автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Исследование и разработка методов организации системы для автоматизации обучения языку описания аппаратуры VHDL

На правах рукописи

ПАВЛЕНКО Галина Федоровна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБУЧЕНИЯ ЯЗЫКУ ОПИСАНИЯ АППАРАТУРЫ VHDL

Специальность 05.13.17 - Теоретические основы информатики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2005

Работа выполнена на кафедре электронной и компьютерной техники в Дальневосточном государственном техническом университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Москаленко Ю.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Финаев В.И. кандидат технических наук Спиридонов О.Б.

Ведущая организация:

Институт Автоматики и процессов управления ДВО РАН

Защита состоится «31» марта 2005 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.259.02 в Таганрогском радиотехническом университете (ТРТУ) по адресу 347928 г. Таганрог, Некрасовский пер. 44, корп. Г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу

Автореферат разослан февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из этапов проектирования средств вычислительной техники является разработка электрических схем. По закону Мура каждые 18 месяцев число транзисторов в кристалле СБИС увеличивается вдвое: на одном кристалле размещаются миллионы элементов, и разработка таких устройств уже не может осуществляться с помощью традиционных методов проектирования - ручного переноса описания проекта в набор логических уравнений.

В соответствии с возрастающей степенью интеграции и необходимостью как можно дольше работать с проектом на абстрактном формальном уровне, появились новые концепции описания проекта, которые привели к разработке специального инструментария для автоматизации проектирования цифровой техники.

Таким специализированным программным обеспечением являются языки описания аппаратуры (ЯОА, HDL, hardware description languages), покрывающие основные понятия, существенные для проектирования вычислительных устройств (ВУ). В общей сложности создано уже более сотни ЯОА, но международным стандартом в области проектирования ВУ стал язык VHDL (Very high speed integrated circuits Hardware Description Language).

С утверждением стандарта VHDL, любая разработка и документирование аппаратуры и алгоритмов функционирования дискретной системы должны сопровождаться описанием на языке VHDL, т.е. VHDL-описание является:

• неотъемлемой частью документации и для разработчика, и для заказчика;

• формальной записью, которая может быть использована на всех этапах разработки электронных, в том числе вычислительных, систем (ВС).

С учетом того, что между VHDL-моделью и реализацией проектируемой вычислительной системы существует изоморфизм, VHDL можно рассматривать как основное средство проектирования, эффективного моделирования и документирования ВС от уровня вентилей до уровня цифровых систем.

Интерес к VHDL в США, Европе, а в настоящее время и в странах АТР огромен, в силу особой роли, возлагаемой на язык.

В нашей стране работы по языку VHDL поддерживаются Российским научно-исследовательским институтом информационных систем (РосНИИИС), Московским институтом электронного машиностроения (кафедра «Специализированные вычислительные комплексы» МИЭМ), Томским техническим университетом и Международным центром по информатике и электронике и, только еще предполагается (!) ввести документирование на VHDL как обязательную составляющую технической документации.

Весьма ограниченное распространение VHDL в нашей стране не позволяет унифицировать используемые средства и качественно повысить уровень проектных работ в области создания средств вычислительной техники; сделать доступными для применения множество коммерческих систем, разработанных ведущими компаниями мира.

В результате, налицо два противоречащих друг другу фактора: с одной стороны рост потребностей в создании проектов, соответствующих международным стандартам, с другой стороны - недостаточное развитие методов разработки, обеспечивающих высокий уровень и качество проектирования вычислительных систем. Одна из главных причин слабого внедрения VHDL в практику разработки вычислительных устройств в Российской Федерации, заключается в недостаточном количестве подготовленных специалистов в области проектирования аппаратуры с использованием ЯОА. Кроме того, в силу многоуровневости описания, ориентированного на синтаксис языка ADA, а также существенного отражения динамики функционирования объектов язык VHDL весьма сложен для освоения. В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы разработки программных средств, предназначенных для автоматизированного обучения языкам описания аппаратуры. В контексте проектирования автоматизированных обучающих систем актуальной является тематика исследований, затрагивающих как

создание новых форм представления и способов хранения знаний, так и новых стратегий изучения учебного материала (learning strategies).

Целью диссертационной работы является исследование методов организации системы для автоматизации обучения языку описания аппаратуры VHDL на основе общих принципов иерархической систематики языка, и разработка механизма обработки знаний в рамках моделей индуктивного обобщения, используемого для реализации стратегии обучения.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

• анализ ЯОА, выделение преимуществ VHDL перед другими языками описания аппаратуры;

• анализ тенденций развития существующих средств для автоматизации обучения;

• формирование поля знаний языка VHDL;

• разработка общих принципов иерархической систематики языка VHDL;

• формализация статических знаний и динамических закономерностей данной предметной области;

• исследование и разработка механизмов обработки знаний в рамках моделей индуктивного обобщения;

• разработка организации обучающей системы;

• внедрение разработанного формализма в систему для реализации стратегии

обучения;

• реализация теоретических исследований в системе, предназначенной для использования в качестве инструмента обучения языку описания аппаратуры VHDL.

Методы исследования основаны на использовании теории множеств, теории графов, комбинаторики, методах инженерии знаний, а также на современных методологиях построения программных комплексов и систем. При разработке системы использовалась технология объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена концептуальная модель языка описания аппаратуры цифровых систем VHDL, объединяющая множество понятий языка и обеспечивающая наглядное представление синтаксиса в виде набора графов.

2. На основе концептуальной модели впервые разработаны принципы организации иерархической систематики языка VHDL, позволяющие абстрактно формализовать описание множества экземпляров объекта проекта.

3. Впервые разработана система для автоматизации обучения языку VHDL, позволяющая на основе предложенных моделей, оптимизировать выработку концептуальных знаний у пользователя; отличающаяся от известных, использованием ассоциативного механизма индуктивного обобщения, как средства для реализации стратегии обучения.

4. Разработан механизм обработки знаний в рамках моделей индуктивного обобщения, отличающийся высокой интерпретируемостью результатов обобщения, что очень важно в обучающих системах.

Теоретическая и практическая значимость.

• Сформулированы общие принципы иерархической систематики языка описания аппаратуры цифровых систем VHDL, обеспечивающие целостность множества понятий языка, учитывающие: структурные и поведенческие особенности проектирования, а также особенности организации VHDL-проекта;

• разработан механизм обработки знаний, который может быть реализован в других обучающих системах. Использование разработанного механизма позволит снизить временные и трудозатраты на проведение обучения в автоматизированных обучающих системах;

• система обучения языку УИЭЬ, созданная на основе разработанных концепций, может быть использована как инструмент для обучения проектировщиков, испытывающих недостаток знаний об окружающей среде УИЭЬ-проектов. Система будет особенно полезна тем, кто хотел бы на практике шаг за шагом пройти все стадии "УИЭЬ проектирования. Это позволит качественно повысить уровень выполнения проектных работ в области создания средств вычислительной техники. Ценность разработки подтверждает использование прототипа системы в учебном процессе кафедры электронной и компьютерной техники Дальневосточного государственного технического университета (ДВГТУ), как базовое средство обучения по курсам «Автоматизация инженерного труда» и «Моделирование цифровых систем».

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

• концептуальная модель языка описания цифровой аппаратуры УИЭЬ, обеспечивающая наглядное представление синтаксиса в виде набора графов;

• принципы организации иерархической систематики языка УИЭЬ, позволяющие абстрактно формализовать описание множества экземпляров объекта проекта;

• ассоциативный механизм индуктивного обобщения, как способ обработки знаний, используемый в системе обучения языку "УИЭЬ для реализации стратегии обучения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- Ш-ей международной конференции «Автоматизация проектирования дискретных систем» г. Минск. Институт технической кибернетики, ноябрь, 1999;

- научно-технической конференции «Вологдинские чтения» в ДВГТУ май 2000 г.;

- региональной научно-технической конференции ДВГТУ и ДВО РАН апрель-май 2002 г.;

- Ш-ей международной научно-практической конференции ДВГТУ декабрь 2003;

- научных семинарах кафедры электронной и компьютерной техники ДВГТУ (г.Владивосток 1999-2004 г.г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7

печатных работ, отражающих основные результаты работы.

Объем и структура обусловлены целью и поставленными в диссертационном исследовании задачами. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертационной работы изложено на 153 страницах машинописного текста, иллюстрировано 7 таблицами и 33 рисунками. Библиографический список содержит 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы, представлены положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость полученных результатов, описана структура диссертации.

В первой главе дан обзор языковых средств описания вычислительных устройств. Рассмотрены причины, обеспечившие лидерство языка УИЭЬ, как стандартного средства проектирования, моделирования и документирования аппаратуры.

Рассмотрены этапы создания средств автоматизированного обучения. Выполнен аналитический обзор современного состояния проблем в области разработки обучающих систем (ОС), который показал, что отсутствует практика построения программных средств в области обучения разработке аппаратуры, а тем более языкам описания аппаратуры.

Сделан вывод о необходимости разработки средства, предназначенного для автоматизации обучения языку VHDL.

Проведен анализ концепций построения современных обучающих систем, который показал, что, несмотря на многочисленные исследования и разработки, общепризнанной теории создания ОС не существует, но в тоже время наиболее адекватной является обучающая система, основанная на знаниях.

Сформулирована парадигма создания автоматизированной обучающей системы языку VHDL:

Знания предметной области (модель предметной области МПО) + Знание о деятельности обучаемого + Знание о деятельности обучающего (стратегия обучения) + Решатель (механизм обработки знаний) + Интеллектуальный интерфейс.

Предложена организация концептуальной модели данной предметной области.

Определены основные принципы построения системы обучения языку описания аппаратуры VHDL:

• ориентация на фреймоподобные методы представления знаний о предметной области и организации системы;

• ориентация на методы индуктивного обобщения при реализации механизмов обработки знаний.

В рамках моделей индуктивного обобщения для реализации стратегии обучения и в качестве механизма обработки знаний предложено использовать формализм ассоциативного обобщения. Этот формализм на этапе априорного (предварительного) тестирования обучаемого позволяет на тестовом материале экспертов принимать решения, связанные с выбором вариантов изучения языка VHDL.

Во второй главе в соответствии с предложенной парадигмой ОС выполнена концептуализация предметной области. Рассмотрены подходы к формированию модели предметной области с акцентом на синтаксис языка.

С учетом того, что формирование концептуальной структуры основано на построении иерархии понятий или пирамиды знаний, предложено использовать описанные в форме Бэкуса-Наура (БНФ) синтаксические конструкции для выявления всех значимых концептов VHDL и связей между ними. При использовании формы БНФ описание начинается с объекта самого верхнего уровня, и выполняются правила декомпозиции объектов. В соответствии с этим, использование БНФ не противоречит применению стратегий объектно-структурного проектирования (ОСП) - нисходящей или дедуктивной STRtd (Strategy top-down) с последовательной декомпозицией объектов и индуктивной STRbu (Strategy bottom-up) с постепенным обобщением понятий. Эти стратегии представляют этапы проектирования МПО, заключающиеся в образовании метапонятий и детализации концептов.

Объединение такой организации взаимодействия объектов синтаксических конструкций с учетом основных принципов языка и особенностей построения VHDL-описаний, позволило построить иерархические структуры, отражающие связи между понятиями ПО (рис.1, 2, 3), а полученный набор графов разделить на уровни и построить пирамиду знаний (рис. 4). Такая декомпозиция структурной модели предметной области в виде отдельных диаграмм выполнена с целью удобства и графической визуализации структурных взаимосвязей ПО.

Построена функциональная структура, моделирующая схему рассуждений эксперта, определяющая как осуществляется процесс проектирования VHDL-модели (рис. 5). Сформировано поле знаний данной предметной области.

Рис. 1. Структура, концептуализирующая объект проекта языка VHDL

Рис. 2. Структура, концептуализирующая элементы языка VHDL

Рис. 4. Схема, описывающая отношения между понятиями языка "VHDL

Рис. 5. Дуальная стратегия проектирования VHDL-модели

В третьей главе на основе графической визуализации структурных взаимосвязей предметной области сформулированы общие принципы иерархической систематики (системы классов) языка описания аппаратуры цифровых систем VHDL:

• предметные знания ОС и связи между ними могут быть описаны как несвязанный граф, число компонент связности которого K(G)=3;

• все рассмотренные компоненты связности - это системы с иерархической структурой;

• концептуальная модель описания объекта проекта представлена с помощью особого вида структуры - древовидного графа И/ИЛИ. В этом графе всякая вершина, кроме концевой, имеет либо конъюнктивно связанные дочерние вершины (И-вершина), либо дизъюнктивно связанные - (ИЛИ-вершина). В структуре «Design entity» имеют место, как отношение агрегации, так и отношение обобщения между понятиями;

• компонента связанности - подграф «The element of language», представляет собой таксономическую структуру - иерархию понятий, имеющих структуру дерева. Корень этого дерева неявно содержит все классифицируемые данные, и является примером абстрактного класса, а нетерминальные вершины - определенные классы после выполнения классификации;

• компонент связности «Element of VHDL-model organization» - структура с набором отношений: агрегации, жесткой таксономии и мультииерархической таксономии, в которой отдельное абстрактное понятие является подпонятием нескольких более общих понятий. Так данный компонент связности имеет несколько простых циклов, т.е. таких маршрутов vj, ei, V2, ег,..., e^vi^i , в которых vi = Vk+i (где v;, соответственно номера вершин и дуг, входящих в маршрут). В результате, имеем дело не с деревом, а с графом классификации.

Полученные описания классов языка VHDL, являются дальнейшим развитием концептуальной модели предметной области проектируемой системы.

Созданная система классов объединила множество понятий ПО и обеспечила описание множества экземпляров объектов проекта. В полученной системе реализуются следующие возможности: инкапсуляция, наследование, в том числе, и множественное.

В соответствии с особенностями иерархической систематики, модель ПО формализована в виде иерархии фреймов с набором отношений наследования, агрегации, а также дополнительными специализированными отношениями (следования, релевантности, семантической связности и др.).

Структура фреймов (рис 6) формализует статическую составляющую поля знаний языка VIIDL, при этом отношение наследования показано сплошными стрелками, а агрегация - пунктирными. Каждый узел на этом графе имеет связанную с ним структуру записей. Свойства и отношения, которые кодировались маркировкой связей между понятиями при описании концептуальной модели на рис. 4, в этих записях кодируются с помощью представления слот-заполнитель.

Рис. 6. Принцип построения УИЭЬ-модели, и его отображение в виде системы фреймов

В главе показано, что фреймовая иерархия языка "УИЭЬ имеет неоднозначную структуру, особенностями которой являются: агрегация, жесткая таксономия и гетерархия, и в дополнение к перечисленному - двумерная организация.

Для представления функциональной составляющей поля знаний языка "УИЭЬ, система фреймов дополнена средствами для обмена динамическими знаниями в виде присоединенных процедур, подключенных к структурам данных, обеспечивающих

взаимодействие между разными фреймами структуры. Эти процедуры, подключенные к слотам, отражают динамическую информацию и формализуют функциональную составляющую поля знаний. В результате, использование фреймового формализма обеспечивает аккумуляцию декларативных и процедурных знаний в одной структуре.

В четвертой главе в рамках моделей индуктивного обобщения как механизмов обработки знаний, разработан формализм ассоциативного обобщения.

Формализм индуктивного обобщения, основанный на ассоциативной модели, сформулирован в виде следующих определений.

Совокупность всех признаков, позволяющих идентифицировать понятие, есть схема понятия - бЬшС. Под понятием будем понимать тройку: С=<ех1С, бЬшС, ¡гйО, где ех1:С - экстенсионал, пйС - интенсионал понятия С.

Пару - множество допустимых значений

будем называть фактом.

С,с € ¡ИтС будем называть целью. Целью может быть любой факт Л®, при условии, что признак, характеризующий этот факт - номинальный (классификационный).

Откликом будем называть признак X, е ¡ИтС, предшествующий цели.

Связкой (п-¡)-го порядка относительно цели Счс будем называть совокупность фактов, предшествующих отклику

Ассоциированная цель Л$(Счс) или ассоциация - есть совокупность связок, таких,

что:

= б | = =... = Щ]& С,с: Ч< = <?";с = й т = Сп т * с}

Ассоциация открытая, если г<|0с | ;

Ассоциация ^"(с^)полная,если г=|0с |;

Ассоциация избыточная, если

Для построения механизма ассоциативного обобщения специфицируем введенный формализм следующими ограничениями:

• Экстенсионалы понятий определены на фиксированном множестве X.

• На элементах схемы понятий задано отношение лексикографического порядка для всех где - отношение предшествования.

Все х1 6 {X} 6 5/гтС измерены в слабых шкалах. Иначе говоря, если признак X! представлен всевозможными отображениями (рх, где (р

- множество допустимых преобразований признака, то включает в себя только взаимно-однозначные преобразования.

Поскольку экстенсионал - это реляционная база данных, то построение ассоциативной модели естественно начинать с анализа реляционных отношений, которые, в соответствии с реляционной моделью данных, представлены таблицами. Исходя из этого, совокупность связок можно отобразить последовательностью характеристических таблиц порядка а ассоциации - с помощью табличных описателей

(коннекторов) К(ХТ„-1).

Характеристическую таблицу (.п-1)-ю порядка образуют столбцы соответствующих признаков из схемы понятий и столбец-описатель {коннектор) К(ХТ„.1). Описатель состоит из его имени и кортежа длины в котором каждый элемент представлен именами предшествующих описателей, вплоть до описателей, соответствующих связкам, объединенным по определенным правилам в ассоциацию. Параметр г предопределен

мощностью множеств йс

Правила построения ассоциаций заключаются в следующем. Если К(ХГ„.1) исходная характеристическая таблица базы данных (БД), последний столбец которой есть то всех последующих характеристических таблицах последним столбцом

должны быть описатели, полученные на предыдущем шаге. Из этого следует, что цели Счс соответствуют описатели, характеризующие таблицу, ХТ„ , поскольку последующие шаги отсутствуют.

Таким образом, реализацию ассоциативного механизма можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 7. В соответствии с этой схемой ассоциативный механизм строится в два этапа.

Первый этап. Анализируется последовательность характеристических таблиц, ХТ„, ХТ„.1 ХТI (рис. 7.а). Смысл анализа и логической обработки XI последовательно уменьшающегося порядка заключается в следующем.

Рис. 7. а). Схема «выращивания» описателей и б), построение ассоциативного графа 1. Схема понятий эЬтС разбивается на две части - связку (п-г)-го порядка .!>„_/ и отклик х„_(41

р€ Ес

2. Если хотя бы для пары примеров ее £ при одинаковых связках (п-р-го порядка изменение значения отклика вызывает изменение значения цели или описателя, то этот отклик должен быть сохранен; в противном случае он исключается из рассмотрения.

3. П.п. 2 следует выполнить для всех примеров из характеристической таблицы (п-г)-го порядка. Если для какого-либо примера и значения ее Ес нет других примеров с той же связкой, то оставляется связка этого примера и значение цели или описателя.

4. При «выращивании» описателей следует придерживаться следующих правил:

4.1. Разным по значениям компонент кортежам присваиваются разные имена.

4.2. Описатели с одинаковыми кортежами в пределах одной ХТ именуются одним и тем же именем. Идентичные описатели данной таблицы достаточно фиксировать один раз, без дублирования.

4.3. Одинаковые описатели, в случае, когда они встречаются в таблицах разного порядка, следует именовать разными именами.

4.4. Описатели, в которых значения всех компонент одинаковы, именуются тем же именем (номером). При этом п.п. 4.3. выполнять не следует. Правила 4.1. - 4.4. необходимо соблюдать как в случае полных, так и в случае открытых ассоциаций. Соблюдение правила 4.2 дает возможность избежать дублирования ассоциаций. Нарушение правила 4.3. приведет к потере информации и внесению ошибок. Правило 4.4. позволяет исключить избыточность ассоциаций.

Процедура построения и анализа последовательности характеристических таблиц заканчивается, когда будет построена ХТ первого порядка, содержащая всего один описатель для первого, в соответствии с лексикографическим порядком, признака х € ¡ИтС.

Второй этап. На втором этапе осуществляется построение графа с использованием описателей (рис. 7.6), выделенных при анализе последовательности характеристических таблиц. Каждому такому описателю в графе соответствует куст, состоящий из входной вершины и выходящих из нее дуг, соединенных с другими вершинами.

Построение графа начинается с куста для признака х]. Имя входной вершины этого куста является началом графа и располагается на первом уровне. Имена выходных вершин начального куста располагаются на уровнях тех признаков, для которых они являются входными вершинами. Для определения номера очередного уровня достаточно определить, какому признаку-отклику соответствует описатель с соответствующими значениями элементов кортежа. Вершины одного уровня располагаются сверху вниз согласно монотонно возрастающим значениям ассоциированного с предыдущей вершиной признака. Если имена описателей на одном уровне повторяются, дальнейшее построение проводится только для одной из одинаковых вершин, в которую будут входить уже две и более дуг.

Построение графа заканчивается, когда выходным вершинам ставятся в соответствие значения цели - эти вершины являются терминальными. Приписав всем вершинам, кроме конечных, отклики, которым соответствуют имена этих вершин, получим окончательный вид ассоциативного графа. Содержательно полученный граф является средством компактного описания тех закономерностей в обучающей последовательности , которые определяют сложную зависимость между группами признаков и классификационным понятием-целью. Он отображает механизм индуктивного обобщения описаний разных понятий, экстенсионалы которых образуют базу данных.

Отличительной особенностью рассмотренного формализма является то, что он может быть реализован в рамках любой из трех парадигм представления и обработки знаний: 1) логической и продукционной; 2) структурной; 3) функциональной.

Введенное ограничение, связанное с заданием лексикографического порядка на элементах схемы понятий, позволяет строить одну единственную ассоциативную схему. Если это ограничение не выполняется, возникает проблема многообразия синтезируемых ассоциаций, которая предопределена числом признаков, образующих схемы понятий. Разрешение этой проблемы возможно с помощью метода редукции характеристических таблиц порядка п градиентным спуском.

Структура ассоциативного графа позволяет проследить связи между причинами: вошедшими в граф признаками и следствиями (ситуациями, понятиями). Так как ассоциативная схема содержит обобщения (эмпирические закономерности), то появляется возможность определить зависимость между причинами и следствиями для новых объектов (примеров, не вошедших в обучающую последовательность).

Зафиксированные в ассоциативном графе эмпирические закономерности представляют собой гипотезы о причинно-следственных связях.

Таким образом, формализм индуктивного обобщения на языке ахоциативных моделей имеет следующие особенности:

• обеспечение мощных механизмов накопления и обработки информации, хранящейся в базе знаний о предметной области и ее фрагментах;

• высокую интерпретируемость результатов обобщения, что является очень важным в обучающих системах.

Кроме того, разработанный формализм, обеспечивает возможность извлечения вариантов знания из базы данных и структурированного описания предметной области без дублирования информации и возникновения противоречий, и вместе с тем позволяет путем использования процедур, аналогичных логическому выводу и основанных на правилах наследования признаков, произвести ее конкретную обработку.

Рассмотренная идея использована для реализации стратегии обучения в ОС языку VHDL. Формализм ассоциативного обобщения позволил путем обучения на тестовом материале экспертов принимать решения, связанные с рекомендациями вариантов изучения языка VHDL в зависимости от результатов априорного тестирования обучаемого.

В главе предложена система фреймов (фрейм обучающего, фрейм обучаемого, фрейм ассоциативного механизма и фрейм интерфейса), формализующая работу обучающей системы. В слотах фреймов содержатся данные, процедуры-демоны (выполняемые при присваивании слоту значения) и процедуры-запросы, выполняемые, когда требуется узнать значение слота.

Модель обучающего состоит из статической составляющей, представленной в виде фреймовой системы, формализующей предметную область. Динамическая составляющая состоит из предметно-независимых знаний о стратегии обучения и контроле знаний. Это в основном знания процедурного характера.

Модель обучаемого представлена в виде набора значений слотов фреймов, отвечающих за различные этапы контроля знаний. Эти слоты заполняются в результате априорного, промежуточного (на этапе обучения) и апостериорного (завершающего) тестирования.

Для реализации ассоциативного механизма, в главе предложен подход, при котором реляционная база данных экспертов используется для задания некоторых атрибутов (исходных данных) решаемой задачи в виде значений слотов фреймов и семейства фреймов специального вида, которые затем используются таким образом для выполнения интеллектуальных заключений относительно содержащихся в базе данных сведений. Экстенсионал понятия представлен ^примерами, предложенными экспертами предметной области. В нашем случае это задания экспертов в области проектирования аппаратуры на основе использования языка VHDL. Экстенсионал или фрейм-класс реляционной таблицы позволяет представить реляционное отношение в

качестве семейства фреймов с общим родителем. Слоты фреймов именуются в соответствии с метаданными, именами столбцов отношения. Ассоциативный механизм представлен в виде иерархии фреймов. Каждый из последующих уровней в иерархии фреймов наследует процедуры родительского фрейма. К слоту фрейма, находящегося на самом нижнем уровне подключена процедура: демон добавления, который осуществляет построение ассоциативного графа. Раскрытие вершин синтезированного ассоциативного графа приводит к однозначному ответу и указывает, к какой категории сложности относится тестовое задание.

В соответствии с выбранной категорией модуль обучаемого определяет вариант прохождения учебного курса. Демон выборки, присоединенный к слоту фрейма обучающего, вызывает предметные знания из модуля ПО, соответствующие варианту учебной последовательности, и предоставляет их обучаемому. Такой подход основан на имитации поведения преподавателя, определяющего кого, как и сколько учить. Только здесь эту проблему решают эксперты ПО, а обучающий лишь предоставляет последовательность предметных знаний.

В отличие от предыдущих фреймов, содержащих конкретные значения атрибутов и использующих функциональность родительского фрейма, фрейм «Интерфейс» определяет

только функциональность в виде набора процедур, описывающих протокол обмена между фреймами обучающего и обучаемого.

В пятой главе в целях проверки применимости предложенных теоретических положений разработан прототип системы обучения языку VHDL.

Для программной реализации ОС выбрана объектно-ориентированная парадигма программирования (ООП). В соответствии с ОПП для реализации этапов жизненного цикла программы разработаны логическая модель в виде описания классов (спецификация данных) и диаграмма деятельности (activity diagram) системы, графическая нотация которой представлена на рис. 8., детализирующие особенности логической и алгоритмической реализации выполняемых операций.

Обучающая система включает в себя контроль знаний, который обеспечивается с помощью, априорного, промежуточного и апостериорного тестирования; интеллектуальную навигацию по гипертексту, а также выбор варианта гипертекста, который обеспечивается реализацией механизма ассоциативного обобщения, позволяющего на основе определения категории сложности задания, однозначно определить последовательность изложения учебного курса. В результате система предоставляет обучаемому учебный материал в оптимальном порядке, то есть только то, что обучаемый не знает. Это позволяет избежать предоставления полного объема учебного материала, исключить бесконтрольную навигацию по учебному курсу, и таким образом, сократить время на обучение.

В главе представлена структура (рис. 9.), описаны интерфейс и основные принципы работы с системой.

Два основных модуля системы - модуль обучаемого и модуль обучающего. Взаимодействие между ними осуществляет модуль «Интерфейс».

Центральное место в структуре занимает модуль обучающего. В состав этого модуля входят:

• Подсистема контроля знаний;

• Подсистема обучения.

Подсистема контроля знаний включает:

• Модуль априорного тестирования;

• Модуль промежуточного тестирования;

• Модуль апостериорного тестирования;

• Базу данных тестов.

Результаты выполнения работы каждым модулем подсистемы фиксируются в базе данных обучаемого.

Подсистема обучения состоит из:

• Модуля, реализующего стратегию обучения;

• Модуля, управляющего контролем знаний;

• Модуля предметной области (МПО);

• Модуля, управляющего предметной областью;

• Модуля ассоциативного механизма.

Обе подсистемы управляются основной базой знаний. В состав модуля ассоциативного механизма входят:

• База данных экспертов ПО;

• База знаний, управляющая работой модуля.

Модуль ассоциативного механизма определяет категорию сложности тестового задания и таким образом система реализует стратегию обучения.

В состав модуля обучаемого входит база данных, которая заполняется в процессе тестирования обучаемого.

Рис. 8. Диаграмма деятельности системы (Activity Diagram)

Рис. 9. Структура обучающей системы языку VHDL Обучающая система языку VHDL реализована в среде Borland C# Builder 1.0 (C++) и рассчитана на пользователя, знакомого с основами теории логических схем, с логическим и функционально-логическим моделированием цифровых устройств, элементами архитектуры и организации компьютеров, программированием на языке высокого уровня. Система предназначена для интеллектуальной поддержки и обучения инженеров, а также специалистов, занимающихся разработкой вычислительных систем с использованием языка описания аппаратуры VHDL.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Впервые сформировано поле знаний языка VHDL, сочетающее наглядное представление предметной области в виде графов и дуальную стратегию проектирования VHDL-модели;

2. На основе концептуальной модели впервые сформулированы общие принципы иерархической систематики языка VHDL, позволяющие обобщить все модели представления объекта проекта;

3. Впервые разработана система для автоматизации обучения языку VHDL, позволяющая на основе предложенных моделей, оптимизировать выработку

концептуальных знаний у пользователя; отличающаяся от известных, использованием ассоциативного механизма индуктивного обобщения, как средства для реализации стратегии обучения. Разработанная система обучения языку VHDL может:

• использоваться как инструмент для обучения проектировщиков, испытывающих недостаток знаний об окружающей среде VHDL-проектов;

• снизить временные и трудозатраты при подготовке специалистов, занимающихся разработкой вычислительной техники.

4. Впервые для реализации стратегии обучения использован формализм ассоциативного обобщения, основанный на «выращивании» коннекторов и построении ассоциативного графа, позволяющий путем обучения на тестовом материале экспертов принимать решения, связанные с рекомендациями вариантов изучения языка VHDL в зависимости от результатов априорного тестирования обучаемого. Упомянутый формализм отличается от существующих возможностью реализации в рамках любой из трех парадигм представления и обработки знаний:

• логической и продукционной;

• структурной;

• функциональной,

а также высокой интерпретируемостью результатов обобщения, что является очень важным в обучающих системах. Разработанный формализм позволит создавать на его основе обучающие системы, ориентированные не только на работу с языками описания аппаратуры, но и с другими ПО, кроме того, он может быть реализован не только в обучающих системах, но и в других системах, основанных на знаниях.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Moskalenko Y., Pavlenko G. The associative mechanism inductive generalization in knowledge bases systems. Kangnam University Republic of Korea. Pacific Science Review. Volume one. 1999. с 33-36.

2. Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Ассоциативный механизм индуктивного обобщения в системах баз знаний. «Автоматизация проектирования дискретных систем». Материалы 3-ей международной конференции г. Минск, Институт технической кибернетики, ноябрь, 1999. т.2. с 152-157

3. Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Априорное и апостериорное тестирование в обучающих системах. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции «Вологдинские чтения» г. Владивосток, ДВГТУ, июнь, 2000. с. 27-30.

4. Павленко Г.Ф. Основные принципы построения обучающей системы языку VHDL. Сборник тезисов докладов Региональной научно-технической конференции г.Владивосток, ДВО РАН и ДВГТУ, май, 2002. с. 18-19

5. Шаршунов С.Г., Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Концептуальная модель языка описания аппаратуры VHDL. Препринт. ИАПУ ДВО РАН. Владивосток. 2002. 43 с.

6. Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Основная парадигма и принципы организации обучающей системы языку описания аппаратуры VHDL. «Проблемы открытого образования». Материалы 3-ей международной научно-практической конференции г. Владивосток, ДВГТУ, 2003. с. 162-171.

7. Павленко Г.Ф. Общие принципы иерархической систематики языка VHDL. Сборник трудов ДВГТУ, № 138,2004. с.37-45.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве, заключается в следующем. В работах [1,2] автору принадлежит разработка формализма индуктивного обобщения, основанного на ассоциативной модели, в работе [5] - идея графической визуализации синтаксических конструкций языка VHDL, в работах [3, 6] автором предложены принципы организации системы обучения языку VHDL с использованием механизма ассоциативного обобщения на стадии априорного тестирования для реализации стратегии обучения.

Павленко Галина Федоровна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБУЧЕНИЯ ЯЗЫКУ ОПИСАНИЯ АППАРАТУРЫ

VHDL

Автореферат

Формат60x84/16. Тираж 100 экз. Заказ № 48

Отпечатано в типографии ТРТУ, ГСП 17А Таганрог, ул. Энгельса, 1

л

I

if

2 2 ГИДР 2005 \ 11 I J

щ ВВЕДЕНИЕ.

1 Аналитический обзор современных языковых средств описания аппаратуры и существующих систем обучения.

1.1 Обзор языков описания аппаратуры.

1.1.1 Этапы разработки языков описания аппаратуры.

1.1.2 Сравнительная характеристика (анализ) языков описания аппаратуры.

1.1.3 Языки моделирования многоуровневых проектов с формализованной семантикой. Особенности языка VHDL.

1.2 Анализ современных обучающих систем.

1.2.1 История вопроса.

1.2.2 Модели представления знаний в обучающих системах.

1.2.3 Учебные структуры знаний.

Щ 1.2.4 Методы обработки знаний в обучающих системах.

1.2.4.1 Таблицы решений.

1.2.4.2 Индуктивное обобщение.

1.2.5 Инструментальные средства разработки обучающих систем.

1.3 Формулировка и обоснование основных принципов построения системы обучения языку описания аппаратуры VHDL.

1.3.1 Инвариантность проекта VHDL относительно конкретного физического способа реализации.

1.3.2 Поддержка различных уровней абстракции и детализации представления проекта.

1.3.3 Основная парадигма и принципы организации обучающей системы языку VHDL

1.3.4 Адекватные модели представления и эффективные методы обработки знаний в системе обучения языку VHDL.

1.4 Выводы к главе 1.

2 Концептуализация знаний о языке описания аппаратуры VHDL.

2.1 Объект проекта.

2.2 Описание тела. Общая характеристика.

2.2.1 Структурное описание.

2.2.2 Поведенческое описание.

2.2.2.1 Модель времени в VHDL.

2.2.2.2 Потоковое описание.

2.2.2.3 Процедурное описание.

2.3 Основные элементы языка VHDL.

2.3.1 Сигналы, переменные, константы.

2.3.2 Типы и подтипы данных.

2.3.3 Выражения и операции.

2.3.4 Операторы управления.

2.3.5 Регулярные описания.

2.3.6 Атрибуты.

2.3.7 Утверждения. Операторы контроля.

2.4 Организация проекта.

2.4.1 Подпрограммы. Функции и процедуры.

2.4.2 Блоки и процессы.

2.4.3 Параллельные и последовательные операторы.

2.4.3.1 Параллельные операторы.

2.4.3.2 Последовательные операторы.

2.4.4 Пакеты.

2.4.5 Конфигурации.

2.4.6 Модули проекта и библиотеки.

2.5 Построение пирамиды знаний.

2.6 Поле знаний языка VHDL.

2.7 Выводы к главе 2.

3 Отображение концептуальной структуры VHDL как объекта обучения средствами фреймового формализма.

3.1 Общие принципы иерархической систематики и формализации языка VHDL.

3.2 Особенности фреймовых систем.

3.3 Структура и организация предметных фреймов.

3.4 Примеры фреймового представления описания аппаратурных блоков.

3.5 Выводы к главе 3.

4 Исследование и разработка механизмов обработки знаний.

4.1 Модификация механизма индуктивного обобщения на основе частичных прецедентов.

4.2 Ассоциативный механизм вывода.

4.3 Инвариантные ассоциативные схемы (Решение проблемы выбора ассоциативных схем).

4.4 Метапроцедура обучения.

4.4.1 Организация работы системы обучения.

4.4.2 Формализация и организация взаимодействия предметных и служебных знаний

4.5 Выводы к главе 4.

5 Реализация системы обучения.

5.1 Логическое и физическое моделирование системы.

5.1.1 Выбор программного инструментария для разработки системы.

5.1.2 Спецификация данных.

5.1.3 Диаграмма деятельности системы (Activity Diagram).

5.2 Структура системы.

5.2.1 Описание структуры.

5.2.2 Основные компоненты интерфейса обучающей системы.

5.3 Выводы к главе 5.

Актуальность. Одним из этапов проектирования средств вычислительной техники является разработка электрических схем. По закону Мура [95] каждые 18 месяцев число транзисторов в кристалле СБИС1 увеличивается вдвое: на одном кристалле размещаются миллионы элементов, и разработка таких устройств уже не может осуществляться с помощью традиционных методов проектирования -ручного переноса описания проекта в набор логических уравнений.

В соответствии с возрастающей степенью интеграции и необходимостью как можно дольше работать с проектом на абстрактном формальном уровне, появились новые концепции описания проекта, которые привели к разработке специального инструментария для автоматизации проектирования цифровой техники. Это позволило создавать аппаратуру в достаточно короткие сроки, используя только рабочую станцию и специализированное программное обеспечение.

Таким специализированным программным обеспечением являются языки описания аппаратуры (ЯОА, HDL, hardware description languages), покрывающие основные понятия, существенные для проектирования вычислительных устройств (ВУ). В общей сложности создано уже более сотни ЯОА, но стандартом в области проектирования ВУ стал язык VHDL (Very high speed integrated circuits Hardware Description Language) [66].

С утверждением стандарта VHDL, любая разработка и документирование аппаратуры и алгоритмов функционирования дискретной системы должны сопровождаться описанием на языке VHDL, т.е. VHDL-описание является:

- неотъемлемой частью документации и для разработчика, и для заказчика;

- формальной записью, которая может быть использована на всех этапах разработки электронных, в том числе вычислительных, систем.

С учетом того, что между VHDL-моделью и реализацией проектируемой вычислительной системы (ВС) существует изоморфизм, то VHDL можно рассматривать как основное средство проектирования, документирования и эффективного моделирования ВС от уровня вентилей до уровня цифровых систем.

Язык разрабатывается независимо от технологии, методологии и среды проектирования и может быть ориентирован в направлении изменяющихся информационных потребностей систем автоматизированного проектирования (САПР). Кроме того, на базе подмножеств средств языка VHDL создаются системы, которые дополняют и расширяют функциональные и семантические возможности VHDL-конструкций в конкретных областях проектирования. В настоящее время существует большое число пакетов и систем проектирования, использующих VHDL. Одни из них относятся к промышленным (COMPASS, CADENCE, TANNER, SMASH, SYNOPSYS, Mentor Graphics, Workview Office), другие — к университетским (ALLIANCE, AMICAL, VANTAGE). Характерным для них являются: интерактивные средства моделирования с многооконным редактором, большой набор утилит, ориентированных на поддержку

1 Сверхбольшая интегральная схема коллективной работы. Все они, как правило, работают под ОС UNIX и реализованы на станциях типа SUN и др.

Интерес к VHDL в США, Европе, а в настоящее время и в странах АТР огромен, в силу особой роли, возлагаемой на язык. Его применение переросло как потребности оборонной промышленности, так и технологические особенности VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits, Сверхбыстродействующие ИС). Созданы американская (VHDL Users Group) и европейская (VHDL-Forum) группы, занимающиеся всем комплексом вопросов, связанных с применением и развитием VHDL. Спонсорами работ по развитию VHDL являются: Air Force Wright Aeronautical Laboratories, Avionics Laboratory, Air Force Systems Command, United States Air Force, Wright-Patterson Air Force Base.

В нашей стране работы по языку VHDL поддерживаются Российским научно-исследовательским институтом информационных систем (РосНИИИС), Московским институтом электронного машиностроения (кафедра «Специализированные вычислительные комплексы» МИЭМ), Томским техническим университетом и Международным центром по информатике и электронике [52] и, только еще предполагается (!) ввести документирование на VHDL как обязательную составляющую технической документации на изделия [16].

Из вышеизложенного следует, что распространение VHDL в нашей стране - весьма ограниченно. Это не позволяет унифицировать используемые средства и качественно повысить уровень проектных работ в области создания средств вычислительной техники; сделать доступными для применения множество коммерческих систем, разработанных ведущими компаниями мира.

В результате, налицо два противоречащих друг другу фактора: с одной стороны рост потребностей в создании проектов, соответствующих международным стандартам, с другой стороны - недостаточное развитие методов разработки, обеспечивающих высокий уровень и качество проектирования вычислительной техники. По-видимому, главная причина слабого внедрения VHDL в практику разработки ВУ, заключается в недостаточном количестве подготовленных специалистов в области проектирования аппаратуры с использованием ЯОА. Особенно ощутимо это в Дальневосточном регионе, так как ближайший «пункт» поддержки VHDL, как следует из вышеизложенного, -Томский технический университет. Кроме того, в силу многоуровневости описания, ориентированного на синтаксис языка ADA, а также существенного отражения динамики функционирования объектов [60], язык VHDL весьма сложен для освоения. В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы разработки средств, предназначенных для автоматизации обучения языку описания аппаратуры VHDL. В контексте проектирования автоматизированных обучающих систем актуальной является тематика исследований, затрагивающих как создание новых' форм представления и способов хранения знаний, так и новых стратегий изучения учебного материала (learning strategies) [26].

Целью диссертационной работы является исследование методов организации системы для автоматизации обучения языку описания аппаратуры VHDL на основе общих принципов иерархической систематики языка, и разработка механизма обработки знаний в рамках моделей индуктивного обобщения, используемого для реализации стратегии обучения.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи: анализ ЯОА, выделение преимуществ VHDL перед другими языками описания аппаратуры; анализ тенденций развития существующих автоматизированных обучающих систем; формирование поля знаний языка VHDL; формализация концептуальной модели языка VHDL; исследование и разработка механизмов обработки знаний; разработка организации обучающей системы; внедрение разработанного формализма в систему для реализации стратегии обучения; реализация теоретических положений в системе, предназначенной для использования в качестве инструмента обучения языку описания аппаратуры VHDL.

Методы исследования основаны на использовании теории множеств, теории графов, комбинаторики, методах инженерии знаний, а также на современных методологиях построения программных комплексов и систем. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит:

1. Предложена концептуальная модель языка описания аппаратуры цифровых систем VHDL, объединившая множество понятий языка и обеспечившая наглядное представление синтаксиса в виде набора графов.

2. На основе концептуальной модели впервые разработаны принципы организации иерархической систематики языка VHDL, позволяющие абстрактно формализовать описание множество экземпляров объекта проекта.

3. Впервые разработана система для автоматизации обучения языку VHDL, позволяющая на основе предложенных моделей, оптимизировать выработку концептуальных знаний у пользователя; отличающаяся от известных, использованием ассоциативного механизма индуктивного обобщения, как средства для реализации стратегии обучения.

- 4. Разработан механизм обработки знаний в рамках моделей индуктивного обобщения, отличающийся высокой интерпретируемостью результатов обобщения, что очень важно в обучающих системах.

Теоретическая и практическая значимость. сформулированы общие принципы иерархической систематики языка описания аппаратуры цифровых систем VHDL, которые могут быть использованы при разработке программных средств для автоматизации обучения языкам описания цифровой аппаратуры; разработан механизм обработки знаний, который может быть реализован в других обучающих системах.

Использование разработанного механизма позволит снизить временные и трудозатраты на проведение обучения в автоматизированных обучающих системах; система обучения языку VHDL, созданная на основе разработанных концепций обработки знаний, может быть использована как инструмент для обучения проектировщиков, испытывающих недостаток знаний об окружающей среде VHDL-проектов. Система будет особенно полезна тем, кто хотел бы на практике шаг за шагом пройти все стадии VHDL проектирования. Это позволит качественно повысить уровень выполнения проектных работ в области создания средств вычислительной техники в Дальневосточном регионе.

Ценность разработки подтверждает использование прототипа системы в учебном процессе кафедры Электронной и компьютерной техники Дальневосточного государственного технического университета (ДВГТУ), как базового средства обучения по курсу «Автоматизация инженерного труда»;

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся: концептуальная модель языка описания цифровой аппаратуры VHDL; принципы организации иерархической систематики языка VHDL; ассоциативный механизм индуктивного обобщения, как способ обработки знаний в системе обучения языку VHDL.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Ш-ей международной конференции «Автоматизация проектирования дискретных систем» г. Минск. Институт технической кибернетики, ноябрь, 1999, на научно-технической конференции «Вологдинские чтения» в ДВГТУ май 2000 г., на региональной научно-технической конференции ДВГТУ и ДВО РАН апрель-май 2002 г. и на Ш-ей международной научно-практической конференции ДВГТУ декабрь 2003. Работа прошла обсуждение на семинарах кафедры электронной и компьютерной техники ДВГТУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, отражающих основные результаты диссертации.

Объем и структура обусловлены целью и поставленными в диссертационном исследовании задачами. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 153 страницах машинописного текста, иллюстрировано таблицами и рисунками. Библиографический список содержит 97 наименований.

5.3 Выводы к главе 5

В пятой главе описана модель полнофункциональной ОС языку описания цифровой аппаратуры VHDL.

Основными особенностями разработанного программного средства являются:

• Обеспечивается обучение языкам описания аппаратуры;

• На основе использования ассоциативного механизма осуществляется выбор обучающей последовательности: учебный материал предоставляется обучаемому в таком порядке, который позволяет исключить бесконтрольную навигацию по учебному курсу, и таким образом, сократить время на обучение;

• В рамках организации контроля знаний созданы базы данных тестов и ассоциативная база знаний экспертов, реализующие:

Проведение априорного тестирования, и промежуточного тестирования в соответствии с адаптивной схемой;

Выбор категории сложности обучающей последовательности на основе использования ассоциативного механизма.

Обучающая система языку описания цифровых схем VHDL рассчитана на пользователя, знакомого с основами теории логических схем, с логическим и функционально-логическим моделированием цифровых устройств, элементами архитектуры и организации компьютеров, программированием на языке высокого уровня.

Система предназначена для интеллектуальной поддержки и обучения инженеров, а также специалистов, занимающихся разработкой вычислительной техники с использованием языка описания аппаратуры VHDL.

Прототип разработанного программного средства используется в Дальневосточном государственном техническом университете на кафедре электронной и компьютерной техники в качестве базового средства обучения по курсу «Автоматизация инженерного труда»;

Фрагменты программного кода представлены в приложении.

Заключение

К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Впервые сформировано поле знаний языка VHDL, сочетающее наглядное представление предметной области в виде графов и дуальную стратегию проектирования VHDL-модели;

2. На основе концептуальной модели впервые сформулированы общие принципы иерархической систематики языка VHDL, позволившие обобщить все модели представления объекта проекта;

3. Впервые разработана система для автоматизации обучения языку VHDL, позволяющая на основе предложенных моделей, оптимизировать выработку концептуальных знаний у пользователя; отличающаяся от известных, использованием ассоциативного механизма индуктивного обобщения, как средства для реализации стратегии обучения. Разработанная система обучения языку VHDL может:

• использоваться как инструмент для обучения проектировщиков, испытывающих недостаток знаний об окружающей среде VHDL-проектов;

• снизить временные и трудозатраты при подготовке специалистов, занимающихся разработкой вычислительной техники.

4. Впервые для реализации стратегии обучения использован формализм ассоциативного обобщения, основанный на «выращивании» коннекторов и построении ассоциативного графа, позволяющий путем обучения на тестовом материале экспертов принимать решения, связанные с рекомендациями вариантов изучения языка VHDL в зависимости от результатов априорного тестирования обучаемого. Упомянутый формализм отличается от существующих возможностью реализации в рамках любой из трех парадигм представления и обработки знаний:

• логической и продукционной;

• структурной;

• функциональной, а также высокой интерпретируемость результатов обобщения, что является очень важным в обучающих системах. Разработанный формализм позволит создавать на его основе обучающие системы, ориентированные не только на работу с языками описания аппаратуры, но и с другими ПО, кроме того, он может быть реализован не только в обучающих системах, но и в других системах, основанных на знаниях.

1. VHDL для моделирования, синтеза и формальной верификации аппаратуры. М., Радио и связь, 1995.

2. Аванесов B.C. Современные методы обучения контролю знаний. -Владивосток, 1999.

3. Апатова Н.В. Информационные технологии в школьном образовании. М.: РАН, 1994.-227 с.

4. Армстронг Дж. Моделирование цифровых систем на языке VHDL. М., Мир, 1992.

5. Астанин СВ. Сопровождение процесса обучения на основе нечеткого моделирования Таганрог. Изд. ТРТУ, 2001

6. Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии. СПб.: Питер, 1997.

7. Бен-Ари М. Языки программирования: практический сравнительный анализ. -М., Мир, 2000. 336 с.

8. Бибило П.Н. Основы языка VHDL. М., Радио и связь, 2001. 200 с

9. Брусенцов Н.П., Маслов С.П., X. Рамиль Альварес. Микрокомпьютерная система обучения «Наставник». Наука, М.: 1990.

10. Брусиловский П.JI. Интеллектуальные обучающие системы // Информатика. Информационные технологии. Средства и системы, 1990. №2. С. 3-22.

11. Брусиловский П.Л. Построение и использование моделей обучаемого в интеллектуальных обучающих системах. // Техническая кибернетика. 1992. №5. С. 97-112.

12. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++., 2-е изд. М.: Изд-во «БИНОМ» СПб: «Невский диалект», 1998.

13. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб: Питер, 2000.

14. Галеев И.Х. Модели и методы построения автоматизированных обучающих систем (обзор) // Информатика. Научно-технический сборник. Серия Кадровое обеспечение. Выпуск 1. -М.: ВМНУЦВТИ, 1990. с.64-72.

15. ГОСТ Р50 754-95. Язык описания цифровых систем VHDL. - М.: Госстандарт, 1995.

16. Дейтел Х.М., П. Дж. Дейтел. Как программировать на С++.- М.: Изд-во «БИНОМ», 1999,- 1024 с.

17. Джексон П. Введение в экспертные системы.: Пер. с англ.: М.: Издат. Дом «Вильяме», 2001. - 624 с.

18. Довгялло А.М., Ющенко Е.Л. Обучающие системы нового поколения // УСиМ. 1988. - №1 - с. 83-86.

19. Йордон Э. , Аргила К. Структурные модели в объектно-ориентированном анализе и проектировании: Пер. с анагл. М.: «ЛОРИ», 1999. - 264 с.

20. Искусственный интеллект. Методы и модели: Справочник. Т. 1/Под ред. Д А. Поспелова М.: Наука, 1990.

21. Карпова И.П. Исследование и разработка подсистемы контроля знаний в распределенных автоматизированных обучающих системах. // Диссертация на соискание звания канд. техн. наук по специальности 05.13.11. М.: МГИЭМ, 2002. - 176 с.

22. Компьютерные системы обучения. Вопросы дидактического программирования. № 1. Под ред. Кривицкого Б.Х. Изд. ГПНТБ, «Знание», 1993.

23. Компьютерные системы обучения. Вопросы дидактического программирования. № 6. Под ред. Кривицкого Б.Х. Изд. ГПНТБ, «Знание», 1993.

24. Кривошеее А.О. Разработка и использование компьютерных обучающих программ//Информационные технологии, 1996. №2. С. 14-18.

25. Кривошеее А.О., Фомин С.С. Конкурс «Электронный учебник» /В кн. «Компьютерные технологии в высшем образовании»/ Ред. кол. А.Н. Тихонов, В.А. Садовничий и др. Изд-во Моск. Ун-та, 1994 264-268 с.

26. Ларичев О.И., Мечитов А.И., Мошкович Е.М. Фуремс Е.М. Выявление экспертных знаний (процедуры и реализации) М.: Наука, 1989. - 128 с.

27. Леоненков А. В. Самоучитель UML. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 304 с.

28. Ле Фаоу К., Мермье Ж. Введение графов перехода языка CASCADE в язык VHDL. В кн.: VHDL для моделирования, синтеза и формальной верификации аппаратуры. Под ред. В. М. Михова. М., Радио и связь, 1995. -с. 323-341.

29. Матрос Д.Ш. Электронная модель школьного учебника // Информатика и образование. 2000. - № 8. - С. 41 - 42.

30. Машбиц Е. И. Компьютеризация обучения: проблемы, перспективы. М., Знание, 1986. 88 с.

31. Машбиц Е. И. Психологические основы управления учебной деятельностью. Киев, Высшая школа, 1987. 223 с.

32. Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. -М.: Педагогика, 1988. — 191 с.

33. Минский М. Фреймы для представления знаний: Пер. с англ. М: Энергия, 1979.

34. Михеева Т.И., Михеенков И.Е. Программная таксономия основа для создания гипермедийных обучающих программ // Информационные технологии. - 1998. - № 8. - С. 40 - 43.

35. Морозевич А.И., Комличенко ВН., Гедранович В.В. Стратегия автоматизации управления познавательной деятельностью на основе информационной модели образовательного процесса // Информационные технологии, 2000,№ 5 с. 47-52.

36. Москаленко Ю.С. Ассоциативный механизм извлечения вариантов знаний в интеллектуальных справочниках. XXXVII научно-техническаяконференция. Тезисы докладов. Владивосток: ДВГТУ, 1997, с. 25-26.

37. Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Kangnam University Republic of Korea and Far-Eastern State Technical University Russia. Pacific Science Review. Volume one. 1999г. с. 33-36.

38. Москаленко Ю.С., Николаев А.В. Редукция данных. Логико-комбинаторный подход. Владивосток: ДВОРАН, 1989, с. 116.

39. Москаленко Ю.С., Шаршунов С.Г., Павленко Г.Ф. Априорное и апостериорное тестирование в обучающих системах. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции «Вологдинские чтения» 2000. с 27-30.

40. Новиков Ф. А. Дискретная математика для программистов. СПб.: Питер, 2001.-304 с.

41. Околелов О. В. Электронный учебный курс. //Высшее образование в России. 1999. №4.

42. Павленко Г.Ф. Основные принципы построения обучающей системы языку VHDL. Сборник тезисов докладов Региональной научно-технической конференции г. Владивосток, ДВГТУ и ДВО РАН, май, 2002.

43. Павленко Г.Ф. Общие принципы иерархической систематики языка VHDL. Сборник трудов ДВГТУ, 2004.

44. Петрушин В.А. Экспертно-обучающие системы. Киев: Наукова думка, 1992.

45. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект основа новой информационной технологии. «Наука», 1998.

46. Поспелов Г.С. Экспертные системы. Принципы работы и примеры. М.: «Радио и связь», 1987

47. Построение экспертных систем: Пер. с англ /Под ред. Ф. Хейеса-Рота, Д. Уотермана, Д. Лената. М.: Мир, 1987

48. Стешенко В. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов — М.: Додэка, 2000.

49. Стешенко В. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов // Компоненты и технологии, №3-8, 2000, № 1-4, 2001.

50. Талызина Н.Ф., Габай Т.В. Пути и возможности автоматизации учебного процесса. М., 1977. 412 с.

51. Тихомиров O.K. Основные психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. Вопросы психологии. 1986 № 5. с. 67-69.

52. УинстонП. Искусственный интеллект: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 519 с.

53. Уэно X., Кояма Т., Окамото Т., Мацуби Б., Исидзука М. Представление и использование знаний: Пер. с япон. М.: Мир, 1989.

54. Холдинг Д., Голдстейн Н., Эбертс Р. Человеческий фактор. В 6 т. т. 3. Моделирование деятельности, профессиональное обучение и отбор операторов: Пер. с англ./ М.: Мир, 1991. - 302 с.

55. Шаршунов С.Г. Язык описания аппаратуры цифровых систем VHDL. -Владивосток: ДВГТУ, 2002

56. Шаршунов С.Г., Москаленко Ю.С., Павленко Г.Ф. Концептуальная модель языка описания аппаратуры VHDL. Препринт. Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН. Владивосток. 2002.

57. Шигина Н А. Создание мультимедийных электронных учебников /Изд-во Пензенского технологического института, Пенза, 2001. 39 с

58. HDL Chip Design. Smith, Douglas J. Madison, AL: Doone Publications, 1996.

59. Anderson, J. R. and Reiser, В.: The LISP tutor. Byte 10, 4 1985 pp. 159-175

60. Angelides M. C. & Gibson G. The Spanish Tutor: A Hypertext-based Intelligent Tutoring System for Foreign Language Learning. Hypermedia, 1993. pp. 205230.

61. ANSI/IEEE IEEE Standard VHDL Language Reference Manual Std 1076-1993

62. Barr, A., Beard, M., and Atkinson, R. C.: The computer as tutorial laboratory: the Stanford BIP project. International Journal on the Man-Machine Studies 8, 5 1976 pp. 567-596.

63. Bielawski L. & Lewand RIntelligent Systems Design Integrating Expert Systems, Hypermedia, and Database Technologies. John Wiley & Sons, New York. 1991.

64. Brusilovsky, P., Ritter, S., and Schwarz, E.: Distributed intelligent tutoring on the Web. In: du Boulay, B. and Mizoguchi, R. eds. Artificial Intelligence in Education: Knowledge and Media in Learning Systems. IOS, Amsterdam .1997. pp. 482-489

65. Brusilovsky, P. Methods and techniques of adaptive hypermedia // User Modeling and User-Adapted Interaction, 1996, v 6, n 2-3, pp 87-129.

66. Burns, H. L. and Capps, C. G.: Foundations of intelligent tutoring systems: An introduction. In: Poison, M. C. and Richardson, J. J. (eds.): Foundations ofintelligent tutoring systems. Lawrence Erlbaum Associates, Hillsdale (1988) 1-19

67. Callear, D.H. 1998 (1) Addressing the Problem of Computer Aided Assessment -a Fundamental Approach, Proceedings of the Second Annual Computer Aided Assessment Conference, Loughborough University, 17-18 June, pp. 76-84

68. Carbone & Schendzielorz 1997. Carbone, A., & Schendzielorz, P. (1997). Developing and integrating a Web-based quiz generator into the curriculum. WebNet'97, World Conference of the WWW, Internet and Intranet, AACE. 90-95

69. ComputerPREP, Inc, Phoenix, AZ. http://www.webassessor.com Accessed 23 May, 1998

70. Courtois В., CAD and Testing of ICs and Systems: Where are we going? Journal of Microelectronics Systems Integration, Vol.2, No.3, 1994.

71. De Bra, P. M. E.: Teaching Hypertext and Hypermedia through the Web. Journal of Universal Computer Science 2, 12 1996 pp. 797-804

72. Desmarais, M.C. Self-Learning Guide Stuttgart, Germany, CRIM, Montreal. http://www.crim.ca/hci/demof/gaa/introduction.html (Accessed July 5, 1999

73. Eliot, C., Neiman, D., and Lamar, M.: Medtec: A Web-based intelligent tutor for basic anatomy. In: Lobodzinski, S. and Tomek, I. (eds.) Proc. of WebNet'97, World Conference of the WWW, Internet and Intranet, Toronto, Canada, AACE 1997 pp. 161-165

74. Freeman A., Kilpatrick Jr., Greed H., Gunsch, Eugene Santos. «Induction and state space search for an intelligent training system». Air Force Institute of Technology (AFIT) - Depart, of Elect, and Сотр. Engineering. 1996.

75. Fundamentals and Standards in Hardware Description Languages, J. Mermet ed., Kluwer Academic Publishers, 1993.

76. Graw, K., and Harbinson, K. User-Centered Requirements: The Scenario-Based Engineering Process. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, Inc. 1997. 380 P

77. Girratano J., Riley G. Expert Systems: Principles and Programming. PWS Publishing Company, Boston, 1993. (2nd Ed.)

78. Hammond N. Learning with Hypertext: Problems, principles and Prospects, HYPERTEXT a psychological perspective Eds. McKnight C., Dillon A. & Richardson J., Ellis Horwood Ltd, pp 54-55. 1993.

79. VHDL 87: IEEE Std 1076-1987. IEEE Standard VHDL Language Reference Manual (VHDLversion 7.2). -New York: IEEE, 1988.

80. IEEE Std 1076.3-1997, IEEE Standard Synthesis Packages (NUMERICJBIT and NUMERIC STD).

81. EEE Std 1164-1993, IEEE Standard Multivalue Logic System for VHDL Model Interoperability (STDLOGICl 164). New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1994.

82. Kay A C. The early history of SmallTalk. The second ACM SIGPLAN history of programming languages conference (HOLP -II) ACM SIGPLAN Notices, 28(3):69-75, March 1993.

83. Kinshuk & Patel A. A conceptual framework for Internet based intelligent tutoring systems. Knowledge transfer (volume II) (ed. A. Behrooz), pAce, London, 1996. pp. 117-124.

84. Lesgold A. Ideas about feedback and their implications for intelligent coached apprenticeship. Machine-Mediated Learning, 41., 1994 pp 67-80.

85. Luger G.F. Stubbleficld W.A. Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving. Benjamin Cummings Publishing Company. 1993

86. Merat, F.L., & Chung, D. (1997). World Wide Web approach to teaching microprocessors. FIE'97, Frontiers in Education Conference, Stipes Publishing L.L.C. 838-841

87. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits Electronics, volume 38, Number 8, April, 1965, 4p96. http://www.lotus.com/products/learningspace.nsf (Accessed 5 June, 1999)

88. Using networked tools to enhanse student success rates in large classes. FIE'97, Frontiers in Education Conference, Stipes Publishing L.L.C. 233-237