с которой чего-то не то - может произойти исключение, то бишь exception / page fault. То есть (2) зависит от (3) и (4).

Что происходит когда глава не может описаться на пререквизиты? Автору главы приходится объяснять то, что происходит - на пальцах. И учебник превращается в научпоп. Как в печени при циррозе работающие клетки замещаются соединительной тканью, то же происходит с представлением о предмете у студентов. Материал, который мог бы опереться на практические лабы, превращается в ИИ-шную муть, в которой умозрительные процессы как-то магически преключаются.

Практической лабой мог бы быть простой ассемблерный код на 300 строк, который переключает контексты по прерыванию. С простым API и вызовами из bare metal программы на Си. Но так как у студента нет пререквизитов, такая лаба невозможна. Студент может поговорить, но ничего не может сделать. Для промышленности он бесполезен, хотя в академии может вырости и стать следующим поколением таких же учителей.

Для стран такой дефект становится фатальным: в одной стране происходит засилье импорта и студенты превращаются в продавцов в компьютерных магазинах, а в другой стране происходит массовый завоз инженеров из других стран, и местное население вытесняется работать в макдональдс.

Вчера мой младший сын Антони Панчул выполнил свою мечту - получил степень бакалавра биохимии в Университете Калифорнии Лос-Анжелес (UCLA). Слева на фото - мой старший сын Альберт, который закончил UC Santa Cruz с двойной спрециальностью экология и кинематограф - он сейчас уже работает, снимая небольшие фильмы и рекламу. Самая старшая дочь Элизабес закончила Cal Poly Humboldt по специальности химия и тоже работает. Короче я свой отцовский долг типа выполнил. UCLA - топовый государственный вуз США, они вместе с UC Berkley постоянно меняют места #1 и #2. В UC Berkley училась у меня жена, по специальности живопись, сейчас работает преподавателем живописи.

Видео церемонии и дополнительные фотки UCLA будут отдельными постами. Церемония разбита на два дня - общая и по отджелам университета - так что сегодня будет еще и продолжение.

Из обучения школьников цифре на макетке нужно выкинуть все резисторы и вставить микросхемы с FIFO.

https://habr.com/en/articles/1058154/

Раз уж я начал учить школьников как собирать на макетной плате цифровые схемы (в рамках подготовки демонстраций к мероприятию торговой палаты города Маунтин-Вью, Калифорния), то возникла необходимость написать для них инструкции. У меня тут же ожидаемо спросили, почему мне не подходят существующие инструкции от Make и других источников. Объясняю:

1. Все эти туториалы последние 55 лет переписывают друг от друга как использовать: 1) резисторы при светодиодах и 2) подтягивающие резисторы. У меня этого нет, потому что я использую LED толерантные к пяти вольтам, кнопки со встроенными подтягивающими резисторами, а также блок питания от USB которые генерит стабильные 5V вместо 9-вольтовой батарейки "Крона". То есть я удалил как кучу лишних резисторов на плате, так и необходимость объяснять законы Ома и Кирхгофа.

2. Эти туториалы часто описывают как строить генератор тактового сигнала из микросхемы 555, конденсатоов и резисторов. У меня этого нет, посколько я используют уже собранные генераторы тактового сигнала с AlExpress. Сборка такого блока самому не дает ничего полезного для обучения цифровому проектированию по направлении к микроархитектуре.

3. В мейкерских туториалах есть куча вещей, которые никогда не возникают в работе проектировщика современного чипа (JK-триггеры, SR-защелки), но нет того, что используется ежедневно (FIFO - микросхема CMOS 40105, приоритетный энкодер - CMOS 4532 итд).

Я понимаю, что многие преподаватели кружков любят показывать SR-защелку на двух NAND-логических элементах, но если честно, она не возникает в реальной работе современного разработчика микросхем (RTL - register-transfer-level) designer вообще никогда. Для введения элементов состояния лучше сразу переходить к D-триггеру, который используется в 99.99% случаях на современной работе. Остальным 0.01% случаем является D-защелка , которая используется в основном для clock gater в контексте экономии динамического энергопотребления, это для обучения детей неактуально.

Все эти туториалы нужно для 21 века переделать, а не копировать с минимальными изменениями туториалы начала 1970-х. И вообще через три дня схемы из Tronix детям надоедают и их нужно переводить на SystemVerilog и FPGA. И потом на ASIC, LibreLane и TinyTapeout, чтобы сделать свои чипы на фабрике.

Короче вот первые четыре страницы моего туториала в виде шпаргалок к моим занятиям, а также фотки с последней сессии. Следущая сессия будет в воскресенье 12 июля, с 11 am до 2 pm в Hacker Dojo, 855 Maude Ave, Mountain View.

Вообще на микросхемах малой степени интеграции можно делать не только бегающие огоньки, но и менее банальные вещи, которые тут же узнает любой проектировщик современных чипов, например арифметический конвейер с FIFO с помощью микросхем CMOS 40181 (ALU) и CMOS 40105 (FIFO).

Или скажем демонстрацию работы последовательностной логики с помощью побитового сумматора CMOS 4032 с сериализацией данных слагаемых с помощью сдвиговых регистров CMOS 4014 и десериализацией результата с помощью 4015. Такой сумматор бесконечных чисел можно сравнить с каскадным комбинационным сумматором из CMOS 4008.

Или вещи попроще - приоритетный энкодер на CMOS 4532, такое нужно для арбитров внутри систем на кристалле в чем угодно - от смартфонов до космоаппаратов. То что оно на 20 микрон (20 тысяч нанометров) а не на 2 нанометра, его функциональной природы не меняет.

Вот какой компонент есть в серии микросхем малой степени интеграции:

Если скобинировать его с сумматором CMOS 4008 или ALU CMOS 40181, то получится конструкция с контролем потока данных и возможностью ожидания недостающего аргумента формулы:

Я давал задание во время интервью построить такую конструкцию на верилоге студентам разнообразных американских вузов (Стенфорда, Университета Южной Калифорнии, Портлендсокого Государственного Университета, Университета Южной Каролины и других) и хм, как бы это сказать политкорректно, результаты варьировались.