1.2. Соотношение между аналоговым и цифровым

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 другую размерность. То же самое происходит в цифровых (digital) схемах и 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» (I) (или «низким» и «высоким» уровнями, «ложью» и «истиной», отрицанием и утверждением, Сэмом и Фредом или как-то еще).

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. До сих 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 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 в зависимости от количества деталей в изображении. 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, 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 колебания 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, которые в свою очередь, осуществляют управление двигателем.

•       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 (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 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 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 (в художественном мультипликационном фильме «Игрушечная история» студии Pixar) синтезируются исключительно с 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 цифровая революция? На самом деле имеется много 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. 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 (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 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.

•       Экономичность. Цифровые схемы позволяют реализовать уйму функциональных возможностей в малом объеме. При массовом производстве широко используемые схемы можно «интегрировать» в один «кристалл» очень малой стоимости; благодаря этому появились дешевые изделия, такие как калькуляторы, цифровые часы и звуковые поздравительные открытки. (Вы можете спросить: «Так ли уж это хорошо?» Важно не это!)

•       Устойчиво развивающаяся технология. Проектируя цифровую систему, вы почти всегда осознаете, что через несколько лет 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 де
лая 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.