«Цифровые устройства обработки информации: цифровой фотоаппарат» - Урок

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

Что это за цифровые устройства обработки информации? Цифровые устройства – это устройства для обработки информации, представленной в доступной для компьютера форме. Это: сенсорные экраны сканеры фотоаппараты видеокамеры мобильные телефоны веб - камеры документ - камеры проекторы устройства беспроводной передачи данных системы видеонаблюдения

Видеокамеры Видеокамера электронный киносъёмочный аппарат, устройство для получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе, приспособленное для записи или передачи в телевизионный эфир движущихся изображений. Обычно оснащается микрофоном для параллельной записи звука.

Веб - камеры Веб-камера (также вебкамера) цифровая видео или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети интернет (в программах типа Instant Messenger или в любом другом видеоприложении).

Проекторы Проектор световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико- механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора экран.

Устройства беспроводной передачи данных Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Устройства беспроводной передачи данных GPRS (англ. General Packet Radio Service пакетная радиосвязь общего пользования) надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не времени, проведённому онлайн.

Устройства беспроводной передачи данных Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру. Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity «беспроводная точность») стандарт на оборудование Wireless LAN.

Видеонаблюдение Видеонаблюдение (англ. Сlosed Circuit Television, CCTV система замкнутого телевидения) процесс, осуществляемый с применением оптико-электронных устройств, предназначенных для визуального контроля или автоматического анализа изображений (автоматическое распознование лиц, государственных номеров).

Цифровые устройства обработки информации Автор: Дмитрий Тарасов, 2009

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые 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 счёт или запоминание его результатов известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы, поэтому не рассматриваем такие устройства как счёты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счётная машина с хранимой программой была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 году. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математикГотфрид Лейбниц в 1672 году построил механическую машину, которая могла делать так же операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 году английский учёныйЧарльз 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 шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в 19 веке. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанкаАда Ловлейс , в честь которой уже в наше время был назван язык программированияAda.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт 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 г.Г.)

В основе базовой системы элементов этого поколение 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 надёжную работу компьютера. К сожалению недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Во-первых электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того размер электронных ламп, по совремённым 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.

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

Современные цифровые устройства: сенсорные экраны сканеры фотоаппараты видеокамеры мобильные телефоны веб-камеры документ-камеры видеопроекторы устройства беспроводной передачи данных системы видеонаблюдения электронные книги цифровые микроскопы

Сенсорными экранами могут быть оборудованы телевизоры, компьютерные мониторы и другие экранные приспособления. Они могут быть установлены в платёжных терминалах, в оборудовании для автоматизации торговли, в карманных компьютерах, в операторских панелях в промышленности.

Устройства сканирования Сканер — это устройство, предназначенное для ввода в компьютер различных цветных и черно-белых изображений (фотографий, рисунков, слайдов), а также текстовой информации с листа бумаги, со страницы книги или журнала. Сканер используют в случае, когда возникает потребность ввести в компьютер из имеющегося оригинала текст и/или графическое изображение для его дальнейшей обработки (редактирование и т. д.).

Сканер – устройство для ввода информации с бумаги в память компьютера и дальнейшего редактирования текста или изображения.

Сферы применения фотоаппаратов Широко используются в полиграфии, научных исследованиях, медицине, геологии, криминалистике. В этих и многих других отраслях довольно часто возникает необходимость получения снимков практически мгновенно с последующей обработкой и пересылкой их на большие расстояния через сеть Интернет.

Веб-камеры – цифровые камеры, способные в реальном времени фиксировать изображения, которые затем передаются по сети Интернет или по другому видеоприложению.

Документ-камера – специальная видеокамера. Её используют, когда необходимо показать что-то маленькое, что существует в одном экземпляре (книги, картинки, изображения с микроскопа). Подключается к телевизору, проектору, компьютеру.

Электронные книги относят к разновидности планшетных компьютеров. Их появление обусловлено развитием и специализацией планшетных компьютеров вообще. Некоторые современные устройства оборудованы сенсорным экраном и имеют расширенный набор функций, и позволяют не только читать, но и редактировать текст.

Преимущества Компактность и портативность. В одном устройстве могут храниться сотни и тысячи книг. Кроме того, устройство обычно меньше и легче бумажной книги. Настройки изображения. По желанию пользователя можно изменять начертание и размер шрифта и формат вывода (в одну колонку или в две, портрет или ландшафт). Возможность изменения размера шрифта даёт возможность читать книги людям, которым мелкий нерегулируемый шрифт бумажных книг принципиально не позволяет читать. Дополнительные возможности. В устройстве может быть реализован поиск по тексту, переходы по гиперссылкам, отображение временных выделений и примечаний, электронные закладки, словарь.

Преимущества Встроенные программы - синтезаторы речи позволяют озвучивать тексты. Электронная книга позволяет не только читать тексты, но и отображать анимированные картинки, мультимедийные клипы или проигрывать аудиокниги. Стоимость текста. Многие тексты в электронном виде бесплатны или дешевле, чем в бумажном. Доступность. При наличии подключения к Интернету тексты в любое время доступны для скачивания с соответствующих сайтов (электронных библиотек).

Преимущества Экологичность. Для чтения текстов в электронной книге не нужна бумага, для производства которой вырубаются леса. Безопасность для астматиков, аллергиков, чувствительных к домашней и бумажной пыли.

Недостатки Электронные книги с TFT — экранами имеют неблагоприятное влияние на зрение человека по аналогии с компьютером. Относительно невысокое качество изображения, не сравнимое с бумажными книгами, изданными на дорогой высококачественной бумаге[источник не указан 42 дня]. Как любые электронные приборы, устройства для чтения электронных книг гораздо чувствительнее к физическому воздействию (повреждению), чем бумажные книги Высокая цена. Часть издателей выпускают электронную версию книги с задержкой. Часть книг вовсе официально не публикуются в виде электронной версии

Недостатки В части моделей[уточнить] используется DRM накладывающая ограничения в том числе и на добросовестное использование, так применение DRM приводит к ситуации, что любую книгу на любом устройстве прочитать нельзя. Одим из ярких примеров было дистанционное удаление легально купленных книг с устройств пользователей. Однако, поскольку не составляет труда купить электронную книгу, читающую форматы, не поддерживающие DRM (например, fb 2, rtf , txt и т. п.), а коммуникационными возможностями обладают далеко не все электронные книги, это едва ли можно считать недостатком электронных книг как класса устройств. Устройства для чтения электронных книг требуют периодической подзарядки встроенных аккумуляторов (батарей).

Цифровой микроскоп Цифровой микроскоп– это микроскоп, укомплектованный цифровой системой ввода изображений, с помощью которой изображения передаются в компьютер. Цифровой микроскоп дает возможность не просто наблюдать микро объекты, но и документировать изображения с помощью установленной на микроскоп системы ввода, а при необходимости и проводить измерения на изображениях и их анализ с помощью программного обеспечения.

Цифровой микроскоп Для передачи изображений с микроскопа или стереомикроскопа в компьютер могут использоваться цифровые видеокамеры, цифровые фотокамеры или аналоговые системы ввода. С помощью этих устройств изображение с микроскопа передается в компьютер для последующего архивирования или обработки при необходимости. Выбор системы ввода зависит от задач, которые необходимо решать и требований, предъявляемых к качеству изображений.

Цифровой микроскоп Цифровые микроскопы позволяют передавать изображение с различным увеличением от увеличения в несколько раз до увеличения в сотни тысяч раз

Графический планшет, или дигитайзер, предназначен для ввода в компьютер графических изображений, и используется при работе с программами профессиональной графики и САПР, а также для создания либо копирования рисунков или фотографий. Он позволяет создавать рисунки так же, как на листе бумаги. Это устройство ввода информации состоит из планшета и указателя. Изображение преобразуется в цифровую форму, отсюда название устройства (от англ. digit - цифра).

Графический планшет Принцип действия дигитайзера основан на фиксации координат курсора на поверхности планшета при помощи встроенной сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников. Устройство позволяет преобразовать передвижение указателя по планшету в формат векторной графики. Дигитайзер точно определяет абсолютные координаты указателя на планшете и переводит их в координаты точки на экране монитора.

Графический планшет В качестве указателей используют- ся специальные круговые курсоры и перья. Как и мыши, указатели снабжаются кнопками. Курсоры позволяют точно задавать координаты точки, их чаще используют при работе в САПР. Перья применяют при работе в графических редакторах, некоторые из них чувствительны к нажиму и позволяют менять параметры линий

Графический планшет Планшеты бывают жесткими и гибкими. Гибкие планшеты можно сворачивать в трубку, они удобны при транспортировке и хранении, обладают меньшим весом, компактностью и ценой, но в то же время – более низкой разрешающей способностью и надежностью, чем жесткие

Графический планшет Результат работы дигитайзера воспроизводится на экране монитора и в случае необходимости может быть распечатан на принтере. Дигитайзерами обычно пользуются архитекторы, дизайнеры. Высокая цена на профессиональные дигитайзеры с большим форматом планшета и качественным, сбалансиро ванным указателем, ограничивает использование этого устройства ввода информации