цифровая электроника что это
Цифровая электроника для начинающих
Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.
Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.
Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Почему именно «0» и «1», а не «0», «1» и «2», к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления («0», «1» и «2»), но двоичная все же победила.
Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что «0» и «1» легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.
Структура цифрового устройства
Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.
Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.
Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.
В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.
Как работает микроконтроллер
Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.
Что происходит, когда включается микроконтроллер?
Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК «прошит» (при этом программу называют «прошивкой») и готов к бою.
Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:
После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он «знает», куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы.
Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.
Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?
Как устроен типичный МК
Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:
Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.
МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.
Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.
Мозг микроконтроллера
Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.
Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).
Память микроконтроллера
Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда. пшик и нету.
Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.
В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:
У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.
Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.
Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х. 2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.
Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.
ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ
Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.
В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.
Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:
Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.
ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ
КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из «0» и «1». Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.
Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:
При этом УУ знает в каком месте памяти взять число «2», в каком число «5» и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.
Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про «женскую логику»? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина «солнце взошло» вызвала следствие «стало светло». При этом про каждое утверждение мы можем сказать «ИСТИНА» или «ЛОЖЬ».
Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину «1», а ложь «0». Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:
Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение «Птицы плавают под водой» И «Вода мокрая» будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным
Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. «Птицы плавают под водой» И «Вода мокрая» истинно, так как истинно утверждение «вода мокрая»
Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:
Солнце всходит каждый день = ИСТИНА
НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ
Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.
УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА
Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.
Подведу итоги:
Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Механические аналоговые компьютеры начали появляться в первом веке, а затем использовались в средневековье для астрономических расчетов. Во время Второй мировой войны механические аналоговые компьютеры использовались для специализированных военных приложений, таких как расчет наведения торпед. В это время были разработаны первые электронные цифровые вычислительные машины. Первоначально они были размером с большую комнату и потребляли столько же энергии, сколько несколько сотен современных персональных компьютеров (ПК).
В то время как цифровые вычисления заменили аналоговые, чисто электронные элементы схемы вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом в Bell Labs в 1947 году, а затем Уильям Шокли изобрел транзистор с биполярным переходом в Bell Labs в 1948 году.
Цифровая революция и цифровая эпоха
Характеристики
Цифровые системы с компьютерным управлением позволяют добавлять новые функции путем пересмотра программного обеспечения и без изменения оборудования. Часто это можно сделать за пределами завода, обновив программное обеспечение продукта. Таким образом, ошибки дизайна продукта могут быть исправлены после того, как продукт окажется в руках покупателя.
Хранение информации в цифровых системах может быть проще, чем в аналоговых. Помехозащищенность цифровых систем позволяет сохранять и извлекать данные без ухудшения качества. В аналоговой системе шум от старения и износа ухудшает хранимую информацию. В цифровой системе, пока общий шум ниже определенного уровня, информация может быть полностью восстановлена. Даже когда присутствует более значительный шум, использование избыточности позволяет восстановить исходные данные при условии, что не произойдет слишком много ошибок.
Строительство
Другая форма цифровой схемы состоит из справочных таблиц (многие из них продаются как « программируемые логические устройства », хотя существуют и другие виды PLD). Таблицы поиска могут выполнять те же функции, что и машины, основанные на логических вентилях, но их можно легко перепрограммировать без изменения проводки. Это означает, что конструктор часто может исправить ошибки конструкции, не меняя расположение проводов. Поэтому в продуктах небольшого объема программируемые логические устройства часто являются предпочтительным решением. Обычно они разрабатываются инженерами, использующими программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования.
Интегральные схемы состоят из нескольких транзисторов на одном кремниевом кристалле и являются наименее дорогостоящим способом создания большого количества взаимосвязанных логических вентилей. Интегральные схемы обычно соединяются между собой на печатной плате, которая представляет собой плату, которая содержит электрические компоненты и соединяет их вместе медными дорожками.
Дизайн
Представление
Представления имеют решающее значение для проектирования цифровых схем инженера. Чтобы выбрать представления, инженеры рассматривают типы цифровых систем.
Для логического моделирования представления цифровых схем имеют форматы цифровых файлов, которые могут обрабатываться компьютерными программами.
Синхронные системы
Асинхронные системы
Большая часть цифровой логики является синхронной, потому что легче создать и проверить синхронный проект. Однако преимущество асинхронной логики состоит в том, что ее скорость не ограничивается произвольными часами; вместо этого он работает на максимальной скорости своих логических вентилей. Построение асинхронной системы с использованием более быстрых компонентов делает схему быстрее.
Компоненты асинхронной логики сложно спроектировать, потому что необходимо учитывать все возможные состояния во все возможные моменты времени. Обычный метод состоит в том, чтобы построить таблицу минимального и максимального времени, в течение которого каждое такое состояние может существовать, а затем настроить схему, чтобы минимизировать количество таких состояний. Разработчик должен заставить схему периодически ждать, пока все ее части войдут в совместимое состояние (это называется «самосинхронизация»). Без тщательного проектирования легко случайно создать нестабильную асинхронную логику, то есть реальная электроника будет давать непредсказуемые результаты из-за совокупных задержек, вызванных небольшими изменениями значений электронных компонентов.
Зарегистрировать системы переводов
Компьютерный дизайн
Компьютерная архитектура
Проблемы проектирования в цифровых схемах
Цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов. Конструкция должна гарантировать, что аналоговая природа компонентов не будет доминировать над желаемым цифровым поведением. Цифровые системы должны управлять запасами по шуму и синхронизации, паразитными индуктивностями и емкостями.
Кроме того, там, где синхронизированные цифровые системы взаимодействуют с аналоговыми системами или системами, которые управляются от других часов, цифровая система может быть подвержена метастабильности, когда изменение входа нарушает время установки защелки цифрового входа.
Поскольку цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов, цифровые схемы вычисляют медленнее, чем аналоговые схемы с низкой точностью, которые используют такое же пространство и мощность. Однако цифровая схема будет производить вычисления с большей повторяемостью из-за ее высокой помехоустойчивости.
Инструменты автоматизированного проектирования
Большая часть усилий по проектированию больших логических машин была автоматизирована за счет применения автоматизации электронного проектирования (EDA).
Части потоков инструментов отлаживаются путем проверки выходных данных смоделированной логики с ожидаемыми входными данными. Инструменты тестирования берут компьютерные файлы с наборами входных и выходных данных и выделяют несоответствия между моделируемым поведением и ожидаемым поведением. Как только входные данные считаются правильными, сам дизайн все равно должен быть проверен на правильность. Некоторые потоки инструментов проверяют проекты, сначала создавая проект, а затем просматривая проект для получения совместимых входных данных для потока инструментов. Если отсканированные данные совпадают с входными данными, то, вероятно, поток инструмента не привел к ошибкам.
После того, как дизайн существует, и его можно проверить и протестировать, его часто необходимо обработать, чтобы его можно было изготовить. Характеристики современных интегральных схем меньше длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста. Программное обеспечение для повышения технологичности добавляет интерференционные узоры к маскам экспонирования, чтобы устранить разомкнутые цепи и повысить контрастность масок.
Дизайн для проверки
Есть несколько причин для тестирования логической схемы. При первой разработке схемы необходимо убедиться, что схема соответствует требуемым функциональным и временным характеристикам. Когда производится несколько копий правильно спроектированной схемы, важно тестировать каждую копию, чтобы убедиться, что производственный процесс не привнес каких-либо недостатков.
Большая логическая машина (скажем, с более чем сотней логических переменных) может иметь астрономическое количество возможных состояний. Заводские испытания в каждом состоянии нецелесообразны.
Компромиссы
Несколько цифр определяют практичность системы цифровой логики: стоимость, надежность, разветвление и скорость. Инженеры исследовали множество электронных устройств, чтобы получить благоприятное сочетание этих качеств.
Расходы
Стоимость логического элемента имеет решающее значение, в первую очередь потому, что для создания компьютера или другой продвинутой цифровой системы требуется очень много вентилей, и потому что чем больше вентилей может быть использовано, тем более способным и / или более ответственным может стать машина. Поскольку большая часть цифрового компьютера представляет собой просто взаимосвязанную сеть логических вентилей, общая стоимость создания компьютера сильно коррелирует с ценой на логический вентиль. В 1930-х годах самые первые цифровые логические системы были построены из телефонных реле, поскольку они были недорогими и относительно надежными. После этого инженеры-электрики всегда использовали самые дешевые доступные электронные переключатели, которые все еще могли соответствовать требованиям.
Первые интегральные схемы оказались счастливой случайностью. Они были сконструированы не для экономии денег, а для экономии веса и позволяли компьютеру управления Apollo управлять инерциальной системой наведения космического корабля. Первые логические вентили на интегральных схемах стоили почти 50 долларов (в долларах 1960 года, когда инженер зарабатывал 10 000 долларов в год). К большому удивлению многих участников, к моменту массового производства схем они стали наименее дорогостоящим методом построения цифровой логики. Усовершенствования в этой технологии повлекли за собой все последующие улучшения в стоимости.
Надежность
«Надежность» логического элемента описывает его среднее время наработки на отказ (MTBF). Цифровые машины часто имеют миллионы логических вентилей. Кроме того, большинство цифровых машин «оптимизированы» для снижения их стоимости. В результате часто выход из строя одного логического элемента приводит к прекращению работы цифровой машины. Можно спроектировать машины, которые будут более надежными, используя избыточную логику, которая не будет работать со сбоями в результате отказа какого-либо одного вентиля (или даже любых двух, трех или четырех ворот), но это обязательно влечет за собой использование большего количества компонентов, что увеличивает финансовые затраты, а также обычно увеличивает вес машины и может увеличить потребляемую мощность.
Впервые цифровые машины стали полезными, когда среднее время наработки на отказ для коммутатора превысило несколько сотен часов. Несмотря на это, у многих из этих машин были сложные, хорошо отрепетированные процедуры ремонта, и они не работали в течение нескольких часов из-за того, что перегорела лампа или моль застряла в реле. Современные транзисторные логические элементы на интегральных схемах имеют среднее время безотказной работы более 82 миллиардов часов (8,2 · 10 10 часов) и нуждаются в них, потому что у них очень много логических элементов.
Fanout
Скорость
Семейства логики
Транзисторно-транзисторная логика (TTL) была большим улучшением по сравнению с ними. В ранних устройствах разветвление увеличивалось до 10, а в более поздних вариантах надежно достигало 20. TTL также был быстрым, с некоторыми вариациями, достигающими времени переключения до 20 нс. TTL все еще используется в некоторых проектах.
Связанная с эмиттером логика очень быстрая, но потребляет много энергии. Он широко использовался для высокопроизводительных компьютеров, состоящих из множества компонентов среднего размера (таких как Illiac IV ).