🗊Презентация Введение в вычислительную технику. Цифровая электроника. (Лекция 1)

Введение в вычислительную технику Цифровая электроника Основные понятия

Базовые определения Сигнал — любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Электрический сигнал — электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Аналоговый сигнал — может принимать любые значения в определенных пределах. Устройства, работающие с аналоговыми сигналами, — аналоговые устройства. Аналоговый сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно во времени и величине. Цифровой сигнал — может принимать только несколько определённых значения (в большинстве случаев только два). Причём допустимы некоторые отклонения от этих значений. Устройства, работающие с цифровыми сигналами, — цифровые устройства.

Причины искажений сигналов Несовершенство характеристик элементов аппаратуры; Шумы (слабые хаотические сигналы, вырабатываемые любым электронным компонентом); Наводки, помехи (сигналы, вызываемые внешними электромагнитными полями — радиопередача, трансформаторы, взаимовлияние цепей и т.д.); Старение элементов — изменение внутренних характеристик элементов со временем; Внешние физические воздействия: температура, влажность, давление, вибрация и т.д. Паразитные эффекты (токовые утечки, паразитные ёмкости, индуктивности, сопротивления).

Преимущества цифровых сигналов Качественная передача на большие расстояния без искажений; Длительное хранение без потерь с возможностью многократного копирования без искажений; Поведение цифровых устройств всегда можно точно рассчитать и предсказать; Цифровые устройства проще проектировать, отлаживать, тестировать, на них меньше сказываются эффекты старения;

Недостатки цифровых сигналов Более сложная и многоступенчатая обработка, чем в случае аналоговых сигналов; Принципиально меньшее предельное быстродействие цифровых устройств по сравнению с аналоговыми; Информационная ёмкость цифрового сигнала гораздо меньше, чем аналогового, поэтому для замены одного аналогового сигнала требуется несколько цифровых сигналов (от 4 до 16) — т.е. требуется введение кодирования (математическая обработка); Для связи с реальным миром требуются преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (на входе, АЦП) и цифровых сигналов в аналоговые (на выходе, ЦАП); Даже при простом алгоритме обработки непрерывных сигналов цифровые устройства гораздо сложнее аналоговых.

Электронное устройство (система)

Виды цифровых сигналов Одиночные цифровые сигналы: Разрешающие/запрещающие сигналы; Сигнализирующие сигналы (флаги); Синхронизирующие сигналы (определяющие момент времени выполнения операции). Сгруппированные (шинные) цифровые сигналы (коды): Коды выборок аналоговых сигналов; Коды адресации устройств (выбора нужного устройства); Коды команд (инструкций); Коды данных.

Универсальное цифровое устройство

Основные определения используемые при описании электронной системы Задача – это набор функций, выполнение которых требуется от электронной системы; Быстродействие – показатель скорости выполнения поставленной перед электронной системой задачи; Гибкость – способность электронной системы подстраиваться под выполнение различных задач; Избыточность – показатель степени соответствия возможностей системы для решения поставленной перед системой задачи; Интерфейс (сопряжение) – соглашение об обмене информацией или правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктвную совместимость устройств участвующих в обмене.

Типы цифровых устройств Устройства с «жёсткой» логикой работы (выходные сигналы в каждый момент жёстко определяются значениями входных сигналов и это соответствие не может быть изменено); Устройства с программируемым алгоритмом работы (соответствие выходных сигналов входным сигналам может быть изменено программой — набором управляющих кодов). Устройства с «жёсткой» логикой быстрее, проще для простых функций, но сложнее в разработке. Устройства с программируемой логикой медленнее, но проще для реализации сложных функций и проще в разработке.

Элементы цифрового сигнала

Три модели цифровых устройств Логическая модель. Модель с временными задержками. Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель).