Программная разработка: "Конструктор логических схем"

Кувшинов Алексей Владимирович

1. Введение

Современная электронная вычислительная машина - это сложнейший комплекс устройств, восхищающий своим технологическим совершенством и разнообразием физических принципов работы. Различные устройства машины представляют собой комбинацию большого числа элементов-кирпичиков. Элементы компьютера выполняют хранение, преобразование и передачу двоичных переменных, а также ряд вспомогательных функций: задержку сигнала во времени, формирование сигнала с определенными физическими характеристиками и т. п. Для представления и обработки информации используются различные физические явления и процессы, например электрический ток или магнитный поток. Наличие или отсутствие электрического тока, уровня напряжения различной величины или полярности, величины магнитного потока и т. д. рассматриваются как сигналы. В техническом отношении передача и преобразование дискретной информации реализуется наиболее просто, если различать только два уровня сигнала, соответствующие символам 0 и 1, или понятиям истинности ДА или НЕТ. Различные конструкции элементов могут давать лишь разные технические реализации, гарантирующие распознавание двух таких состояний.

Какой бы сложной ни была структура конкретной системы, ее можно изучать и описывать по частям, выявляя в ней сравнительно небольшое число стандартных элементов, составляющих стандартные узлы и блоки. Устройства машины представляют собой комбинации большого числа элементов-кирпичиков. Разнообразие их, однако, не столь велико. Каждая машина состоит из ограниченного количества типов элементов, которые выполняют определенные логические функции, выражающие зависимость сигналов на выходах от сигналов на входах этих элементов.

Построение и анализ логических элементов и схем основываются на применении формального метода математики к области логики. Подобно тому, как в математике для выражения отношений используется язык формул, в математической логике тот же язык формул используется для выражения логических связей, которые существуют между суждениями, понятиями, высказываниями.

Так же как и для математической задачи, решение любой логической задачи имеет свою “технологию”. Она составляется из простейших операций, похожих на сложение и умножение. Принято считать, что значение истинности высказывания равно единице, если оно истинно, и равно нулю, если оно ложно. Если условно обозначить различные высказывания буквами A, B и т. д., то в общем виде запись A = 1 означает, что высказывание А истинно, а B = 0 означает, что высказывание B ложно. То, что значение истинности может принимать два значения - 0 и 1, хорошо согласуется с двоичной системой счисления и с работой двухпозиционных элементов, используемых в ЭВМ. Например, в ЭВМ истинность высказывания может быть передана сигналом положительного электрического напряжения, что условно соответствует сигналу 1, а ложность - сигналом отрицательного напряжения или отсутствием вообще какого-либо сигнала. Это условно соответствует сигналу 0.

Высказывания могут быть простыми и сложными. Из данных высказываний с помощью логических операций можно получить новые высказывания.

2. Базовые логические элементы

Любые сложные логические функции, необходимые для работы машины, могут быть выполнены с помощью основных логических элементов. Сами элементы строятся из разнообразных электрических схем. При этом аргументами являются сигналы, поступившие на вход схемы, а функциями от этих аргументов - выходные сигналы. Если сигнал есть, то значение аргумента, который он изображает, равно единице, если нет - нулю. Поскольку логический элемент машины реализует конкретную логическую функцию, то строго определенной комбинации входных сигналов, отвечающей значениям аргумента, должно соответствовать наличие (или отсутствие) сигнала на выходе схемы. Наиболее простыми и распространенными логическими элементами являются: схема совпадения, собирательная схема и инвертор.

3. Постановка задачи.

Создать конструктор и тестер логических схем для внедрения в учебный процесс предмета ОИВТ.

а) Техническое задание.

На экране должна быть "живая" - изменяемая конструкция базовых логических элементов, соединенных в логической последовательности.

Должна быть предусмотрена возможность редактирования, записи/чтения с диска схем, контроль их работы. Должна быть предусмотрена возможность регистрации и печати протоколов работы, выставление оценки в режиме контроля.

4. Назначение пакета (версия DOS)

Пакет состоит из двух программ (“Конструктор логических схем” и “Тест по логическим схемам”) и файлов с примерами логических схем и вариантов тестирования. Пакеты призваны повысить производительность учительского труда, совершенствуя методику предмета и организацию урока, и учебной деятельности учащегося, освобождая его от рутинной работы в ходе выполнения учебных заданий.

а) Назначение программы “Конструктор логических схем”.

Программа “Конструктор логических схем” предназначена для создания логических схем, их редактирования и контроля, а также для создания и редактирования вариантов тестирования. При запуске программы на экране монитора появляется красочная заставка. После нажатия любой клавиши на экране появляется рабочее поле, поле подсказок и главное меню программы. На рабочем поле располагается текущая схема. В поле подсказок располагаются подсказки, описывающие возможные в данный момент действия (если текущим является главное меню, то в поле подсказок описывается команда, высвеченная в главном меню красным цветом). В главном меню клавишами передвижения курсора предлагается выбрать команду и после нажатия клавиши “Enter” управление передается данной команде.

Команды главного меню.

РЕДАКТИРОВАНИЕ:

На рабочем поле появляется светлый прямоугольник. Клавишами перемещения курсора можно передвигать этот прямоугольник по двумерной матрице рабочего поля. Клавишей “Пробел” можно изменять элемент схемы, находящийся в светлом прямоугольнике. При нажатии на клавишу “Enter” управление передается главному меню и схема остается на рабочем поле. При нажатии на клавишу “Esc” управление передается главному меню, а на рабочем поле восстанавливается предыдущая схема.

ЗАПИСЬ НА ДИСК:

В верхнем правом углу предлагается ввести имя файла (без расширения, расширение .sav присваивается автоматически), в котором будет записана текущая схема. Если нажать клавишу “Esc”, то схема не будет записана, и управление перейдет главному меню. После нажатия клавиши “Enter” схема будет записана на диск, и управление перейдет главному меню. Если в текущей директории будет обнаружен файл, имеющий такое же имя, то будет выдано сообщение об этом и предложено переписать файл. При нажатии на клавишу “Enter” файл будет переписан. Если будет нажата любая другая клавиша, то схема не будет записана.

ЧТЕНИЕ С ДИСКА:

Появляется меню файлов с сохраненными схемами. В верхнем правом углу отображается имя текущего файла. На рабочем поле отображается схема, записанная в текущем файле. В меню имя текущего файла имеет зеленый цвет. Выбор файла в меню осуществляется клавишами передвижения курсора. После нажатия клавиши “Enter” схема, записанная в файле, останется на рабочем поле и текущим станет главное меню. Если вместо клавиши “Enter” нажать клавишу “Delete”, то файл будет удален с диска. Если нажать клавишу “Esc”, то текущим станет главное меню, а на рабочее поле вернется схема, бывшая на нем до запуска команды “ЧТЕНИЕ С ДИСКА”. Также прочитать файл с сохраненной схемой можно, нажав клавишу “Tab”. В верхнем правом углу появится курсор. После ввода с клавиатуры имени файла, он будет прочитан. Если во время ввода повторно нажать клавишу “Tab”, то текущим снова станет меню файлов.

СОЗДАНИЕ ВАРИАНТОВ:

Появляется меню выбора вариантов. Выбор варианта осуществляется клавишами передвижения курсора (всего 28 вариантов).

После нажатия клавиши “Enter” появится список из пяти файлов. Для того чтобы записать в вариант другой файл, нужно клавишами передвижения курсора сделать текущим файл, вместо которого предполагается записать другой файл.

Затем нужно нажать клавишу “Enter”. Появится меню, идентичное меню “ЧТЕНИЯ С ДИСКА”. После выбора нужного файла, вновь появится список варианта. Если сделанные изменения устраивают, нужно нажать клавишу “Esc”. На экране появится меню выбора варианта. Если нужные варианты отредактированы, нажимается клавиша “Esc” и текущим станет главное меню.

КОНТРОЛЬ:

В левой части рабочего поля появляется светлый зеленый прямоугольник, перемещая который по вертикали клавишами передвижения курсора, можно клавишей “Пробел” изменять сигналы, подаваемые на схему. В правой части рабочего поля отображаются сигналы, выходящие из схемы. При нажатии на клавиши “Enter” или “Esc” текущим станет главное меню.

ОЧИСТКА:

Очищается рабочее поле.
ВЫХОД:
Выход из программы.

б) Назначение программы “Тест по логическим схемам”.

Программа “Тест по логическим схемам” предназначена для тестирования учащихся по знанию работы простейших логических схем, основанных на базовых логических элементах. По внешнему виду программа схожа с “Конструктором логических схем”.

Команды главного меню.

ТЕСТИРОВАНИЕ ПО ВАРИАНТАМ:

Появляется меню выбора вариантов. После выбора варианта на рабочем поле появляется первая схема. Сигналы, присутствующие на входе схемы, расставляются случайно. В правой части рабочего поля появляется светлый зеленый прямоугольник, перемещая его по вертикали клавишами передвижения курсора, можно клавишей “Пробел” изменять сигналы, которые по мнению тестируемого должны присутствовать на выходе схемы. Затем нужно нажать клавишу “Enter” и на рабочем поле появится следующая схема.

После окончания теста в поле подсказок будет выведено количество набранных баллов. Каждый правильный ответ - 1 балл. Затем, после нажатия любой клавиши, будет задан вопрос “Тестировать еще раз?”. Если нажать клавишу “Enter”, то тестирование будет повторено. Если нажать любую другую клавишу, текущим станет главное меню.

ТЕСТИРОВАНИЕ БЕЗ ВАРИАНТОВ:

Файлы со схемами выбираются случайно. Тестирование проходит аналогично тестированию по вариантам.

ВКЛЮЧИТЬ (ОТКЛЮЧИТЬ) ВЫВОД НА ПРИНТЕР:

Включает (отключает) вывод на принтер. Вначале вывод на принтер отключен.

ВЫХОД:

Выход из программы.

5. Перспективы развития (пакет под WINDOWS)

В следующих версиях пакета сделаны следующие дополнения:

- был устранен недостаток, связанный с некорректным контролем схем, сигналы в которых проходят не только слева направо, но и справа налево.

- увеличенное рабочее поле

- возможность управления мышью

- поддержка работы в локальной сети

- вывод схем на принтер

- сохранение схем в файлах в графическом виде

- более дружелюбный и удобный интерфейс

- красочная графика

- возможность настройки программы по вкусу пользователя

Версия для WINDOWS