12994

Вступ до предмету Інформатика

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекція №1 Вступ до предмету Інформатика План 1. Вступ. Про цифрове проектування. 2. Відношення між аналоговим і цифровим. 3. Роль програмування в проектуванні цифрових пристроїв. 1. Вступ. Про цифрове проектування. В настоящий момент ...

Украинкский

2013-05-07

305.5 KB

1 чел.

 Лекція 1 Вступ до предмету «Інформатика …»

План

       1. Вступ. Про цифрове проектування.

       2. Відношення між аналоговим і цифровим.

       3. Роль програмування в проектуванні цифрових пристроїв.

1. Вступ. Про цифрове проектування.

В настоящий момент становится все более актуальным вопрос о проектировании чего либо. Почти вся деятельность человека связана с созданием и реализацией проектов.

Цель любого проекта - создание системы. Нам предстоит познакомится с большим, нежели просто уравнения и теоремы.

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 не известны. Что касается практической реализации, то ко времени начала вашей работы в этой области она может чуть отличаться от того, как она будет представлена здесь, и наверняка будет продолжать изменяться на протяжении вашей трудовой деятельности. Поэтому материал этого предмета, относящийся к «применениям», следует воспринимать как возможность лучше усвоить «принципы» и как способ научиться методам проектирования на примерах.

Одна из целей этой дисциплины состоит в таком представлении основных принципов, которих 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 реализовать их  программными средствами.

Проектирование цифровых устройств - это инженерное искусство, Опыт показывает, что только на 5— 10 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.

Всегда сопровождайте свои проекты надлежащей документацией, чтобы сделать их понятными и вам и другим. 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.

Применяйте программируемую логику для упрощения конструкции, уменьшения стоимости и обеспечения возможности видоизменить ее в последнюю минуту.

2. Відношення між аналоговим і цифровим.

В аналоговых {analog) 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 другой вид и размерность. То же самое происходит в цифровых {digital) схемах и системах. 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» (“1”) (или «низким» и «высоким» уровнями, «ложью» и «истиной», отрицанием и утверждением. Цифровые компьютеры появились в 40-х годах и начали широко применяться на практике в 60-х. Но только в последние 10 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. Ранее в большинстве фотоаппаратов для регистрации изоб
ражения использовалось галоидные соединения серебра. Однако увеличение объема цифровой памяти в одном кристалле привело к появлению цифровых камер, в которых изображение фиксируется в матрице памяти в виде массива точек (пикселов) размером 640x480 или больше, где в каждом пикселе запоминается интенсивность красной, зеленой и синей цветовых составляющих, причем на каждую из них отводится по 8 битов. Этот большой массив данных можно преобразовать и сжать; в частности, в формате, называемом
JPEG, размер запоминаемого массива данных может составлять только 5% от исходного объема изображения в зависимости от количества деталей. Таким образом, принцип действия цифровых камер основан на применении цифровой памяти и на цифровой обработке данных.

 •Видеозапись. На универсальном цифровом диске (digital versatile disc, DVD) видеоизображение запоминается в цифровом формате с большой степенью сжатия, например называемом MPEG-2. Согласно этому стандарту осуществляется кодирование малой доли кадров видеоизображения в формате подобном JPEG, а информация об остальных кадрах представляется в виде данных о различии между текущим кадром и предыдущим. Емкость одностороннего DVD-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 виде отпечатка на виниловой пластинке или на магнитной ленте, то в настоящее время для записи звука применяют цифровые компакт-диски (compact disks, CDs). Музыка запоминается на компакт-диске в виде последовательности 16-разрядных двоичных чисел, соответствующих выборкам, которые берутся из исходного аналогового ёе происхождения с интервалом 22.7 микросекунды в каждом из стереоканалов. 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 «аналоговые» 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, и которые в свою очередь, осуществляют управление двигателем.

    Телефон. В момент своего появления более сто лет назад телефон состоял из аналоговых микрофона и воспроизводящего устройства, соединенных парой медных проводов. 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 (private branch exchanges, PBXs), 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 оцифрованный звук и поток данных объединяются для передачи по одной IP-сети (IP - Internet Protocol).

       Светофор.Для переключения светофора обычно применяются электромеханические таймеры, с помощью которых зеленый свет включается 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.

    Кинематографические трюки. Раньше специальные эффекты реализовыва-лись, как правило, с помощью миниатюрных пластилиновых моделей, путем фотографирования - кадр за кадром - последовательных фаз их движения, а также с помощью трюковых фотографий и многократного наложения изображения на пленке. Сегодня космические корабли, страшилища, сцены из других миров и даже дети преисподней. синтезируются исключительно с помощью цифровых методов на  компьютерах. 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 цифровая революция? На самом деле имеется ряд причин, подталкивающих нас к тому, чтобы отдать предпочтение цифровым схемам по сравнению с аналоговыми:

     •Воспроизводимость результатов. При одном и том же наборе входных сигналов (при том же их числе и при той же их зависимости от времени) надлежащим образом спроектированная цифровая схема дает точно те же результаты на выходе .Выходные сигналы аналоговой схемы зависят от температуры, напряжения питания и других факторов, а также изменяются при старении компонентов.

        Удобство проектирования. Проектирование 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 элементы, для моделирования которых понадобились бы вычисления.

   Гибкость и функциональность. 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 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 это я? Большая часть работы по проектированию цифровых устройств выполняется сегодня путем написания программ, да-да, на так называемых языках описания схем {hardware description languages, HDLs). 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 синтеза. 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.

    Быстродействие. 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.

3. Роль програмування в проектуванні цифрових пристроїв

Цифровое проектирование не обязательно требует каких-то программных средств. Например, на рис. 1.1 представлен простейший инструмент разработки цифровых схем «старой школы» - пластиковый трафарет для вычерчивания логических элементов на принципиальной схеме вручную [на нем паяльником выжжено имя владельца: WAKE. 

Однако сегодня программные средства являются существенной составной частью цифрового проектирования. Действительно, в последние несколько лет доступность и практичность языков описания схем в сочетании со средствами моделирования схем и загрузки программируемых кристаллов полностью изменили сам характер цифрового проектирования. В этой книге мы будем повсюду широко использовать языки описания схем.

Различные программные средства, применяемые при автоматизированном проектировании {computer-aided design, CAD), повышают производительность труда разработчика и позволяют выполнить проект более правильно и улучшить его качество. В мире, где властвует дух конкуренции, когда поджимают сроки, без использования программных средств нельзя получить высококачественные результаты. Вот важные примеры программных средств для цифрового проектирования:

      •Графический редактор схем. Это схемотехнический эквивалент текстового редактора. Он позволяет рисовать схемы на экране, а не карандашом на бумаге. Более совершенные графические редакторы проверяют также, нет ли в схеме простых, легко обнаруживаемых ошибок,  таких как короткое замыкание выходов, наличие никуда не поданных сигналов и т.д.

Рис.1 Трафарет розроботки цифрових схем.

    Языки описания схем. Первоначально эти языки предназначались для моделирования схем, но сегодня все в большей степени они применяются для проектирования аппаратуры. Эти языки можно использовать при разработке чего угодно: от отдельных функциональных модулей до больших цифровых систем на многих кристаллах.                                                                                                                                  Компиляторы языков описания схем, средства моделирования и синтеза. Типичный программный пакет языка описания схем состоит из нескольких компонентов. Находясь в такой среде, проектировщик пишет текстовую «программу», и компилятор языка анализирует ее на наличие синтаксических ошибок. Если процесс компиляции завершается успешно, то проектировщик получает результат для передачи его программе синтеза, которая создает соответствующую конфигурацию схемы на заданной элементной базе. Чаще всего перед синтезом проектировщик использует результат компиляции в качестве входных данных моделирующей программы, чтобы проконтролировать поведение разрабатываемого устройства.

     Моделирующие программы. Цикл проектирования заказной однокристальной цифровой интегральной микросхемы долог и дорог. Когда кристалл уже изготовлен, очень трудно, а часто невозможно устранить ошибки, проверяя внутренние соединения, размеры которых очень малы, или произвести изменения в логических схемах и соединениях между ними. Как правило, изменения необходимо внести в исходные данные проекта, а для реализации требуемых изменений должен быть изготовлен новый кристалл. Поєтому на выполнение этой процедуры могут уйти месяцы. Сегодня у разработчиков кристаллов есть стимул сразу (или почти сразу) «получить то, что надо» с первой же попытки. Моделирующие программы помогают проектировщикам предсказать электрические характеристики и функциональное поведение кристалла без его фактического изготовления, позволяя обнаружить если не все, то подавляющее большинство недостатков до того, как кристалл будет сделан.

     •Моделирующие программы используются также при разработке «программируемых логических устройств», с которыми мы познакомимся позднее, а также при проектировании больших схем, в которые входит много отдельных компонентов. В этом случае моделирование не столь существенно, поскольку разработчику легче провести замену компонентов или изменить разводку на печатной плате. Однако даже небольшое моделирование позволяет сэкономить время за счет обнаружения простых и глупых ошибок.

     Программные средства тестирования (test benches). Разработчики цифровых устройств научились формализовать моделирование и отладку схем в программных средах, получивших название программных или инструментальных средств тестирования. Идея состоит в том, чтобы собрать вокруг разрабатываемого проекта совокупность программ для автоматического контроля выполняемых схемой функций, а также для наблюдения за поведением схемы и определением ее временных характеристик. Это особенно полезно, когда в проекте производятся небольшие изменения; тогда можно запустить программу тестирования, чтобы убедиться в том, что обнаруженные ранее дефекты устранены, а «улучшения», произведенные в одном месте, ничего не нарушили ни в каком другом месте. Программы тестирования могут быть написаны на том же самом языке описания схем, на котором составлен проект, а также на С или C++ или на комбинации языков, включая языки описания сценариев типа языка PERL.

  •Средства анализа и контроля временных соотношений. Описание временных параметров является важной составной частью проектирования цифровых устройств. Любой цифровой схеме необходимо время, чтобы выработать новое значение выходного сигнала в ответ на изменение на входе, и  проектировщик тратит много усилий, чтобы убедиться, что соответствующие изменения на выходе происходят достаточно быстро (или, в некоторых случаях, не слишком быстро). Специализированные программы позволяют автоматизировать скучную процедуру рисования временных диаграмм, а также определять и контролировать временные соотношения между различными сигналами в сложной системе.

 •Текстовые редакторы. Наконец, давайте не забудем об обычных текстовыхт редакторах и о текстовых процессорах. Очевидно, что эти средства нужны для написания исходной программы проекта на языке описания схем, их роль является менее важной для каждого проекта, а именно при создании документации!

 Помимо использования перечисленных программных средств, разработчики иногда пишут специализированные программы на языках высокого уровня, например таких как С или C++, или составляют сценарии на языках типа PERL для решения частных проблем, относящихся к проектируемой системе.

Хотя средства автоматизации проектирования и важны, умения ими пользоваться еще не достаточно, чтобы быть хорошим проектировщиком цифровых устройств. Вы же не считаете себя великим писателем только потому, что быстро нажимаете на клавиши и проворно управляетесь с текстовым редактором. Обучаясь проектированию цифровых устройств, постарайтесь овладеть всеми средствами, какие только будут вам доступны: графическими редакторами схем, средствами моделирования, компиляторами языков описания схем. Но помните, что само по себе изучение этих средств не гарантирует достижения заведомо хороших результатов. Пожалуйста, будьте внимательны по отношению к тому, что получается в результате использования вами этих средств.

PAGE 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62364. Слова, які означають назви предметів (іменники) 354.96 KB
  До кожного з них поставте запитання хто або що вчитель читає слова а учні хором ставлять запитання хто або що Комбайн комбайнер льотчик літак футбол село селянин корівник корова мурашка мурашник. На яке питання відповідає слово відгадка Що означає це слово назву предмета...
62367. Істинні та хибні висловлення 302.56 KB
  Мета: дати поняття істинне висловлення та хибне висловлення; навчати учнів розрізняти істинні та хибні висловлення; розвивати логічне мислення память; виховувати любов до праці. Щоб дізнатися що таке істинні та хибні висловлення ми пограємо у гру.
62369. Что такое музыка и что она из себя представляет? 22.79 KB
  В историческом контексте развитие музыки неотделимо от деятельного развития чувственных способностей человека ход слухового освоения человеком музыкального материала в изменяющихся культурных условиях составляет наиболее фундаментальный уровень истории музыки.
62370. Нумерация чисел второго десятка 20.35 KB
  Цели: закреплять знания учащихся по теме «Нумерация чисел 11-20», продолжать формировать умение учеников представлять двузначные числа в виде суммы разрядных слагаемых, складывать и вычитать, опираясь на знание разрядного состава числа...