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.
КОРОТКИЕ ИНТЕРВАЛЫ ВРЕМЕНИ
Микросекунда (мкс, /is) равна 10"6 секунды. Наносекунда (не, ns) - это 10~9 секунды, а пикосекунда (пс, ps) - 10~12 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
(1.5x1.5 см) становится
ограничивающим фактором при расчете схем.
• 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.