Цифровые устройства обработки информации. Почему цифровые устройства называются цифровыми? Цифровые устройства обработки информации цифровые устройства

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но другие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов, известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы. Поэтому мы не рассматриваем здесь такие устройства, как счеты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механической с ручным приводом.и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых требовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ада.

В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.

Первое поколение -

электронные лампы (1945-1955 гг.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств, Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, размер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектроники, был огромным - несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.)

Полупроводниковые приборы - транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться миниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до_ нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines(IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер РDР-8 фирмы DЕС - первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение -интегральные схемы (1965-1980 гг.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещался транзистор, заключался в специальный металлический или пластмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных

устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвертое поколение –сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности - микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), добились размещения на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами - контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми, Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобе и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину -микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употреблению устройство, содержащее все необходимое оборудование и программное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил название Арр!е и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем - 1ВМ, и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS , IВМ создала персональный компьютер IВМ РС. Значительный потенциал фирмы IВМ позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной памяти, позволили компьютеру IВМ РС стать самой популярной «персоналкой» в мире.

2.6. Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень - уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень - уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитектуры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведен на рис. 2.9. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 2.9. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам- производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рис. 2.10. Общее управление всей

Тема урока: «Цифровые устройства обработки информации: цифровой фотоаппарат»

Цель урока:

Создать условия для формирования у учащихся представления о видах и назначении цифровых устройств для обработки информации;

Развивать навыки обработки информации с помощью различных устройств;

Воспитывать бережное отношение к компьютерной технике, выполнение правил безопасного поведения.

Учащиеся должны знать:

Возможности применения цифровых фотоаппаратов.

Обеспечение урока:

презентация «Цифровой фотоаппарат»;

мультимедийный проектор и экран;

цифровой фотоаппарат;

ХОД УРОКА:

Организационный момент.

Приветствие, организация учащихся на совместную результативную деятельность.

Объяснение нового материала.

Вопр. Какие наиболее распространенные цифровые устройства обработки информации вам известны?:

Сегодня мы рассмотрим цифровые фотокамеры. Изучать материал вы будете следующим образом: каждый из вас вытянет карточку с заданием и изучит материал. Потом, по номерам карточек вы сформируетесь в группы (пары), вместе обсудите материал и выберите способ донести его до остальных. В конце урока у нас должно с вами сформироваться представление о цифровом фотоаппарате как средстве обработки и передачи информации в компьютер по следующему плану:

Общий вид, составные части.

Достоинства.

Дополнительные возможности.

Способы хранения информации

Связь с ПК и другими устройствами.

Карточка №1

Общий вид, составные части:

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или жестковстроенный, состоит из группы линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Карточка №2

Достоинства

Наглядность и оперативность. При съёмке на «цифру» вы видите результат сразу же после нажатия на кнопку спуска затвора.

Экономичность. Цена на цифровой фотоаппарат снижается до уровня цены на обычный пленочный. Необходимо учесть еще и стоимость расходных материалов (пленки, реактивов и т.д.)

Компактность. Небольшие размеры фотоаппарата являются одним из самых важных критериев для фотографа-любителя.

Независимость, надежность, удобство хранения. Нет зависимости от мастера по печати фотографий, более долгий срок хранения.

Дополнительные возможности. Современные цифровые камеры зачастую обладают целым рядом дополнительных возможностей, принципиально недоступных для плёночных собратьев. Среди них, например, видеозапись, режим съёмки панорам или запись аудиокомментариев. Кроме того, специальные алгоритмы обработки изображений, реализованные в программном обеспечении камер, позволяют отчасти заменить такие традиционные фотографические инструменты, как, например, светофильтры и плёнки для разных типов освещения.

Цифровая обработка.

Печать. Практически все современные «цифровики» и принтеры поддерживают протокол PictBridge, предусматривающий прямой обмен данными между камерой и печатающим устройством.

Карточка №3

Дополнительные возможности

Скоростная съемка. Скоростная съемка - это режим, в котором камера снимает кадры не поодиночке, как обычно, а сериями – в надежде на то, что хотя бы один кадр в серии получится удачным.

Брэкетинг (вилка) автофокуса (экспозиции, баланса белого, вспышки). Это специальный режим, в котором камера делает несколько (обычно 3) снимка подряд с вариацией того или иного параметра.

Съемка панорам («stitch assist»). Эта функция служит для облегчения панорамной съемки. Панорама – это серия кадров, снятая с некотором смещением по горизонтали или вертикали, и впоследствии «склеенная» на компьютере в одно большое изображение.

Макросъемка. Функция макросъемки (макрорежим) – это специальный режим работы автофокуса, в котором становится возможной фокусировка по очень близко расположенным объектам.

Датчик ориентации. Многие камеры имеют так называемый датчик положения или ориентации. Суть его работы проста: в момент съемки датчик определяет, в каком положении находится камера – в обычном или в портретном (повернута на 90 градусов). Если зафиксировано портретное положение, то после спуска затвора возможно два варианта (в зависимости от производителя аппарата). Либо -файл записывается «как есть», но в его заголовке делается специальная пометка о «портретности», либо необходимый поворот на 90 градусов выполняется процессором камеры, и кадр сразу пишется, «как надо.

Голосовые комментарии к снимкам. Некоторые камеры позволяют сопровождать только что снятые кадры краткими голосовыми комментариями. При всей кажущейся вычурности, это довольно полезная возможность. Например, во время экскурсии по незнакомому городу фотограф может отмечать, какую достопримечательность он только что сфотографировал, и в дальнейшем это значительно облегчит разбор отснятого материала.

Видео. Практически все цифровые фотокамеры (кроме зеркальных), присутствующие на рынке, позволяют снимать видеоролики.

Спецэффекты. Почти все аппараты имеют в качестве дополнительной возможности набор спецэффектов (или так называемых фильтров). Среди них обычно присутствует отбрасывание цветовой информации (монохромное изображение), «сепия», повышение или понижение цветовой интенсивности и т.д.

Карточка №4

Способы хранения информации.

а) Встроенная память фотоаппарата (обычно очень мала, позволяет хранить до 10 фотографий)

б) Флэш-память или карты памяти

На данный момент среди форматов флэш-памяти можно выделить трех безусловных лидеров – это Secure Digital, CompactFlash и Memory Stick.

Secure Digital - это стандарт, созданный альянсом компаний SanDisk, Matsushita Electric (Panasonic) и Toshiba. Физические размеры модуля довольно малы и составляют 24x32x1,4 мм, что позволяет использовать память этого типа в суперкомпактных фотоаппаратах. Кроме того, стандартом предусмотрена защита от несанкционированного копирования (что позволяет выпускать в этом формате, например, книги), а также защита от случайной перезаписи (на модуле памяти имеется механический переключатель). По данным на 2004 г, Secure Digital является наиболее популярным формат на рынке.

Модуль памяти Secure Digital

Стандарт CompactFlash, созданный фирмой SanDisk, предусматривает модули двух типов (Type I и Type II), отличающихся толщиной. Размеры карт составляют 42,8x36,4x3,3 мм и 42,8x36,4x5 мм соответственно. CompactFlash – наименее компактный из всех форматов, зато помимо памяти в нем производится огромное количество различной периферии для карманных компьютеров: модемы, GPS-модули, WiFi- и Bluetooth-адаптеры и т.д. Кроме того, в этом формате выпускаются миниатюрные жесткие диски IBM/Hitachi Microdrive и Sony Microdrive объемом от 2 до 4 Гб (ожидается также 6-гигабайтный диск от Western Digital). Впрочем, целесообразность приобретения компактных жестких дисков (в свете обвального падения цен на флэш-память) довольно сомнительна.

Модуль памяти CompactFlash

Авторство формата Memory Stick принадлежит фирме Sony. Этот формат имеет два базовых типа корпуса – Memory Stick и Memory Stick Duo. Первый обладает размерами 50x21,5x2,8 мм, второй – 31x20x1,6 мм. В тех же форм-факторах существуют также высокоскоростные модификации с возможностью адресовать более 128 Мбайт. Они обозначаются индексом Pro (Memory Stick Pro и Memory Stick Pro Duo, соответственно).

Модуль памяти Memory Stick Pro

Secure Digital и CompactFlash являются открытыми стандартами, свободными от каких-либо лицензионных платежей. Memory Stick – стандарт закрытый и лицензируемый, так что за рамками продукции Sony он не получил особого распространения. Модули этого формата стоят почти вдвое дороже остальных, поскольку в их цену включены лицензионные отчисления (роялти).

Также на рынке присутствуют и другие типы памяти (например, стандарт xD, разработанный не так давно компаниями Olympus и Fujifilm), устаревающие стандарты MMC и SmartMedia и т.д. Однако они распространены гораздо меньше, и мы не будем останавливаться на них подробно.

Карточка № 5

Интерфейс с компьютером и принтером

Фотоаппарат подключается к компьютеру для копирования отснятого материала из флэш-памяти, а также, в случае необходимости, для обновления программного обеспечения («прошивки») камеры. Соединение с принтером необходимо, очевидно, для прямой печати с камеры по протоколу PictBridge.

Подавляющее большинство камер подключается к компьютеру или принтеру по интерфейсу USB (Universal Serial Bus). Для этого (со стороны камеры) используется либо стандартный разъем «mini-B», либо нестандартный фирменный. Очевидно, что первый вариант несколько предпочтительнее, поскольку «в случае чего» стандартный кабель вы легко купите в любом магазине за символические деньги, в то время как за фирменным придется побегать (да и обойдется он существенно дороже).

На данный момент распространено две версии стандарта USB: 1.1 и более новая 2.0. Первая обеспечивает пропускную способность 12 Мбит/с, вторая – 480 Мбит/с. Соответственно, если вы используете достаточно быструю флэш-память, интерфейс USB 2.0 будет предпочтительнее. Впрочем, вы всегда можете извлечь память из фотоаппарата и воспользоваться внешним устройством для чтения флэш-карт – так называемым карт-ридером (модуль памяти будет представлена как носитель с файловой системой FAT16/32).

Самый простой разъем - AV-выход RCA - попросту говоря "тюльпаны" - приспособлен для подключения к любой телевидеотехнике, и обеспечивает просмотр изображений на телеэкране.

На ознакомление учащихся с материалом и обсуждение отводится 10 минут . Затем учащиеся выступают с сообщениями, которые сопровождаются презентацией учителя.

Обобщение материала и подведение итогов
Вопросы к классу:

Что нового вы узнали на уроке?
Была ли информация полезна? В чем её польза?
Если бы вам предстояло выбирать фотоаппарат, то на какие его параметры вы бы обратили внимание?

Практикум по работе с цифровым фотоаппаратом.

Примечание: во время урока можно фотографировать основные этапы. В конце урока отснятый материал передать в компьютер разными способами.

Домашнее задание: задается по группам:

1 группа – основные элементы видеокамеры

2 группа – достоинства цифровых видеокамер

3 группа – устройства для записи информации в видеокамере

4 группа - передача информации с видеокамеры в компьютер

5 группа – веб-камеры

РАЗДЕЛ 2. СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Основные понятия цифровой электроники

Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, – получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал – сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т.е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона.

Квантованный сигнал – сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями – шаг квантования.

Дискретизированный сигнал сигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации – шаг дискретизации
. При постоянном
применима теорема Котельникова:
, где- верхняя граничная частота спектра сигнала.

Цифровой сигнал - сигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения – 0 и 1.

Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам,– минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.

Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.

Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.

Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). По виду кодирования двоичных цифр электрическими сигналами элементы цифровой техники делятся на потенциальные (статические) и импульсные (динамические).

В потенциальных элементах нулю и единице соответствуют два резко отличающихся уровня напряжения. При этом напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными относительно корпуса, электрический потенциал которого принимается за ноль. Различают элементы, работающие в положительной и отрицательной логике. В элементах с положительной логикой переход от 0 к 1 совершается с повышением потенциала. В отрицательной логике за логическую 1 принимается более отрицательное напряжение.

В импульсных элементах логической единице соответствует наличие, а логическому нулю – отсутствие импульса.

Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация – чтение, сдвиг, логическая команда и т.п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используется два способа – параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах, как правило, реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие.

Элементную базу для построения цифровых устройств составляют цифровые интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов (ЛЭ) – простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.

Все цифровые устройства можно отнести к одному из двух основных классов: комбинационные (без памяти) и последовательностные (с памятью). Комбинационными называют устройства, состояние выходов которых в любой момент времени однозначно определяется значениями входных переменных в тот же момент времени. Это логические элементы, преобразователи кодов (в том числе шифраторы и дешифраторы), распределители кодов (мультиплексоры и демультиплексоры), компараторы кодов, арифметико-логические устройства (сумматоры, вычитатели, умножители, собственно АЛУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые логические матрицы (ПЛМ).

Выходное состояние последовательностного цифрового устройства (конечного автомата) в данный момент времени определяется не только логическими переменными на его входах, но еще зависит и от порядка (последовательности) их поступления в предыдущие моменты времени. Иными словами, конечные автоматы должны обязательно содержать элементы памяти, отражающие всю предысторию поступления логических сигналов, и выполняются на триггерах, в то время как комбинационные цифровые устройства могут быть целиком построены только на логических элементах. К числу цифровых устройств последовательностного типа относят триггеры, регистры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), микропроцессорные устройства (микропроцессоры и микроконтроллеры).

Прежде чем изучать различные цифровые устройства, познакомимся с элементами математического аппарата, используемого при их построении. Его составными частями являются представление о системах счисления и методы описания и преобразования логических функций.

9. Математические основы цифровой электроники

9.1. Позиционные системы счисления

Системой счисления называют способ изображения произвольного числа ограниченным набором символов, называемых цифрами. Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе, называют разрядом , а системы счисления, обладающие отмеченным свойством, –позиционными.

В общем случае n - разрядное положительное числоN в произвольной системе счисления с основаниемр представляется суммой вида

(9.1)

где a k - отдельные цифры в записи числа, значения которых равны членам натурального ряда в диапазоне от 0 до (р – 1).

При выполнении вычислений цифровыми электронными устройствами используются элементы с двумя устойчивыми состояниями. По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная система счисления (с основанием 2). В каждом двоичном разряде, получившем название бит , может стоять 1 или 0. Сама же запись числа (двоичный код) представляет собой последовательность из единиц и нулей. Чтобы отличить двоичное число от десятичного, будем дополнять его справа суффиксомВ (Binaire ), как это принято в специальных машинно-ориентированных языках программирования, называемых ассемблерами.

Веса соседних разрядов двоичного кода числа отличаются в два раза, а самый правый разряд (младший) имеет вес 1. Поэтому, например

101101В = 1 . 2 5 + 0 . 2 4 + 1 . 2 3 +1 . 2 2 + 0 . 2 1 + 1 . 2 0 = 45.

Четыре соседних бита называют тетрадой , группу из 8 бит называютбайтом , а из 16 бит –машинным словом . Совокупность из 1024 (2 10) байт называют килобайтом, из 1024 килобайт – мегабайтом, из 1024 мегабайт – гигабайтом.

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 2 20 Кбайт = 2 30 байт.

Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объемом в десятки гигабайт.

Арифметические операции в двоичной системе счисления исключительно просты и легко реализуются аппаратно. Однако при вводе и выводе информации в цифровое устройство она должна быть представлена в более привычной для человека десятичной системе счисления. Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к десятичному эквиваленту привело к использованию двоично-десятичного кода. В этом коде для записи отдельных цифр разрядов десятичного числа используют тетрады их двоичного

Устройством обработки цифровой информации и "мозгом" всей издательской системы является компьютер, который также представляет собой многоуровневую структуру. В нее входят как элементы обработки (процессор), так и несколько типов устройств хранения информации (оперативная память, жесткий диск, видеопамять), а также целый ряд вспомогательных элементов (порты и другие составляющие)

Работа с графикой, особенно предназначенной для полиграфических целей, требует достаточно значительных параметров используемого компьютера. К сожалению (только для автора), темпы технологического прогресса в этой области необычайно высоки, а сроки написания, подготовки, печатания и распространения книги не поспевают за ними, поэтому мы рассмотрим только принципиальные параметры, которые необходимо понимать каждому дизайнеру, садящемуся за компьютер.

Персональный компьютер - это, прежде всего, системный блок, в котором располагаются все основные узлы компьютера. "Мозгом" компьютера является микропроцессор - центральное устройство компьютера - электронная схема размером в несколько квадратных сантиметров, которая обеспечивает выполнение всех прикладных программ и управление всеми устройствами. Микропроцессор выполнен в виде сверхбольшой (не по размеру, а по количеству электронных компонентов, число которых достигает нескольких миллионов) интегральной схемы, расположенной на кремниевой пластинке.

Микропроцессоры могут различаться по следующим основным параметрам:

Тип (модель) означает поколение микропроцессоров, например существуют процессоры серий, которые обобщенно называются "286", "386", "486", "Pentium".

Тактовая частота определяет количество элементарных операций, выполняемых в одну секунду. Она измеряется в герцах (Гц). Тактовая частота служит основным параметром, обеспечивающим производительность процессора. Чем выше тип процессора, тем выше тактовая частота. Одна из первых моделей персональных компьютеров располагала процессором с тактовой частотой 4,77 МГц, а последние процессоры перешагнули барьер в 1 ГГц.

Разрядность определяет количество битов, передаваемых одновременно (синхронно) по информационным шинам. Производительность компьютера также напрямую связана с разрядностью. Этот параметр изменяется скачкообразно: 8 разрядов, затем 16, 32 разряда и, наконец, 64-разрядные шины.

Компьютер в целом характеризуется и рядом других параметров, влияющих на его производительность.

Оперативная память (или ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) определяет объем памяти, которым "распоряжается" процессор. Оперативная память - это быстрая и энергозависимая (при отключении электропитания информация полностью теряется) память, в которой располагается исполняемая в данный момент программа и необходимые для этого данные. Чем выше это значение, тем больший объем информации может быть одновременно доступен для обработки. Объем оперативной памяти за относительно короткий исторический период увеличивался с 640 Кбайт до десятков Мбайт в современных системах (причем даже в самых скромных конфигурациях). Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит и от величины ОЗУ.

Видеопамять - это отдельное ОЗУ, расположенное на специализированной видеоплате. Эта память содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране.

В современном персональном компьютере реализован принцип открытой архитектуры, который позволяет практически свободно менять состав устройств (модулей). К главной информационной магистрали подключается большое количество периферийных устройств. При этом очень важно, что одни устройства могут заменяться на другие. Не являются исключением даже микропроцессор и микросхемы оперативной памяти.

Аппаратное подключение периферийных устройств к информационной магистрали осуществляется через особый блок, который получил название контроллера (иногда его называют адаптером). А программное управление работой внешних устройств обеспечивается также особыми программами - драйверами, которые, как правило, интегрируются в операционную систему.