Демонстрируем школьникам процесс проектирования вычислительных устройств

Учителю полезно иметь в своем арсенале комплексные практические задания (проекты), которые требуют использования знаний из нескольких частей изучаемого курса. В статье подробно разработан подобный проект: предлагается пройти основные этапы конструирования одного из важнейших устройств компьютера сумматора. В ходе выполнения проекта школьникам потребуется применить свои знания по построению соответствующей условию задачи таблицы истинности, замене ее эквивалентной логической формулой, преобразованию последней средствами алгебры логики и, наконец, получению практической схемы устройства на логических элементах. При наличии возможностей и желания можно даже собрать эту схему (например, на платформе Arduino) и посмотреть, как она работает. Существует и «облегченный» вариант написать моделирующую работу сумматора программу или воспользоваться готовым тренажером, который предлагается авторами.

Статья содержит некоторые дополнительные сведения по теме: понятие о языках описания логических схем HDL (Hardware Description Language), идеи полноты системы используемых логических операций и их влияния на ассортимент выпускаемых микросхем, сведения о построении многоразрядного сумматора и способах ускорения выполнения последовательной по своей сути операции сложения, общие идеи построения АЛУ (арифметико-логического устройства) современного процессора. Весь материал изложен на доступном школьникам уровне.

Проект имеет ярко выраженную профориентационную направленность: в процессе работы школьники получают некоторое представление об основных этапах разработки устройств вычислительной техники.

1. Автономова Н. С., Филатов В.П. Понимание как логико-гносеологическая проблема // Вопросы философии. 1981. № 5. С. 164–169. EDN: TKGKTP.

2. Андреева Е. В., Босова Л. Л., Фалина И. Н. Математические основы информатики. Элективный курс: учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 328 с. EDN: WLQBUT.

3. Бершадский М. Е. Педагогическая диагностика уровня понимания // Педагогические измерения. 2012. № 3. С. 60–88. EDN: OFVQZU.

4. Босова Л. Л. Об использовании графических схем в курсе информатики и ИКТ // Информатика и образование. 2008. № 5. С. 16–25. EDN: IUKTRP.

5. Гнитецкая Т. Н. Основы теории внутрипредметных связей // Физическое образование в вузах. 1999. Т. 5. № 2. С. 23–39. EDN: HTLKDT.

6. Гнитецкая Т. Н., Резник Б. Л., Плотников В. С. Феномен понимания и метод смысловых структур в ИТ-образовании // Современные информационные технологии и ИТ-образование. Сборник научных трудов II Международной научной конференции и XII Международной научно-практической конференции (Москва, 24–26 ноября 2017 года). М.: Лаборатория Открытых Информационных Технологий факультета ВМК МГУ имени М. В. Ломоносова, 2017. С. 68–75. EDN: YTGYIV.

7. Гнитецкая Т. Н., Шутко Ю. Е. Внутрипредметные связи в обучении физике. Владивосток: Изд-во Дальневосточного федерального университета, 2023. 208 с. DOI: 10.24866/7444-5575-0. EDN: EYMQOY.

8. Еремин Е. А. Три этюда по компиляции, или Как использовать язык Julia для изучения генерируемого машинного кода // Информатика в школе. 2023. № 6 (185). С. 18–30. DOI: 10.32517/2221-1993-2023-22-6-18-30. EDN: OJCMNC.

9. Заводчикова Н. И., Быкова И. А. О некоторых психологических аспектах реализации внутрипредметных связей в школьном курсе информатики // Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе. Материалы Международной научно-практической интернет-конференции (Москва, 22–26 апреля 2024 года). М.: МПГУ, 2024. С. 70–78. EDN: GLERCN.

10. Знаков В. В. Психология понимания: Проблемы и перспективы. М.: Институт психологии РАН, 2005. 448 с. EDN: SURUEZ.

11. Инженерный анализ схемы ускоренного переноса процессора Intel 8008 // Хабр. 15 ноября 2020. https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/528026/

12. Кэй А. Идеям тоже нужна любовь!.. // Компьютер в школе. 1998. № 1. С. 11–13.

13. Однобитный полный сумматор на необычных микросхемах // Хабр. 8 июня 2029. https://habr.com/ru/articles/455312/

14. Пичугина Г. А. Подходы к реализации внутридисциплинарных связей в обучении // Карельский научный журнал. 2021. Т. 10. № 4 (37). С. 24–27. DOI: 10.26140/knz4-2021-1004-0006. EDN: DUPRGD.

15. Платт Ч. Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 448 с.

16. Поляков К. Ю., Еремин Е. А. Информатика. Углублённый уровень: учебник для 10 класса. В 2 ч. Ч. 1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. 344 с. EDN: TUYVWD.

17. Поляков К. Ю., Еремин Е. А. Информатика. Углублённый уровень: учебник для 11 класса. В 2 ч. Ч. 2. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. 304 с. EDN: TUZDKH.

18. Попов В. С. Изучение законов алгебры логики в симуляторе логических схем // Информатика в школе. 2025. Т. 24. № 6. С. 45–51. DOI: 10.32517/2221-1993-2025-24-6-45-51. EDN: KOAXDR.

19. Справочник по стандартным цифровым ТТЛ микросхемам. Состав серий ТТЛ ИС и их функциональные аналоги в сериях SN74.../SN54... (простая логика) // Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН. https://www.inp.nsk.su/~kozak/ttl/ttlh01.htm

20. Таненбаум Э. С. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2003. 704 с.

21. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1982. 512 с.

22. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. М.: Мир, 1988. 392 с.

23. Федеральная рабочая программа среднего общего образования. Информатика (базовый уровень) (для 10–11 классов образовательных организаций). М.: Минпросвещения России; Институт содержания и методов обучения им. В. С. Леднева, 2025. 46 с. https://edsoo.ru/wpcontent/uploads/2025/07/2025_soo_frp_informatika_10_11_baz.pdf

24. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. М.: Техносфера, 2003. 432 с.

25. Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. СПб.: Питер, 2003. 848 с.

26. Харрис С. Л., Харрис Д. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V. М.: ДМК Пресс, 2021. 810 с.

27. Частиков А. П. Архитекторы компьютерного мира. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 384 с. EDN: RJPSKF.

28. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. Серия «Массовая радиобиблиотека». Вып. 1111. М.: Радио и связь, 1987. 352 с.

29. Шустов М. А. Оптоэлектронные элементы «Исключающее ИЛИ (НЕ)» // РадиоЛоцман. 13 июля 2020. https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=619699&srsltid=AfmBOorX2xT6sI99wgQ2CNO4eHe1PPOkY02FgPTEMHi1DOa4WMTyALjB

30. 3 Bit Binary Adder: 5 Steps — Instructables. https://www.instructables.com/3-Bit-Binary-Adder/

31. Fisher K. M. Overviee of knowledge mapping // Mapping Biology Knowledge. Science & Technology Education Library. 2002. Vol. 11. P. 5–23. DOI: 10.1007/0-306-47225-2_2.

32. Lee H.-S., Liu O. L., Linn M. C. Validating measurement of knowledge integration in science using multiple-choice and explanation items // Applied Measurement in Education. 2011. Vol. 24. Is. 2. P. 115–136. DOI: 10.1080/08957347.2011.554604.

33. Luengo R., Casas L. M., Mendoza M., Arias J. Possibilities of “Nuclear concepts theory” on educational research, a review // Proc. Int. Conf. “The Future of Education”, edition 1. https://conference.pixel-online.net/conferences/edu_future/common/download/Paper_pdf/SOE33-Gonzalez,Garcia,Garcia,Masa.pdf

34. Petzold Ch. Code: The hidden language of computer hardware and software. Pearson Education, 2023. 480 p.