Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002), страница 5

Похоже, что всякий раз, когда я заканчиваю работу над очередным проектом, случается какое-нибудь бедствие. Когда выходило первое издание, произошло землетрясение 1989 года. За четыре дня до завершения работы над вторым изданием мне вырезали аппендикс. На этот раз ничего плохого не происходило вплоть до выхода первого тиража, когда я узнал о кончине Роберта Мак-Фаддена. Он умер совсем молодым, но живы его картины и они по-прежнему вдохновляют воображение многих из нас. Как всегда, я должен поблагодарить мою жену Кейт (Каге), смирившуюся с тем, что приходится поздно ложиться спать и терпеть мою подавленность, раздражительность, поглощенность работой и телефонные звонки каких-то таинственных людей в те периоды времени, когда я бываю занят очередным сочинением наподобие этого.

Мы с Кейт надеемся, что вы приступаете к чтению этой книги с не меньшим удовольствием, чем то, с каким мы заканчиваем ее. Джон Ф Уэйкеряи Маунтин-Вью, Калифорния гл ва ВВЕДЕНИЕ обре пожаловать в мир цифровой электроники. Возможно, вы являетесь студентом, специализирующимся в области информатики, знаете все о программировании и о программном обеспечении компьютеров и решили разобраться в том, как может функционировать все это фантастическое аппаратное обеспечение. Но возможно, что вы студент, специализирующийся в области электроники, который уже знает кое-что об аналоговых схемах и хотел бы узнать побольше о том, что его интересует.

Неважно! Начиная с довольно примитивного уровня, мы покажем в этой книге, как проектировать цифровые схемы и устройства. Мы познакомим вас с основными идеями, необходимыми для того, чтобы разобраться в этих вещах, и приведем массу примеров. Вместе с принципами мы постараемся передать дух реального проектирования, рассматривая — там, где это оказывается возможным, — практическое воплощение современными средствами. И я, автор, в дальнейшем часто говорю «мы» в надежде, что вы втянетесь и почувствуете, что ваше обучение происходит в результате действий, совершаемых нами совместно. 1.1. О цифровом проектировании Некоторые называют его «логическим проектированием».

Пожалуйста! Так или иначе, конечная цель любого проекта — создание системы. Чтобы достичь желаемого, вам предстоит с помощью этого учебника овладеть большим, нежели просто логические уравнения и теоремы. Как следует из названия этой книги, речь пойдет о принципах и применениях. Большинство из рассматриваемых нами принципов останутся важными на протяжении еще многих лет, хотя возможно, что способы применения некоторых из них могут оказаться такими, какие сегодня еще ие известны. Что касается практической реализации, то ко времени начала вашей работы в этой области она может чуть отличвгься от того, как она представлена здесь, и наверняка будет продолжать изменяться на протвкении вашей трудовой леятельности.

Поэтому материал этой книги, относящийся к «применениям», следует воспринимать как возможность лучше усвоить «принципы» и как способ науч иться методам проектиРования на примерах. 22 Глава 1. Введение Одна из целей этой книги состоит в таком представлении основных принципов, юторого было бы достаточно для понимания вами, что происходит, когда вы применяете программные средства для выполнения простейших операций. Те же самые основные принципы помогут вам усвоить существо проблемы в случае, если вы столкнетесь с необходимостью усмирить эти программные средства. В тексте, заключенном в рамку и озаглавленном «Важные соображения...», перечислены несколько ключевых моментов, которые вам предстоит усвоить в процессе обучения. Большинство из иих, возможно, покажутся вам сейчас лишенными смысла, но позднее вы вернитесь назад и взгляните на иих снова.

Проектирование цифровых устройств — это инженерное искусство, и как таковое оно означает «решение проблем». Мой опыт показывает, что только на 5— 1О процентов проектирование цифровых устройств является «интересным занятием», когда работа носит творческий характер, вас посещает вспышка прозрения или удается придумать новый подход. Все остальное, по большей части, — просто механическая работа. Уверяю вас, что сегодня выполнять эту рутинную работу много легче, чем 20 или даже 10 лет назад, но вы пока еще не можете тратить 1005» или даже 50;~ времени на интересные занятия. ВАЖНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ ПРИ ЦИФРОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ° Хорошие средства не гарантируют хорошего результата, но они здорово помогают, избавляя вас от головной боли при осуществлении необходимых действий. ° Цифровые схемы обладают аналоговыми характеристиками.

° Нужно знать, когдаследует волноваться по поводу аналоговых аспектов при проектировании цифрового устройства, а когда не надо. ° Всегда сопровождайте свои проекты надлежащей документацией, чтобы сделать их понятными и вам и другим. ° Применяйте имена сигналов, содержащие указание на их активные уровни, и пользуйтесь принципом «инверсия к инверсии» (ЬцЬЫе-го-ЬцЬЫе).

° Разберитесь со стандартными составными блоками и используйте их. ° Проектируйте систему в целом так, чтобы минимизировать ее стоимость, включая ваши собственные инженерные усилия как часть затрат. ° Расчет конечных автоматов подобен программированию; подходите к этому именно с такой точки зрения. ° Применяйте программируемую логику для упрощения конструкции, уменьшения стоимости и обеспечения возможности видоизменить ее в последнюю минуту. ° Избегайте проектирования асинхронных схем. Применяйте синхронные методы проектирования до тех пор, пока не появятся лучшие.

° Возможно точнее учитывайте неизбежно асинхронный характер взаимодействия между различными подсистемами и их взаимодействия с внешнимм миром, а также предусматривайте наличие надежных с инхронизирующих устройств. ° Нужно вовремя отлавливать короткие паразитные импульсы (глюки). т.2. Соотношение между аналоговым и цифровым 23 Помимо творческой работы и работы, выполняемой механически, существует много других видов деятельности, в которых специалист по цифровой электронике должен быть компетентным, чтобы работать успешно, в том числе он должен владеть следующим; ° Отладка. Практически невозможно быть хорошим разработчиком, не владея техникой выявления неисправностей. Успешная отладка предполагает планирование, систематический подход, терпение и логичность действий: если вы не в состоянии разобраться со случаем, когда проблема есть, то вам не догадаться, когда проблемы нет! ° Требования бизнеса и практическая реализация, На работу специалиста, разрабатывающего цифровые устройства, влияет множество факторов неннженерного характера, включая стандарты на документацию, доступность требуемых компонентов, определение характеристик, технические задания, календарные планы, политика фирмы и хождение на ленчи с поставщиками.

° Готовность найти на риск. Приступая к созданию того или иного устройства, вы должны тщательно взвесить, чем вы рискуете в отношении того, что может быть достигнуто, и в отношении того, что может быть следствием; причем диапазон рассмотрения должен простираться от выбора новых компонентов (окажутся ли они доступным и в момент, когда я буду готов собрать первый образец?) до обязательств по срокам (не потеряю ли я работу, если опоздаю?). ° Контакты. В конечном счете, вам предстоит передать успешно завершенный проект другим инженерам, в другое подразделение или покупателям.

Без хороших навыков в установлении контактов, вам никогда не осуществить этот шаг успешно. Имейте в виду, что при взаимодействии вы не только отдаете, но и получаете, так что учитесь быть хорошим слушателем! Дальше в этой главе и повсюду в тексте я буду продолжать высказывать различные утверждения атом, что важно и что не важно. Я думаю, что у меня есть право на это, как у специалиста со сравнительно большим опытом успешной практической деятельности в области цифрового проектирования. Но я также приглашаю всех поделиться со мной вашим собственным мнением и опытом (пишите мне по электронной почте по адресу з о(зп8хакег1у. соза).

1.2. Соотношение между аналоговым и цифровым В аналоговых (ана(ад) устройствах и системах происходит преобразование таких меняющихся во времени сигналов, которые могут принимать любые значения из непрерывного интервала величин; эти величины могут быть напряжением или током или иметь другую размерность, То же самое происходит в цифровых (ЙК((а() схемах н системах; отличие состоит только в том, что мы можем притворяться, будто это не так.

Цифровой сигнал — это модель, согласно которой в любой момент времени сигнал может принимать только одно из двух дискретных значений, которые мы называем «нулем» (0) и «единицей» (() (или «низким» и «высоким» уровнями, «ложью» и «истиной», отрицанием н утверждением, Сэмом и Фредом нли как-то еще). 24 Глава 1. Введение Цифровые компьютеры появились в 40-х годах и начали широко применяться на практике в 60-х. Но только в последние 1О или 20 лет «цифровая революция» распространилась на многие другие стороны жизни. Можно привести следующие примеры систем, которые раньше были исключительно аналоговыми и теперь «переходят» в разряд цифровых: Фотография.

До с их пор в большинстве фотоаппаратов для регистрации изображения используются галоидные соединения серебра. Однако увеличение объема цифровой памяти в одном кристалле привело к появлению цифровых камер, в которых изображение фиксируется в виде массива точек (пикселов) размером 640х480 или больше, где в каждом пикселе запоминается интенсивность красной, зеленой и синей цветовых составляющих, причем на каждую нз них отводится по 8 битов. Этот большой массив данных можно преобразовать и сжать; в частности, в формате, называемом )РЕО, размер запоминаемого массива данных может составлять только 5»У» от исходного объема в зависимости от кът ичества деталей в изображении. Таким образом, принцип действия цифровых камер основан на применении цифровой памяти и на цифровой обработке данных.

Видеозапись. На универсальном цифровом диске(Й811а1 иегзаб1е Й»с, 0Ч0) видеоизображение запоминается в цифровом формате с большой степенью сжатия, называемом МРЕО-2. Согласно этому стандарту осуществляется кодирование малой доли кадров видеоизображения в формате подобном !РЕО, а информация об остальных кадрах представляется в виде данных о различии между текущим кадром и предыдущим. Емкость одностороннего 0У0- диска с записью в одном слое составляет 35 миллиардов битов, и этого достаточно для записи примерно двухчасового фильма с хорошим качеством, а емкость двухслойного двустороннего диска в четыре раза больше. Запись звука. Если раньше все сводилось к запоминанию аналоговых колебаний в виле отпечатка на виниловой пластинке или на магнитной ленте, то в настоящее время для записи звука применяют цифровые компакт-диски (сощрасг д!з!гз, С0«), Музыка запоминается на компакт-диске в виде последовательности ! 6-разрядных двоичных чисел, соответствующих выборкам, которые берутся из исходного аналоювого колебания с интервалом 22.7 микросекунды в каждом из стереоканалов.