Информационные технологии. Виды, назначение цифровых устройств

Информационные технологии и связь — это отрасль, которая отвечает за сбор, хранение и передачу информации с помощью технических устройств и, в целом, за общение людей на расстоянии. Настоящий бум информационных технологий произошел в 1990-е в связи с распространением персональных компьютеров, сети интернет и персональных мобильных телефонов. Что входит: мобильная связь, местная телефонная связь, междугородная и международная связь, передача данных (в том числе интернет), разработка программного обеспечения.

Сегодня ни одна отрасль не обходится без специалистов по информационным технологиям: сбор и анализ статистики, быстрая передача информации привели к качественным изменениям почти в каждой отрасли. Автоматизация на производстве, электронный документооборот в госуправлении и медицине, дистанционное образование – это яркие примеры повсеместного внедрения информационно-коммуникационных технологий.

Основные функции современных информационных технологий управления предприятиями — поиск, сбор, обработка, хранение необходимых данных, выработка новой информации, решение оптимизационных задач. При этом ставится задача не только автоматизировать трудоемкие, регулярно повторяющиеся рутинные операции переработки большого количества данных, но и путем переработки данных получить принципиально новую информацию, необходимую для принятия эффективных управленческих решений.

В настоящее время существует несколько признаков, по которым происходит классификация информационных технологий. В их числе:

  • способ реализации в АИС (автоматизированных информационных системах);
  • степень охвата задач управления;
  • классы технологических операций;
  • тип пользовательского интерфейса (все, что мы видим на экране компьютера, планшета, смартфона);
  • варианты использования сетей электронно-вычислительных машин;
  • предметная область и другие.

С другой стороны информационные технологии можно разделить на следующие классы:

  1. Офисные технологии, включающие: технологии ввода и компьютерной полнотекстовой обработки документированной информации, в том числе предполагающие перевод на электронные носители накопленной человечеством информации, как правило, недоступной многим его членам; облегчающие преодоление массовым пользователем «языковых барьеров» и др.
  2. Технология построения информационных систем и распределенных баз данных.
  3. Мультимедийные технологии, включающие поддержку сложных сред (виртуальная реальность, фильмы или игры с альтернативными или гиперсценариями) и т.п.
  4. Сетевые технологии: базовые технологии Интернета, Webтехнологии, Intranet-идеологии, локальные, корпоративные, глобальные и комбинированные вычислительные сети и телекоммуникации, открытые системы и поддержка распределенных вычислений на основе объектной ориентации и технологии “клиент-сервер”; геостационарные информационные технологии и т.п.
  5. Интеллектуальные информационные технологии: экспертные системы и системы принятия решений, когнитивные информационные технологии, включают в себя информационные технологии, специально разработанные для развития творческих способностей человека и информационной поддержки творческих процессов и т.п.
  6. Интегральные информационные технологии, все более интенсивно прогрессирующие в последние годы. К ним, наравне с гипертекстовыми и мультимедийными информационными системами и распределенными базами данных, относятся сетевые технологии, обеспечивающие, в том числе, возможность использования телевизионных изображений, музыки и речи и др.[8].

Наконец, информационные технологии можно рассматривать, как глобальные, базовые и конкретные информационные технологии, включающие технологии автоматизации информационных процессов, мультимедийные, гипертекстовые и сетевые, безопасности и защиты данных, интегрированные информационные технологии, технологии образования и др.

1. Основные понятия цифровых устройств и микропроцессорных систем

Цифровое устройство (англ. Digital device) — техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.

Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической.

В последнее время, ввиду достижений микро — и наноэлектроники, широкое распространение получили цифровые устройства на микроэлектронной элементной базе. Примерами цифровых устройств являются широко распространённые сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, цифровые видеокамеры, веб-камеры, компьютеры, цифровое телевидение.

Микропроцессорные устройства являются одной из категорий цифровых устройств, которые, в свою очередь, могут быть классифицированы:

  • по выполняемым функциям;
  • по принципу выполнения алгоритма;
  • по аппаратным и конструктивным особенностям;
  • по областям применения, имеющим свою специфику, например, в полиграфическом оборудовании или в оборудовании связи.

По выполняемым функциям цифровые устройства разделяются на средства управления (контроллеры) и средства обработки сигналов (функциональные преобразователи, сигнальные процессоры).

Для контроллеров характерно наличие развитой системы ввода-вывода, в т.ч. в реальном времени объектов управления, а для сигнальных процессоров — высокое быстродействие при выполнении операций типа умножение-деление, необходимых для реализации алгоритмов обработки сигналов, например, при вычислении производных или при Фурье преобразованиях.

Для обработки аналоговых сигналов используются сигнальные процессоры с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, выполненными в одном кристалле с процессором или в виде отдельных интегральных схем. В особую группу т. н. конверторов принято выделять сигнальные процессоры с аналоговыми портами при числе разрядов кодирования аналогового сигнала 12 и более.

По принципу реализации заданного алгоритма, а также по аппаратным и конструктивным признакам, цифровые устройства могут быть разделены на следующие основные группы:

  • конечные автоматы, построенные на основе элементов малой и средней степени интеграции типа счетчиков, регистров, дешифраторов и других логических и цифровых элементов, выполняющие, как правило, простые функции управления или обработки сигналов;
  • микропроцессоры и микропроцессорные контроллеры (микроконтроллеры) общего назначения, реализующие функции управления программным путем;
  • специализированные микропроцессоры, используемые, например, как ядро для сигнальных процессоров;
  • программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), на основе которых строятся самые эффективные по быстродействию контроллеры и сигнальные процессоры, использующие параллельные алгоритмы.

Во многих случаях цифровые устройства содержат элементы из нескольких групп, объединенные одной конструкцией – кристаллом или печатной платой. Типичный пример интеграции элементов с различными функциями в одном кристалле – однокристальный микроконтроллер.

Под термином “микроконтроллер”, как правило, понимают интегральную схему, содержащую микропроцессорное ядро и дополнительные элементы, необходимые для выполнения функций управления и обработки сигналов, в т.ч. аналоговых. Существующая номенклатура микроконтроллеров позволяет решить многие задачи с использованием одной интегральной схемы, а процесс проектирования свести к разработке программы, но даже в этом случае, кроме интегральной схемы микроконтроллера, в конструкции присутствуют дополнительные элементы, обеспечивающие питание, подключение и т.д.

Принято называть такое устройство по роду тех функций, которые оно выполняет, в т.ч. по функции управления, например, “Микропроцессорное устройство управления…”, “Устройство управления на базе микроконтроллера”. В некоторых случаях, чтобы избежать двуязычной тавтологии (устройство управления — контроллер), устройство в целом называют “микроконтроллер” или “контроллер”, подразумевая, что в его состав входит однокристальный микроконтроллер как отдельная интегральная схема. Существовавший ранее термин “одноплатный микроконтроллер”, под которым понимался единый конструктивный блок, состоящий из отдельных интегральных схем: центрального процессора, памяти, интерфейсов и т. д., в настоящее время используется редко.

2. Назначение и принцип действия логических элементов

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения. Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную.

Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа. Логические преобразования двоичных сигналов включают в себя три операции: логическое сложение, логическое умножение и логическое отрицание.

Логическое сложение (дизъюнкция), или операция ИЛИ, обозначается знаками «+» или «V»: F = X1 + X2 + X3 + … + Xn . В соответствии с этим выражением на выходе элемента ИЛИ всегда единица, если хотя бы на одном из входов есть единица. Таблица истинности (состояние логических входов при определенных значениях входных сигналов), обозначение на логических схемах и временные диаграммы работы элемента ИЛИ представлены на рисунке 1.

Логический элемент ИЛИ

Рисунок 1 – Логический элемент ИЛИ: таблица истинности; обозначение на логических схемах; временные диаграммы

Логическое умножение (конъюнкция), или операция И, обозначается знаками « · », « /\ » или написанием переменных рядом без знаков разделения: F = X1X2X3…Xn . На выходе элемента И всегда нуль, если нуль хотя бы на одном из входов. Таблица истинности, обозначение на логических схемах и временные диаграммы работы элемента И представлены на рисунке. 2.

Логический элемент И

Рисунок 2 – Логический элемент И: таблица истинности; обозначение на логических схемах; временные диаграммы

Логическое отрицание (инверсия), или операция НЕ, обозначаемая чертой над переменной: F = X . Выходной сигнал логического элемента НЕ всегда противоположен входному. Таблица истинности, обозначение на логических схемах и временные диаграммы работы элемента НЕ представлены на рисунке. 3.

Логический элемент НЕ

Рисунок 3 – Логический элемент НЕ: таблица истинности; обозначение на логических схемах; временные диаграммы

Логический элемент ИЛИ-НЕ работает на принципе двух логических функций: логического сложения и логического отрицания, при этом вначале формируется выходной сигнал по закону логического сложения, а затем инвертируется. На выходе элемента ИЛИ-НЕ всегда нуль, если единица хотя бы на одном из входов. Таблица истинности, обозначение на логических схемах и временные диаграммы работы элемента ИЛИ-НЕ представлены на рисунке. 4.

Логический элемент ИЛИ-НЕ

Рисунок 4 – Логический элемент ИЛИ-НЕ: таблица истинности; обозначение на логических схемах; временые диаграммы

Логический элемент И-НЕ работает на принципе двух логических функций: логического умножения и логического отрицания, при этом вначале формируется выходной сигнал по закону логического умножения, а затем инвертируется. На выходе элемента И-НЕ всегда единица, если нуль хотя бы на одном из входов.

Таблица истинности, обозначение на логических схемах и временные диаграммы работы элемента И-НЕ представлены на рисунке. 5.

Логический элемент И-НЕ

Рисунок 5 – Логический элемент И-НЕ: таблица истинности; обозначение на логических схемах; временные диаграммы

Промышленностью выпускаются логические элементы, реализующие эти операции над другим количеством операндов (3, 4, 8) и элементы, содержащие не одну логическую операцию, а несколько.

Наиболее часто встречаются элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, в которых результат операций И, ИЛИ дополнительно инвертируется. Такие элементы могут использоваться как простые инверторы. Кол-во входов элемента обозначают цифрой: 2И – двухвходовый элемент, 3ИЛИ – трехвходовый элемент ИЛИ и т.д..

3. Принципы построения схем цифровых устройств

Схемы цифровых устройств состоят из множества элементов, взаимодействие между которыми осуществляется путём обмена сигналами. В общем случае под сигналом можно понимать физический процесс, несущий информацию или представляющий интерес для наблюдателя. Физически сигнал в цифровых устройствах представляется уровнем электрического напряжения.

Различают сигнал аналоговый и цифровой.

Под аналоговым понимается сигнал, для которого важным считается конкретное значение напряжения, которое может принимать любую величину в заданном диапазоне значений.

Под цифровым сигналом понимают электрический сигнал, для которого справедливым или допустимым являются лишь два значения: 0 и 1. Различают два способа представления цифровой информации.

При импульсном представлении за 0 принимается тот сигнал, которому соответствует отсутствие импульса (нулевой уровень напряжения).

Двоичная единица в этом случае, представляется одним или множеством импульсов электрического напряжения. Под импульсом можно понимать быстрое кратковременное изменение электрического напряжения. При потенциальном способе представления двоичной информации нулю и единице соответствуют два чётко различимых уровня напряжения: U и U¹. Для современных логических элементов обычно U≈0В, U¹>0В. Для элементов серии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика): U¹≥2,4В, U°≤0,4В.

Под элементом понимается наименьшая функционально и конструктивно законченная часть цифровых устройств, которая выполняет какую-либо логическую (булеву) функцию (логический элемент) или какоелибо другое преобразование информации.

В настоящее время элементы реализуют в составе микросхем. Микросхема это микроэлектронное изделие с повышенной степенью интеграции. Будем считать, что понятия микросхема и интегральная схема равноценны. В зависимости от используемых сигналов различают элементы и микросхемы аналоговые, аналого-цифровые и цифровые. В зависимости от степени интеграции, то есть от числа элементов в составе микросхемы, различают микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции.

В зависимости от технологии изготовления различают микросхемы, выполненные по интегральной, гибридной или плёночной технологии.

Интегральная технология предполагает выполнение всех деталей в одном кристалле полупроводника (чаще всего – кремния).

Гибридная технология предполагает применение интегральных элементов в бескорпусном варианте, которые монтируются на изоляторе и соединяются с помощью напылённых проводников.

Плёночная технология предполагает применение плёнок даже при изготовлении активных компонентов.

В зависимости от базовой схемы, которая используется при реализации элементов в микросхеме, различают микросхемы, выполненные по следующим технологиям:

  1. ДТЛ — диодно-транзисторная логика;
  2. ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика;
  3. ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;
  4. ТТЛШ – ТТЛ с диодами Шотки;
  5. МОП (металлокисьполупроводник);
  6. МДП (металлдиэлектрикполупроводник);
  7. КМОП – комплементарные МОП;
  8. КМДП — комплементарные МДП;

В зависимости от используемых транзисторов различают микросхемы, выполненные по биполярной технологии и по МДП-технологии.

Цифровые микросхемы выпускают в виде серий элементов или микросхем. Элементы или микросхемы одной серии — это микросхемы, выполненные в одинаковых корпусах, с одинаковыми характеристиками, с одинаковым питанием и предназначенные для совместного применения. В микросхемах одной серии обязательным условием их совместного применения является одинаковый способ представления в них двоичной информации, одинаковые логические уровни.

В зависимости от используемого метода обработки различают два типа аппаратуры: аналоговая, в которой используется аналоговый метод обработки, и цифровая, в которой применяется цифровой метод обработки. В цифровой аппаратуре основным устройством, в котором непосредственно выполняется обработка, является процессорное устройство.

Процессорное устройство (как и всякое сложное цифровое устройство) синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (Рис.6).

Структура процессорного устройства

Рисунок 6 – Структура процессорного устройства.

Операционное устройство — устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в себя регистры, сумматор, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т.д.

Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в определенной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.

4. Комбинационные и последовательностные цифровые устройства

Цифровые устройства выполняют функции обработки информации, отображаемой в виде двоичных кодовых комбинаций, и в общем случае любое из них может быть представлено в виде некоторого устройства с неизвестной внутренней структурой (Рис. 7), имеющего входы х1; ,х2,…, х𝑛𝑛 и выходы 𝑧𝑧1,

𝑧𝑧2,…𝑧𝑧𝑘𝑘.

Цифровое устройство с неизвестной (с произвольной) структурой

Рисунок 7 – Цифровое устройство с неизвестной (с произвольной) структурой

Устройство под действием двоичных комбинаций состояний входов (входных сигналов) переходит из одного внутреннего состояния в другое и формирует двоичные комбинации состояний выходов (выходные сигналы).

Закон (алгоритм) функционирования устройства — это соответствие последовательностей двоичных комбинаций состояний входов последовательностям двоичных комбинаций состояний выходов. Двоичные комбинации состояний некоторых объектов называют иногда наборами.

 схема цифрового устройства

Рисунок 8 – Обобщенная (структурная, каноническая) схема цифрового устройства

Эта схема может быть детализирована в плане выделения из неё некоторых элементов, комбинации состояний которых будут определять внутренние состояние устройства (Рис. 8). Эти элементы являются элементами памяти (ЭП). Эта структурная схема содержит также логический преобразователь (блок ЛП), часто называемый комбинационной схемой (КС). Блок ЛП (КС) имеет алгоритм функционирования, при котором каждой комбинации состояний входов х1 ; , х2 ,…, х𝑛𝑛 , 𝑥𝑥𝑛𝑛+𝑠𝑠 соответствует одна комбинация состояний выходов 𝑧𝑧1 , 𝑧𝑧2 ,… 𝑧𝑧𝑘𝑘 , 𝑧𝑧𝑘𝑘+𝑠𝑠 Отсюда и термин «комбинационная схема».

Элементы памяти являются устройствами, занимающими два состояния 0 и 1. Комбинации их состояний являются внутренними состояниями устройства. Состояние выходов логического преобразователя зависит не только от состояния внешних входов, но и от состояния внутренних входов, являющихся выходами элементов памяти. Переход устройства из одного внутреннего состояния в другое происходит при изменении состояния внешних входов. При изменении состояния внешних входов, приводящем к изменению внутреннего состояния, изменяется состояние внутренних выходов таким образом, что оно соответствует состоянию элементов памяти в следующем внутреннем состоянии.

Элементы памяти под действие внутренних выходов переходят в состояние, соответствующее следующему внутреннему состоянию. При этом состояние внешних выходов при одном и том же состоянии внешних входов может быть различным, так как оно определяется не только внешними входами, но и состоянием элементов памяти. Состояние элементов памяти определяется предысторией работы устройства, т. е. теми последовательностями комбинаций состояний входов (входными сигналами), которые поступали на вход устройства в предыдущие моменты времени.

На основании вышеизложенного можно дать определение комбинационного цифрового устройства и последовательностного цифрового устройства как двух видов, на которые подразделяются цифровые устройства.

Комбинационное цифровое устройство (устройство без памяти) — устройство, в котором комбинации состояний входов однозначно соответствует комбинация состояний выходов.

Последовательностное цифровое устройство (устройство с памятью) — устройство, в котором комбинация состояний выходов определяется не только комбинацией состояний входов в данный момент, но и комбинацией состояний входов в предыдущие моменты времени.

Структурная схема цифрового устройства представляет собой последовательностное устройство. Её блок ЛП (КС) является комбинационной схемой. Иногда комбинационную схему называют цифровым устройством с одним внутренним состоянием.

Таким образом, любое последовательностное устройство состоит из комбинационного устройства (логического преобразователя) и элементов памяти. Часто комбинационное устройство называют логическим блоком ввиду того, что оно, строится из логических элементов, а совокупность элементов памяти, в качестве которых чаще всего используется триггеры, называют блоком памяти.

5. Синтез и анализ работы цифровых схем на логических элементах и интегральных микросхемах

В большинстве случаев цифровая схема содержит большое количество последовательно соединенных логических элементов, которые реализуют требуемую логическую функцию. Процедуру определения логических операций, которые производит каждый логический элемент в схеме в отдельности и какую функцию выполняет структура элементов схемы в целом, называют анализом схемы. Для описания любой цифровой схемы могут быть составлены таблица истинности, логическая функция или диаграмма работы.

Таблица истинности цифровой схемы

В качестве примера составим таблицу истинности для цифровой схемы с двумя входами (Рис. 9).

Цифровая схема с двумя входами

Рисунок 9 – Цифровая схема с двумя входами

Цифровая схема с двумя входами (А, В) имеет 4 варианта комбинаций входных сигналов: 00, 01, 10 и 11 (22 = 4), которые определяют значение выходного сигнала Z. Первый элемент схемы является элементом НЕ. На выходе этого элемента будет инвертированное значение входного сигнала А.

Второй элемент схемы является элементом 2И. Обозначим выход этого элемента как Р. На выходе Р элемента 2И будет логическое произведение сигналов А и В.

Третий элемент схемы является элементом НЕ. На выходе этого элемента будет инвертированное значение сигнала Р. В зависимости от комбинаций входных сигналов на выходах элементов получим значения, которые заносим в таблицу истинности цифровой схемы.

Таблица 1 – Таблица истинности узлов цифровой схемы с двумя входами

Таблица истинности узлов цифровой схемы с двумя входами

Цифровая схема с тремя входами (А, В и С) имеет 8 различных комбинаций входных сигналов: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 (23 = 8). Цифровая схема с четырьмя входами (А, В, С и D) имеет 16 различных комбинаций входных сигналов: 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 (24 = 16).

Синтез схемы по заданному логическому выражению

На практике часто требуется синтезировать схему по заданному логическому выражению. Синтезируем цифровую схему, работа которой описывается логическим выражением F = A+B+C +(A+C).

Определим количество входных сигналов. Из логического выражения видно, что входными сигналами являются сигналы А, В и С, т. е. схема будет иметь три входа. Схемотехническая реализация логического выражения пошагово показана в таблице 2.

Таблица 2 – Пошаговое изменение логического выражения

Пошаговое изменение логического выражения

Цифровая схема, реализующая заданное логическое выражение, представлена на рисунке 10.

Цифровая схема, реализующая логическое выражение

Рисунок 10 – Цифровая схема, реализующая логическое выражение

Для схемотехнической реализации логической суммы сигналов на шаге 3 можно использовать два ЛЭ ИЛИ с двумя входами вместо одного ЛЭ с тремя входами. Такое использование более экономично, т. к. используется полностью корпус ИС с двухвходовыми ЛЭ ИЛИ (4 ЛЭ в корпусе) и не требуется корпус ИС с ЛЭ на три входа (3 ЛЭ в корпусе), в котором 2 ЛЭ останутся неиспользованными.

Цифровая схема, реализующая такое схемотехническое решение, представлена на рисунке 11.

Цифровая схема

Рисунок 11 – Цифровая схема

Существуют логические элементы в микросхемном исполнении, представляющие комбинацию ранее рассмотренных элементов и позволяющие осуществлять более сложные логические операции. К основным параметрам логических элементов (логических микросхем) относятся: функциональные возможности элемента; быстродействие; потребляемая мощность; помехоустойчивость.