Моделирование примитивов компьютерных процессов с использованием Arduino
статья (7, 8 класс)

Моделирование примитивов компьютерных процессов с использованием Arduino

В настоящее время компьютеры и цифровые системы используются повсеместно. Однако подобные устройства имеют высокий уровень абстракции для упрощения взаимодействия с пользователем. В связи с этим актуальной проблемой является непонимание низкоуровневых компьютерных процессов. Подобный «пользовательский» подход негативно влияет на оптимизацию программных комплексов, прошивок, протоколов и настроенных систем, создаваемых системными программистами и сетевыми администраторами. Поэтому важно уделять время разбору основ операционных систем и построения сетей при обучении. С целью визуализации сложных логических процессов можно применять упрощенные наглядные схемы на основе микроконтроллеров. Это позволяет объяснить глубокие абстрактные процессы, не потеряв при этом интерес учеников. Таким образом, целью данной работы стало моделирование примитивов компьютерных процессов с использованием Arduino.

Было смоделировано три схемы на основе микроконтроллеров Arduino, демонстрирующих работу трех аспектов операционных систем и сетевого взаимодействия. Для изучения архитектуры процессора и его операций был предложен макет действующих разрядов. Данный макет моделирует 3-битный процессор. Он состоит из микроконтроллера, матрицы из семисегментных индикаторов, отображающих состояние разрядов, и светодиодов, демонстрирующих состояние флагов. При вводе команд ассемблера в консоль числа на семисегментных индикаторах демонстрировали единичную операцию в процессоре, а светодиоды отображали состояние флагов, хранящих служебную информацию. Для изучения передачи данных по модели TCP/IP был предложен макет двух узлов сети, передающих данные на физическом уровне с помощью нескольких каналов связи. Он состоит из двух микроконтроллеров, пары пьезоэлемент-микрофон для передачи данных при помощи звука и пары светодиод-фоторезистор для передачи данных при помощи света. Вводимая в консоль первого контроллера текстовая информация разбивается на пакеты и кодируется манчестерским кодом. Полученная последовательность битов передаётся по каналу связи со скоростью 10 бит/с и декодируется вторым микроконтроллером в исходный текст. В свою очередь, при изучении локальных сетей для демонстрации процесса коммутации был предложен макет коммутатора, объединенный по UART с несколькими микроконтроллерами, имитирующими устройства локальной сети. Данный макет состоит из микроконтроллера, управляющего схемой из транзисторов и светодиодов. В ходе работы макет поочередно пропускает пакет данных с порта tx нужного устройства-источника на порт rx нужного устройства-приёмника. Путь соединения каждого пакета данных наглядно показывается загорающимися светодиодами.

Сборка подобных макетов вместе со школьниками и их применение в обучении позволит упростить понимание низкоуровневых компьютерных процессов.