Что относится к цифровой технике. Какие бывают цифровые фотокамеры

Информационные технологии делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые технологии основаны на способе представления информации в виде какой-либо непрерывной (аналоговой) физической величины, например, напряжения или силы электрического тока, величина которых (сигнал) является носителем информации. На этом принципе работает обычный магнитофон. Информация представлена в виде магнитного поля переменной величины, записанного на ферромагнитном слое носителя – магнитофонной ленты. А граммофонные пластинки, эпоха которых закончилась около 20 лет назад, в качестве носителя информации использовали узкую спиральную дорожку на поверхности пластинки. Глубина или ширина этой дорожки и были той физической величиной, которая хранила информацию о звуке. То есть в граммофонной пластинке использовался механический принцип звукозаписи.

Цифровые технологии основаны на дискретном (от лат. discretus – разделенный, прерывистый) способе представления информации в виде чисел (обычно с использованием двоичной системы счисления), значение которых является носителем информации. Для этого в них используются физические величины, способные принимать только два устойчивых состояния (включено – выключено, есть напряжение – нет напряжения, намагничено – не намагничено). Это обеспечивает предельную простоту цифрового сигнала: есть электрический импульс – единица, нет импульса – ноль. (Их принято называть логической единицей и логическим нулем.) При этом важна не величина импульса, а только его наличие или отсутствие.

Простота цифровых сигналов обеспечивает (по сравнению с аналоговыми сигналами) их несоизмеримо большую защищенность от помех. Дело в том, что логические нули и единицы не несут никакой вторичной информации. При физическом износе аналогового носителя – той же грампластинки – появляются шумы и помехи. Края прорези на пластинке изменяют свою форму от многократного воздействия иглы проигрывателя, а магнитофонная лента размагничивается или растягивается. Биты цифровой информации от подобных неприятностей избавлены, что бы ни произошло с носителем, бит имеет только два значения – ноль или единица. Помехам и шумам попросту неоткуда взяться.

При цифровом представлении информации точность зависит от числа разрядов в числах. Увеличивая число разрядов, можно обеспечить любую заранее заданную точность вычислений. Иными словами, складывать двадцатизначные числа на компьютере (или калькуляторе, который тоже компьютер), способном оперировать только восьмиразрядными числами, можно лишь округлив эти числа до восьми знаков. Ясно, что подобное округление сильно снижает точность вычислений. Современные персональные компьютеры оперируют с 32-разрядными двоичными числами (в этом главное преимущество цифровых вычислителей над аналоговыми – представьте себе старые дубовые счеты, на каждой поперечине которых не по 10, а по 32 костяшки), но в ближайшем будущем предстоит переход на 64-разрядную структуру.

Из-за неоспоримых преимуществ цифровых технологий все новые информационные технологии являются цифровыми. К ним относятся, например, архивация и сжатие информации, сканирование и распознавание текстов, цифровое радио и телевидение, цифровая фотография, цифровая видеосъемка, глобальная информационная сеть Интернет (Internet) и электронная почта (Е-mail), виртуальная реальность.

Могли ли цифровые технологии, имеющие столь очевидные преимущества, появиться раньше аналоговых? Разумеется, нет. Причина в том, что аналоговые технологии значительно проще цифровых, поэтому именно они могли быть осуществлены на уровне техники прежних времен.

Органы чувств человека (и прежде всего органы слуха) способны воспринимать только аналоговые сигналы. Поэтому для применения цифровых технологий нужны достаточно сложные устройства, массовое применение которых стало возможным лишь в последние десятилетия в результате стремительного развития микроэлектроники.

XXI век будет исключительно цифровым. Идет непрерывная конкурентная борьба между новейшими магнитными и оптическими методами записи, хранения и воспроизведения различных видов информации, а также их комбинированное использование. Эти методы обеспечивают гораздо более высокую плотность и долговечность записи информации по сравнению с бумагой, фото- и кинопленкой. Поэтому в ближайшем будущем мы с вами будем фотографировать цифровыми фотокамерами, смотреть цифровое видео, слушать цифровую музыку. И даже книги мы все чаще будем читать с экранов карманных и настольных компьютеров.

Цифровая технология работает, в отличие от аналоговой, с дискретными, а не непрерывными сигналами. Кроме того, сигналы имеют небольшой набор значений, как правило, два, но в реальной жизни системы, особенно учётные системы хранения данных, на основе трёх значений. Обычно это 0, 1, NULL которые в булевской алгебре имеют значения «Ложь», «Истина» и в присутствии NULL «отсутствие результата» соответственно.

Цифровые схемы состоят в основном из логических элементов , таких как AND, OR, NOT и др., а также могут быть связаны между собой счётчиками и триггерами .

Цифровые технологии главным образом используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего компьютерах, в различных областях электротехники, таких как игровые автоматы, робототехника, автоматизация, измерительные приборы, радио- и телекоммуникационные устройства и многих других цифровых устройствах .

Происхождение названия

Английское слово digital , означающее «цифровой», в свою очередь, происходит от латинского Digitus , то есть «палец».

Поскольку человечеством в течение длительного времени в процессе подсчёта малых значений использовались пальцы, именно десятичная система счисления стала основной, в том числе и в индо-арабской нумерации. Обычно пальцами можно рассчитывать значения только целых чисел. Из-за этого слово «цифровой» также используется для обозначения любого объекта, который работает с дискретными значениями.

Преимущества

Цифровой сигнал с двумя логическими уровнями, подвергшийся зашумлению при передаче

Одно из преимуществ цифровых схем по сравнению с аналоговыми заключается в том, что во-первых сигналы могут быть переданы без искажений. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранён на компакт-диске с использованием около 6 млрд двоичных разрядов.

Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путём простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.

Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определённого уровня, информация может быть восстановлена совершенно точно.

Недостатки

В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые для выполнения одной и той же задачи, выделяя больше тепла, что повышает сложность схем, например, путём добавления кулера . Это может ограничить их использование в портативных устройствах, питающихся от батареек.

Например, сотовые телефоны часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радио-сигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоёмкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему . Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Возможна также потеря информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Математически это явление может быть описано, как ошибка округления .

В некоторых системах при потере или порче одного фрагмента цифровых данных может полностью измениться смысл больших блоков данных.

Примечания

Литература

• Манфред Шпитцер. Антимозг: цифровые технологии и мозг. - АСТ, 2015. -

Информационные системы вошли во все сферы жизни. Развитие цифровых технологий открывает огромный спектр возможностей. Прогресс во всех и промышленности идет с огромной скоростью, не прекращая удивлять и восхищать.

Суть феномена

Цифровые технологии - это основанная на методах кодировки и передачи информации дискретная система, позволяющая совершать множество разноплановых задач за кратчайшие промежутки времени. Именно быстродействие и универсальность этой схемы сделали IT-технологии столь востребованными.

Бизнес и производство, повседневные потребности и величайшие открытия - во всех сферах применяются новые методики.

Использование в быту

Количество цифровых устройств в каждом доме постоянно увеличивается. Компьютеры, смартфоны, бытовая электроника - трудно представить современную действительность без подобных гаджетов. Цифровые технологии - это уникальное явление, которое за последние десятилетия полностью поменяло образ жизни каждого жителя планеты.

Исследователи утверждают, что внедрение технологических новинок с каждым годом будет проходить все более быстрыми темпами. На повсеместное распространение электричества в ХХ столетии ушло 30 лет, а планшетные компьютеры вошли в обиход за 3-4 года.

Общество становится дружнее. Огромные потоки информации, которые каждый желающий может получать из сети Интернет, делают образование более доступным. Реализовать свой творческий потенциал или просто заработать, не выходя из дома - раньше о таких возможностях можно было только мечтать. Сегодня это реальность.

Спасение жизней

Внедрение новых цифровых технологий в медицину позволяет спасать миллионы жизней в год. Современные разработки помогают создавать высокотехнологичное оборудование для диагностики, анализа и лечения самых различных болезней. Клинические исследования, которые можно провести с использованием уникальных эмпирических методов, открывают широкие возможности для производства неизвестных ранее лекарств.

Совершенствование методов фармакологии, терапии и хирургии способствует снижению уровня смертности и повышению уровня жизни.

Виртуальные методы общения позволяют в кратчайшие сроки диагностировать болезни дистанционно. 3D-принтеры, дающие возможность производить протезы - за такими разработками будущее.

Прорыв в промышленности

Увеличение объемов производства с ростом населения на планете становится приоритетной задачей во многих отраслях деятельности. Цифровые технологии - это способ ускорить любые промышленные процессы, используя сверхточные методы измерения.

Внедрение информационных систем в методы взаимодействия различных частей предприятия дает возможность повысить эффективность индустриальной организации. Создавая все больше продукции в кратчайшие сроки, промышленники имеют возможность реализовывать изделия по всему миру.

Расширяя границы возможностей, современные цифровые технологии помогают наращивать темпы развития экономики.

Снижение потребностей в человеческих ресурсах на производстве позволяет освобождать созидательные резервы общества, направляя их на развитие духовности и культуры.

Продвижение бизнеса

Бизнес-корпорации находятся на разной стадии внедрения IT-методов управления и коммуникаций. Однако давно понятно, что именно цифровые технологии - это самое правильное направление для скорейшего развития предпринимательства.

Автоматизация рабочих процессов внутри компаний позволяет вести финансовый учет, основываясь на реальных статистических данных. Использование опыта оптимизации управления позволяет диверсифицировать производство и принимать более рациональные решения в процессе деятельности.

Бизнес-модели претерпевают существенные видоизменения. Теперь любая крупная организация имеет возможность расширять сферу своей деятельности, используя глобальную сеть. Быстрый доступ к любой географической точке делает управление бизнесом максимально эффективным.

Инвестиции в цифровые помогают получить объективную оценку реальных рынков сбыта и потребностей клиентов.

Мир меняется

Многообещающие разработки ведущих мировых специалистов уже готовы завоевать весь мир. Дополненная реальность - это уже не просто теоретический проект. Виртуальные зеркала уже устанавливают в примерочных дорогих магазинов одежды. Подобные технологии тестируют в автомобилях и на улицах крупных городов.

Виртуальная реальность давно перекочевала из фантастических фильмов в индустрию развлечений. Специальные шлемы и костюмы позволяют ощутить стопроцентное взаимодействие с виртуальным миром, гарантируя полное погружение в другую действительность.

Интернет становится не только способом обмена информации. Цифровые технологии позволяют создавать своеобразную копию физического мира. Каждый объект, подключенный к глобальной сети, находится под полным контролем владельца. может сообщить о забытом утюге, стиральная машина просигнализирует о возможной поломке механизма.

Развитие IT-коммуникаций предполагает создание взаимодействия не только между человеком и объектом, но и между двумя механизмами. Обмен информацией между разными элементами конвейерной линии, простые методы технического обслуживания, управление логистикой - вот неполный перечень удивительных преимуществ, которые могут дать цифровые технологии.

цифровая техника - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN digital field … Справочник технического переводчика

цифровая техника - skaitmeninė technika statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital technique; digital technology vok. Digitaltechnik, f rus. цифровая техника, f pranc. technique digitale, f … Automatikos terminų žodynas

У этого термина существуют и другие значения, см. Регистр. 4 х разрядный сдвиговый регистр, преобразователь последовательного кода в параллельный и обратно Регистр последовательное или параллельное … Википедия

Red One Цифровая кинокамера видеокамера высокого разрешения, предназначенная для съёмки кинофильмов по бесплёночной цифровой технологии. Для пр … Википедия

Область техники, связанная с передачей цифровых данных на расстояние. В настоящее время цифровая связь повсеместно используется также и для передачи аналоговых (непрерывных по уровню и времени, например речь, изображение) сигналов, которые для… … Википедия

- (англ. Frescography) – метод воспроизведения традиционной классической фрески на бумаге, холсте, стекле или плитке с помощью программного обеспечения Computer aided mural (CAM) и цифровой печати. Метод был разработан немецким художником… … Википедия

Способ записи информации, при котором регистрируемые на носителе сигналы преобразуются в последовательность кодовых (цифровых) комбинаций импульсов. Обеспечивает высокое качество (достоверность) воспроизводимых сигналов. Широко используется в… … Большой Энциклопедический словарь

ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ, способ записи информации, при котором регистрируемые на носителе сигналы преобразуются в последовательность кодовых (цифровых) комбинаций импульсов. Обеспечивает высокое качество (достоверность) воспроизводимых сигналов. Широко… … Энциклопедический словарь

- (ЦОС, DSP англ. digital signal processing) преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Любой непрерывный (аналоговый) сигнал может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то… … Википедия

Цифровая обработка сигналов (англ. digital signal processing, DSP), ЦОС преобразование сигналов, представленных в цифровой форме. Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s(t) может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню… … Википедия

Содержание 1 Применение 2 Устройство и принцип действия … Википедия

Книги

• Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания , О. Б. Попов, С. Г. Рихтер. Анализируются основные характеристики сигналов и каналов звукового вещания. Рассмотрены базовые математические процедуры, используемые при цифровой обработке звуковых сигналов; способы…
• Цифровая схемотехника. Практика применения , Шустов М. А.. Предлагаемая вниманию читателя книга универсальна по содержанию и состоит из двух взаимосвязанных частей. В первой из них читатель познакомится с основами моделирования цифровых устройств при…

Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.

Задумывался ли ты о том, какой феноменальный прорыв в науке и технике произошел благодаря электронике и цифровой электронике в частности? Если нет, тогда возьми свой смартфон и внимательно на него посмотри. Такая простая с виду конструкция -- результат огромной работы и феноменальных достижений современной электроники. Создание такой техники стало возможным благодаря простой идее о том, что любую информацию можно представить в виде чисел. Таким образом, независимо от того, с какой информацией работает устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.

Тебе наверняка знакомы римские и арабские цифры. В римской системе числа представляются в виде комбинации букв I, V, X, L, C, D, M, а в арабской с помощью комбинации символов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Но существуют и другие формы представления числа. Одна из них -- это двоичная форма. Или, как её чаще называют, двоичная система счисления. В такой системе счисления любое число представляет собой последовательность только из "0" и "1".

Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.

Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.

Почему именно "0" и "1", а не "0", "1" и "2", к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления ("0", "1" и "2"), но двоичная все же победила.

Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что "0" и "1" легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.

Структура цифрового устройства

Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.

Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.

МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.

Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.

В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.

Как работает микроконтроллер

Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.

Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.

В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.

Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.

Что происходит, когда включается микроконтроллер?

Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.

Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:

После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .

Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.

Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?

Как устроен типичный МК

Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:

1. Процессор (АЛУ + устройство управления),
2. Память (ROM, RAM, FLASH),
3. Порты ввода-вывода .

Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.

МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.

Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.

Мозг микроконтроллера

Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:

• чтение из ячейки памяти
• запись в ячейку памяти
• чтение из порта В/В
• запись в порт В/В

Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.

Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).

Память микроконтроллера

Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.

Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.

В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:

1. RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
2. ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения

У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.

ПЗУ

Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.

Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.

У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.

ОЗУ

Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.

ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ

Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.

Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.

Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".

В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.

Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:

Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.

ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ

КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.

АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)

Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.

Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:

При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.

Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".

Например:

• "Птицы плавают под водой" -- это ложь
• "Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно

Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:

• "Птицы плавают под водой" = 0
• "Вода мокрая" = 1

А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.

Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.

Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным

Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"

Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:

Солнце всходит каждый день = ИСТИНА

НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ

Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.

УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА

Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.

Подведу итоги:

1. Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
2. Цифровое устройство знает и понимает только числа
3. Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
4. Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
5. Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
6. Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
7. АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами

Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.

p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!

Большой радиолюбитель и конструктор программ