Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002), страница 6

Запись на целиком заполненном компакт-диске (73 минуты) содержит свыше 6 миллиардов битов информации. Автомобильные карбюраторы. Если раньше управление в автомобильном двигателе осуществлялось исключительно за счет механических связей (включая хитроумные «аналоювые» механические устройства, чувствительные к температуре, давлению и т.д.), то теперь работу двигателей контролируют встроенные микропроцессоры.

Различные электронные и электромеханические датчики преобразуют информацию, характеризующую состояние двигателя, в числа, обрабатывая которые микропроцессор может управлять подачей в двигатель топлива и кислорода. На выходе микропроцессора появляется меняющаяся во времени последовательность чисел, которая воздействует на электромеханические приводы, которые в свою очередь, осуществляют управление двигателем. 1.2. Соотноц<ение между аналоговым и цифровым 25 Телефон. В момент своего появления сто лет назад телефон состоял из аналоговых микрофона и воспроизводящего устройства, соединенных парой медных проводов (или это была веревка?). Даже сегодня у вас дома вероятнее всего стоит аналоговый телефонный аппарат, с которого на центральную телефонную станцию (ЦС) передаются аналоговые сигналы.

Однако на большинстве ЦС эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид, прежде чем они отправляются по назначению, независимо от того, является адресат абонентом той же самой ЦС или находится где-то еще. В частных телефонных сетях !рг)ча<е ЬгапсЛ ехсЛапдез, РВХз), используемых в бизнесе, сигнал уже много лет сохраняет цифровой вид на всем пути до места приема. Сегодня многие коммерческие структуры, ЦС и поставщики традиционных телефонных услуг преобразуются в системы интегрированной связи, в которых оцифрованныйй звук н поток данных объединяются для переда*<и по одной ! Р-сети (! Р— 1п<егпе< Рго<осо!).

Сыел<офор. Для переключения светофора обычно применяются электромеханические таймеры, с помощью которых зеленый свет вклю <ается в каждом из направлений на заранее установленное время. Позднее стали использовать контроллеры, позволяющие удерживать светофор в нужном состоянии в течение времени, которое зависит от интенсивности транспортного потока, определяемой с помощью датчиков, вмонтированных в дорожное покрытие.

В современных контроллерах применяют микропроцессоры, и это дает возможность так управлять сигналами светофора, чтобы максимизировать пропускную способность данного перекрестка или, как это сделано в некоторых городах в Калифорнии, для того чтобы самым изобретательным образом приводить водителей в замешательство, Кинематографические трюки. Раньше специальные эффекты реализовывались, как правило, с помощью миниатюрных глиняных моделей, путем фотографирования — кадр за кадром — последовательных фаз нх движения, а также с помощью трюковых фотографий и многократного наложения изображения на пленке. Сегодня космические корабли, страшилищ ь сцены из других миров и даже дети преисподней (в художественном мул ьтипликацноннсм фильме «Игрушечная историял студии Р<хаг) синтезируются исключительное помощью цифровых компьютеров.

Может быть, в один прекрасный день вообще отпадет нужда в каскадерах? Революция в электронике длится уже довольно долго, и переход к «твердотельной» электронике начался с аналоговых элементов и устройств на их основе типа транзисторных приемников. Так почему же теперь происходит Лифровал революция? На самом деле имеется много причин, подталкивающих нас к тому, чтобы отдать предпочтение цифровым схемам по сравнению с аналоговыми: ° Восироизводиносл<ь результатов.

При одном и том же наборе входных сигналов (при том же нх числе и при той же их зависимости от времени) налле- жащим образом спроектированная цифровая схема дает точно те же резуль- таты. Выходные сигналы аналоговой схемы зависят от температуры, напряжения питания и других факторов, а также изменяются прн старении компонентов. 26 Главе 1. Введение ° Удобство проектирования. Г!роектирование цифровых устройств, часто называемое «логическим проектированием», представляет собой логическую задачу. Не требуется никаких специальных математических знаний, и поведение небольшой логической схемы можно представить себе мысленно без какого-либо специального учета того, как действуют конденсаторы, транзисторы и другие злементы, для моделирования которых понадобились бы вычисления.

° Гибкаспгь и фуюкциаюаюьпаспь. Как только задача сведена к дискретному виду, ее можно решить, выполнив последовательность логических шагов в пространстве и во времени. Например, вы можете сконструировать устройство, которое будет преобразовывать ваш речевой сигнал (скремблировать) таким образом, что он будет абсолютно не поддающимся дешифрованию кем-либо, у кого нет вашего «ключа» или пароля, но тот, у кого они есть, сможет услышать вашу речь без искажений. ° Программируемость. Возможно, что вы уже хорошо знакомы с цифровыми компьютерами и с легкостью составляете, пишете и отлаживаете программы для них.

Угадайте, к чему я? Большая часть работы по проектированию цифровых устройств выполняется сегодня путем написания программ, да-да, на так называемыхязыках описанию схем((заггбгаге Йевсг!рйап !ап8иайед НВьв). Эти языки позволяют задать как структуру цифровой схемы, так и выполняемую ею функцию, или смоделировать их. В типичном случае компилятор языка описания схем сопровождается программами моделирования и си нтеза. Эти программные средства используются для тестирования поведения модели устройства до его реального воплощения, а затем для синтеза, то есть для преобразования модели в схему согласно технологии выбранных компонентов. ° Быстрадвйсл1вив.

Сегодняшние цифровые устройства могут работать очень быстро. Отдельные транзисторы в самых быстрых интегральных микросхемах могут переключаться менее чем за 10 пикосекунд, а в законченном сложном устройстве, построенном на таких транзисторах, опрос его входов и формирование выходного сигнала происходят менее чем за 2 наносекунды. Это означает, что такое устройство способно производить 500 миллионов ~ действий в секунду или больше. КОРОТКИЕ ИНТЕРВАЛЫ ВРЕМЕНИ Микросекунда (мкс, рз) равна 10 в секунды. Наносекунда (юс, пз) — это 10 секунды, а пикасекупда (пс, рз) — 1О '- секунды.

За одну наносекунду свет проходит в вакууме примерно фут (30 см), а дюйм (2.5 см) проходит за 85 пикосекунд. Поскольку отдельные транзисторы в самых быстрых интегральных микросхемах переключаются сегодня менее чем за 10 пикосекунд, задержка сигнала, распространяющегося со скоростью света, при прохождении от одного транзистора к другому в кремниевом кристалле площадью 0.5 квадратного дюйма (1,5х1.5 см) становится ограничивающим фактором при расчете схем.

1.3. Цифровыеустройства 27 ° Экономичность. Цифровые схемы позволяютреалнзоватьуйму функциональных возможностей в малом объеме. При массовом производстве широко используемые схемы можно «интегрировать» в один «кристалл» очень малой стоимости; благодаря этому появил нсь дешевые изделия, такие как калькуляторы, цифровые часы и звуковые поздравительные открытки.

(Вы можете спросить: «Так ли уж это хорошо?» Важно не это!) ° Устойчиво раэыиыающаяся техналагил. Проектируя цифровую систему, вы почти всегда осознаете, что через нескольколет появится более быстрая, более дешевая или еще в каком-нибудь смысле лучшая элементная база. Мудрые проектировщики могут предусмотреть в исходной конструкции системы ожидаемое продвижение вперед, предвосхищая устаревание системы и делая ее в глазах потребителя более ценной. Например, настольные компьютеры часто снабжают «разъемами расширения» для включения более быстрых процессоров и памяти большего объема нежели те, какие были в наличии на момент выпуска этих компьютеров.

Вот так, пожалуй, обстоит дело с цифровым проектированием. Из оставшейся части этой главы вы узнаете чуть больше о технической стороне дела, и это подготовит вас к тому, о чем дальше пойдет речь в этой книге. 1.3. Цифровые устройства Самые элементарные цифровые устройства называются вентилями (да!ел). Нет, нет! Не в честь основателя большой фирмы, специализирующейся на выпуске программного обеспечения. [Игра слов: по-английски термин «вентили» (во множ. числе) пишется и звучит точно так же, как имя Билла Гейтса (В!!! Саге»), основателя знаменитой компании М!сгозоГ!. — Прим, пере«.) Первоначально вентили получили свое название по выполняемой ими функции, состоящей в том, чтобы пропускать или задерживать поток цифровой информации (служить по отношению к нему «воротами»).

В общем случае вентиль имеет один нли большее число входов и вырабатывает выходной сигнал, который зависит от значения сигнала на входе (или значений сигналов на входах) в данный момент времени. Хотя входные и выходные сигналы могут быть аналоговыми величинами, такими как напряжение, ток или даже давление жидкости, согласно модели считается, что они принимают только два дискретных значения: О и 1. На рис.

1. ! приведены обозначения трех самых важных типов вентилей. Вентиль И (или логическая схема И, Аг)0 я а!я) с двумя входами, показанный на рис. (а), вырабатывает ! на выходе, если на обоих его входах действуют единичные сигналы; в противном случае выходной сигнал равен О. На рисунке один и тот же вентиль повторен четыре раза с четырьмя возможными комбинациями сигналов на его входах и с соответствующими значениями выходного сигнала. Вентиль называется катбинаиианнай схемой (сатЬ!пабопа! с!ясий), так как сигнал на его выходе определяется только комбинацией входных сигналов в данный момент времени.