Устройства за цифрова обработка на информация. Защо цифровите устройства се наричат ​​цифрови? Устройства за цифрова обработка на информация цифрови устройства

По време на развитието на цифровите технологии са разработени компютри от голямо разнообразие от типове. Много от тях отдавна са забравени, но някои са оказали силно влияние върху развитието на съвременните изчислителни системи. Тук ще направим кратък преглед на някои от етапите в развитието на компютрите, за да покажем как човешката мисъл стигна до съвременното разбиране на компютърните технологии.

Устройствата, които улесняват броенето или запаметяването на резултатите, са известни отдавна, но ние ще се интересуваме само от изчислителни устройства, които автоматично изпълняват програми, вградени в тях, следователно не разглеждаме такива устройства като броене, механични машини за добавяне и електронни калкулатори.

Първата изчислителна машина за запаметена програма е построена от френски учен Блез Паскалпрез 1642г. Беше механичен с ръчно задвижване и можеше да извършва операции по събиране и изваждане. немски математик Готфрид Лайбницпрез 1672 г. той построява механична машина, която може да извършва същите операции на умножение и деление. За първи път машина, работеща по програмата, е разработена през 1834 г. от английски учен Чарлз Бабидж... Той съдържаше устройство с памет, изчислително устройство, устройство за въвеждане на перфокарти и печатащо устройство. Командите се четат от перфокарта и се извършват четене на данни от паметта в изчислително устройство и записване на резултатите от изчисленията в паметта. Всички устройства на машината на Бабидж, включително паметта, бяха механични и съдържаха хиляди зъбни колела, чието производство изискваше прецизност, недостъпна през 19 век. Машината изпълняваше всякакви програми, написани на перфокарта, така че за първи път се изискваше програмист да напише такива програми. Първият програмист беше англичанка Ада Лъвлейс, на който в наше време е кръстен езикът за програмиране Ada.

През 20-ти век електрониката започва да се развива и нейните възможности са незабавно възприети от разработчиците на компютри. Отброяването на поколенията цифрови компютри започва с конструирането на компютри, чиято основна система от елементи е изградена върху електронни компоненти. Имайте предвид, че разделянето на периода на развитие на цифровите технологии на етапи е свързано главно с прехвърлянето на основната система от елементи към нови технологии за производство на електронни компоненти.

Първо поколение - вакуумни тръби (1945-1955)

Основната система от елементи на това поколение компютри се основава на вакуумни лампи. Използването им определи както предимствата, така и недостатъците на цифровите устройства. Електронните тръби осигуряват висока скорост на превключване на логически елементи, което увеличава скоростта на изчисление в сравнение с опитите за създаване на компютър, чийто основен елемент е изграден на базата на електромеханично реле. Вакуумните тръби бяха достатъчно издръжливи, за да осигурят надеждна работа на компютъра. За съжаление, ламповите компютри също имаха много недостатъци. Първо, вакуумните тръби работеха с напрежение от десетки волта и консумираха много енергия; освен това размерът на вакуумните тръби, според съвременните микроелектронни концепции, беше огромен - няколко десетки кубически сантиметра. За изграждането на компютър бяха необходими хиляди логически елементи, така че размерът на ламповите компютри по отношение на заеманата площ беше десетки квадратни метри, а консумацията на енергия варираше от единици до десетки или дори стотици киловата. Тази мощност доведе до прегряване на лампите, които бяха поставени доста компактно, и постави задачата за ефективно охлаждане на електронните компоненти на машината. Скоростта на обработка на информацията в тръбните машини варира от няколкостотин до няколко хиляди операции в секунда.

Цифрови устройства

Аналогови устройства

Аналоговите устройства включват функционални електронни блокове, предназначени да извършват различни операции и преобразувания на аналогови сигнали. Структурно аналоговите устройства могат да бъдат представени като:

1. Двутерминален

Има 2 двойки входни клеми, към които са свързани източниците на сигнал, а товарът е свързан към изходните клеми. Това е предавателна връзка с контролни параметри.

Цифровите устройства включват функционални единици, предназначени да извършват операции върху информационни обекти под формата на цифрови сигнали. Кодовите думи се използват за представяне на цифрови сигнали. Характеристики: за изграждане се използва най-простата азбука - две букви, обозначени със символите 0 и 1. Кодовата дума е число в 2 SS. Броят на буквите в кодовата дума е фиксиран.

Една дума съдържа n букви или цифри. В цифровите устройства обектът на информация са двоични числа, а не функции на времето.

Принципи на функциониране на цифровите устройства:

1) За изпълнение на командата се отделя определено време, за това се използва генератор на часовник импулс, който формулира управляващия сигнал

2) След стартиране на операцията всички входни кодови думи се преобразуват в необходимия изход

3) Изходните кодови думи се изпращат в паметта на цифровата система или към външни устройства за извършване на действия

Начини за работа с кодови думи:

За изпълнението на операции с кодови думи е изключително важно за тях под формата на електрически сигнали. Потенциалният начин за представяне стана широко разпространен. Логическа нула съответства на ниско ниво на сигнала (напрежение), логическа единица - високо. Операциите с кодови думи могат да се извършват по два начина: последователно (бит по бит) и паралелно.

Най-простите преобразуватели на информация:

Компютърът се състои от милиони елементи: транзистори, диоди, регистри, които са част от интегрални схеми. Но изучаването на работата на компютъра се улеснява от редовността на неговата структура, което означава: компютърът се състои от голям брой от най-простите елементи, всички от няколко вида. Елементите образуват малък брой типични вериги.

Според степента на сложност на изпълняваните функции те се разграничават:

1) Елементи - най-простата част, която извършва операции с отделни битове. Разграничаване логически (и, или, не, и-не, или-не), съхранение (тригери от различни видове) и спомагателни, служещи за усилване и генериране на сигнали.

2) Възли - състоят се от елементи и извършват операции с думи. Разграничаване между комбинационни и кумулативни (последователни)

Комбинационните са изградени изключително върху логически елементи;

Акумулаторите включват логически порти и порти за памет;

Компютърните възли включват: регистри, броячи, суматори, мултиплексори и др.

3) Устройства - състоят се от няколко възли, изпълняват една или няколко операции от един и същи тип върху машинни думи.Устройствата включват ALU, памет устройство, контролно устройство, памет устройство, входно/изходно устройство.

Цифрови устройства - концепция и видове. Класификация и характеристики на категорията "Цифрови устройства" 2017, 2018 г.

Какви са тези устройства за цифрова обработка на информация? Цифровите устройства са устройства за обработка на информация, представена в компютърно достъпна форма. Това са: сензорни екрани скенери камери видео камери мобилни телефони уеб камери документ камери проектори безжични устройства за предаване на данни системи за видеонаблюдение

Видеокамери Видеокамерата е електронно снимащо устройство, устройство за получаване на оптични изображения на обекти, заснети върху фоточувствителен елемент, приспособено за запис или предаване на движещи се изображения към телевизия. Обикновено е оборудван с микрофон за паралелен аудио запис.

Уеб камери Уеб камерата (също уеб камера) е цифрова видео или фото камера, способна да заснема изображения в реално време за по-нататъшно предаване през Интернет (в програми като Instant Messenger или във всяко друго видео приложение).

Проектори Проекторът е светлинно устройство, което преразпределя светлината на лампа с концентрация на светлинния поток върху малка повърхност или в малък обем. Прожекторите са основно оптико-механични или оптико-цифрови устройства, които позволяват с помощта на източник на светлина да се проектират изображения на обекти върху повърхност, разположена извън устройството, екран.

Устройствата за безжично предаване с Bluetooth осигуряват обмен на информация между устройства като джобни и обикновени персонални компютри, мобилни телефони, лаптопи, принтери, цифрови камери, мишки, клавиатури, джойстици, слушалки, слушалки на надеждна, евтина, вездесъща радиочестота за комуникация на къси разстояния .

GPRS (General Packet Radio Service) безжичните устройства за предаване на данни са добавка към GSM мобилната комуникационна технология, която осъществява предаване на пакети данни. GPRS позволява на потребителя на клетъчна мрежа да обменя данни с други устройства в GSM мрежата и с външни мрежи, включително Интернет. GPRS предполага таксуване въз основа на количеството предадена/получена информация, а не на времето, прекарано онлайн.

Устройства за безжично предаване на данни Позволява ви да разгръщате мрежа без полагане на кабел, може да намали разходите за разполагане и разширяване на мрежата. Места, където кабелът не може да бъде инсталиран, като например на открито и в сгради с историческа стойност, могат да се обслужват от безжични мрежи. За разлика от мобилните телефони, Wi-Fi оборудването може да работи в различни страни по света. Wi-Fi (на английски Wireless Fidelity "безжична вярност") е стандарт за безжично LAN оборудване.

Видеонаблюдение Видеонаблюдението (затворена телевизия, CCTV затворена телевизионна система) е процес, осъществяван с помощта на оптоелектронни устройства, предназначени за визуален контрол или автоматичен анализ на изображението (автоматично разпознаване на лица, държавни номера).

Устройства за цифрова обработка на информация Автор: Дмитрий Тарасов, 2009 г

По време на развитието на цифровите технологии са разработени компютри от голямо разнообразие от типове. Много от тях отдавна са забравени, но други оказват силно влияние върху развитието на съвременните изчислителни системи. Тук ще направим кратък преглед на някои от етапите в развитието на компютрите, за да покажем как човешката мисъл стигна до съвременното разбиране на компютърните технологии.

Устройствата, които улесняват броенето или запаметяването на резултатите от него, са известни отдавна, но ние ще се интересуваме само от изчислителни устройства, които автоматично изпълняват програми, вградени в тях. Ето защо тук не разглеждаме такива устройства като сметала, механични сумиращи машини и електронни калкулатори.

Първият съхранен програмен калкулатор е създаден от френски учен Блез Паскалпрез 1642 г. той е механичен с ръчно задвижване и може да извършва операции по събиране и изваждане. немски математик Готфрид Лайбницпрез 1672 г. той построява механична машина, която също може да прави умножение и деление. За първи път машина, работеща по програмата, е разработена през 1834 г. от английски учен Чарлз Бабидж.Той съдържаше устройство с памет, изчислително устройство, устройство за въвеждане на перфокарти и печатащо устройство. Командите се четат от перфокарта и се извършват четене на данни от паметта в изчислително устройство и записване на резултатите от изчисленията в паметта. Всички устройства на машината на Бабидж, включително паметта, бяха механични и съдържаха хиляди зъбни колела, чието производство изискваше прецизност, каквато не беше налична през 19 век. Машината изпълняваше всякакви програми, написани на перфокарта, така че за първи път се изискваше програмист да напише такива програми. Първият програмист беше англичанка Ада Лъвлейс,в чест на който езикът за програмиране Ada вече беше кръстен в наше време.

През XX век. електрониката започна да се развива и нейните възможности бяха незабавно възприети от разработчиците на компютри. Отброяването на поколенията цифрови компютри започва с конструирането на компютри, чиято основна система от елементи е изградена върху електронни компоненти. Имайте предвид, че разделянето на периода на развитие на цифровите технологии на етапи е свързано главно с прехвърлянето на основната система от елементи към нови технологии за производство на електронни компоненти.

Първо поколение -

вакуумни тръби (1945-1955)

Основната система от елементи на това поколение компютри се основава на вакуумни лампи. Използването им определя както предимствата, така и недостатъците на цифровите устройства.Електронните тръби осигуряват висока скорост на превключване на логическите елементи, което увеличава скоростта на изчисление в сравнение с опитите за създаване на компютър, чийто основен елемент е изграден на базата на електромеханично реле. Вакуумните тръби бяха достатъчно издръжливи, за да осигурят надеждна работа на компютъра. За съжаление имаше много недостатъци и в ламповите компютри. Вакуумните тръби работеха с напрежение от десетки волта и консумираха много енергия, освен това размерът на вакуумните тръби, според съвременните микроелектронни концепции, беше огромен - няколко десетки кубически сантиметра. За изграждането на компютър бяха необходими хиляди логически елементи, така че размерът на ламповите компютри по отношение на заеманата площ беше десетки квадратни метри, а консумацията на енергия варираше от единици до десетки или дори стотици киловата. Тази мощност доведе до прегряване на лампите, които бяха поставени доста компактно, и постави задачата за ефективно охлаждане на електронните компоненти на машината. Скоростта на обработка на информацията в тръбните машини варира от няколкостотин до няколко хиляди операции в секунда.

Второ поколение - транзистори (1955-1965)

Полупроводниковите устройства - транзисторите са изобретени през 1948 г. Те се различават от вакуумните тръби с малки размери, ниско захранващо напрежение и ниска консумация на енергия. Всички тези предимства на полупроводниковите устройства революционизираха електронната индустрия. Започнаха да се появяват миниатюрни предавателни и приемни радио- и телевизионни устройства, стана възможно вграждането на управляващи устройства директно в контролни обекти и т.н. Новата елементна база за компютри, базирани на транзистори, направи революция в производството на компютри. Значителното намаляване на размера, консумацията на енергия и намаляването на разходите направи възможно създаването на компютърни архитектури с голяма функционалност, за драстично увеличаване на скоростта на компютрите до стотици хиляди и дори милиони операции в секунда. Повишаването на производителността се осигурява както поради по-високата скорост на работа на транзисторите в сравнение с вакуумните тръби, така и чрез въвеждането на няколко паралелно работещи обработващи устройства в компютъра. Площта, необходима за поставяне на компютър, беше намалена до_ няколко квадратни метра, правеха се опити да се направят настолни версии. Намаляването на разходите увеличи броя на потенциалните потребители на компютри. Появиха се големи фирми за производство на компютри с общо предназначение: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC)и др. Трябва да се отбележи компютърът PDP-8 на фирма DEC – първият мини-компютър с обща шина, оказал голямо влияние върху развитието на архитектурите на персоналните компютри.

Трето поколение - интегрални схеми (1965-1980)

Полупроводникови елементи и други електронни компоненти са произведени от електронната индустрия като отделни елементи. И така, полупроводниковият кристал, върху който беше разположен транзисторът, беше затворен в специален метален или пластмасов корпус. Изискването за намаляване на размера на електронните

устройства доведоха до факта, че отначало полупроводниковите устройства започнаха да се произвеждат в дизайн с отворена рамка, а след това през 1958 г. беше направен опит да се поставят всички компоненти на една функционална единица в един полупроводников кристал. Така се появиха интегралните схеми (ИС), които направиха възможно драстично намаляване на размера на полупроводниковите схеми и намаляване на консумацията на енергия. На базата на ИС бяха изградени мини-компютри, които бяха направени под формата на единична стойка и периферни устройства. Мощността, консумирана от компютър с IC, е намалена до стотици вата. Увеличаването на скоростта на възлите, изградени върху ИС, направи възможно увеличаването на скоростта на компютрите до десетки милиони операции в секунда. Електронната индустрия започна масово производство на електронни компоненти на ИС, което направи възможно намаляването на тяхната цена и драстично намаляване на цената на хардуерния компонент на компютрите. Намаляването на разходите доведе до разработването и практическото внедряване на мощни изчислителни системи, използващи паралелна обработка: многопроцесорни и конвейерни компютри.

4-то поколение - много мащабни интегрални схеми (от 1980 г.)

Микроминиатюризацията на електронните устройства доведе до появата на нова индустрия - микроелектроника,която принадлежи към областта на високите технологии. Използвайки най-новите научни и технически постижения на физиката, химията, кристалографията, материалознанието и дори астронавтиката (при нулева гравитация могат да се получат полупроводникови кристали с много висока чистота), ние постигнахме поставяне на един кристал с размери няколко квадратни милиметра, първите стотици , след това хиляди и накрая милиони транзистори и други електронни компоненти. Сега полупроводниковата схема вече не съдържаше набор от няколко логически елемента, от които тогава бяха изградени функционалните единици на компютъра, а изцяло функционални единици и преди всичко ПРОЦЕСОР,която, предвид размерите си, беше наречена микропроцесор,контролери на външни устройства - контролеривъншни устройства. Такива интегрални схеми бяха наречени за първи път големи интегрални схеми(BIS), а след това много мащабни интегрални схеми(VLSI).

Резултатът от толкова бързо развитие на микроелектрониката беше появата на едноплаткови компютри, където на една платка с размери няколко десетки квадратни сантиметра бяха поставени няколко VLSI, съдържащи всички функционални блокове на компютъра. Едноплатковите компютри са вградени в различни промишлени, медицински и битови устройства за оперативна обработка и контрол на информацията. Цената на едноплатните компютри падна толкова много, че стана възможно да ги придобият от физически лица, английски инженери се възползваха от тази възможност Стив Джоуби Стив Возняк.Използвайки функционалните единици, произведени от индустрията: микрокомпютърна платка с процесор и памет, клавиатура, дисплей, те сглобиха евтин настолен компютър - микрокомпютър.Неговата привлекателност за непрофесионалните потребители беше, че това беше готово за използване устройство, съдържащо целия необходим хардуер и софтуер за работа. Този микрокомпютър е наречен Приложение! Еи стана първият в света персонален компютър.

Голяма компания, занимаваща се с производството на мощни изчислителни системи, се интересува от персонални компютри, които станаха широко разпространени на компютърния пазар - 1VM,и решава да започне производството на собствен модел на персонален компютър. Заедно с фирмата Intel,която разработи комплекта за микропроцесор и Microsoft, която оборудва компютъра с операционна система MS DOS, IВМ създаде персонален компютър IBM RS.Значителният потенциал на компанията IBM направи възможно производството на огромен брой такива компютри за кратко време. Тяхната атрактивна цена за купувачите и някои иновации, например, по-голям в сравнение с персоналните компютри на други компании, произвеждани по това време, количеството RAM, позволиха на IBM PC да се превърне в най-популярния персонален компютър в света.

2.6. Компютърна архитектура за концентрирана обработка на информация

Съвременният компютър се състои от няколко функционални блока: процесор, памет, контролери на устройства и др. Всеки възел е сложно електронно устройство, което може да включва милиони логически порти. За по-добро разбиране на принципа на действие на всеки възел и компютъра като цяло се въвежда понятието нива на компютърно представяне.

Ниво на цифрова логика -нивото на логическите схеми на основната система от елементи.

Микроархитектурно ниво- нивото на организация на обработката на информация в рамките на функционалната единица. Това включва регистри за различни цели, устройство за обработка на входящи команди, устройство за преобразуване на данни и устройство за управление.

Командно ниво- набор от функционални единици и връзки между тях, система от команди и данни, предавани между устройствата.

Извиква се набор от блокове, връзки между тях, типове данни и операции на всяко ниво ниво архитектура.

Архитектурата на ниво команди обикновено се нарича компютърна архитектура или компютърна организация. В този раздел ще разгледаме различни компютърни архитектури. Други архитектури на слоевете ще бъдат обсъдени в следващите раздели.

2.6.1. Фиксирани архитектури на устройства

Компютри с концентрирана обработкаТова са изчислителни системи, в които едно или повече обработващи устройства (процесори) са компактно разположени и използват вътрешни шини за предаване на данни за обмен на информация. Компютрите от първо и второ поколение имаха затворена архитектура с ограничен набор от външно оборудване. Тази архитектура е типична за компютрите, чиято основна система от логически елементи е изградена върху дискретни електронни компоненти (вакуумни лампи, транзистори). Въвеждането на всеки допълнителен функционален блок в такива архитектури беше свързано с увеличаване на консумацията на енергия, заето пространство и драстично увеличи цената на цялата система. Следователно компютър, направен според тази архитектура, нямаше възможност да свързва допълнителни устройства, които не бяха предоставени от разработчика.

Увеличена диаграма на такава компютърна архитектура е показана на фиг. 2.9. Оперативната памет съхранява команди и данни на изпълними програми, ALU осигурява не само числена обработка, но и участва в процеса на въвеждане-извеждане на информация, осъществявайки нейното въвеждане в оперативната памет. Входно-изходният канал е специализирано устройство, което работи по команди, дадени от управляващо устройство. Каналът позволява свързване на определен брой външни устройства. Блокът за управление осигурява изпълнението на програмни команди и контролира всички възли на системата.

Ориз. 2.9. Компютърна архитектура със затворена верига

Компютрите с тази архитектура са ефективни при решаването на чисто изчислителни проблеми. Те са слабо подходящи за внедряване на компютърни технологии, които изискват свързване на допълнителни външни устройства и висока скорост на обмен на информация с тях.

6.2. Изчислителни системи с отворена архитектура

В началото на 70-те години. от DEC (Корпорация за цифрово оборудване)беше предложен компютър с напълно различна архитектура. Тази архитектура направи възможно свободното свързване на всякакви периферни устройства, което веднага заинтересува разработчиците на системи за управление на различни технически системи, тъй като осигуряваше безплатна връзка с компютър на произволен брой сензори и задвижващи механизми. Основната иновация беше свързването на всички устройства, независимо от тяхното предназначение, към общ автобуспредаване на информация. Устройствата са свързани към шината в съответствие с автобусен стандарт.Стандартът за шини е свободно разпространяван документ, който позволява на производителите на периферно оборудване да разработват контролери за свързване на техните устройства към шини от различни стандарти. Архитектурата на компютър с отворен тип, базирана на използването на обща шина, е показана на фиг. 2.10. Общо управление на цялото