Файл: 1.1-к Фізичні та арифметичні основи схемотехніки.pdf

Тема 1.1 Фізичні та арифметичні основи комп’ютерної схемотехніки.

Мета: вивчити означення та задачі комп’ютерної схемотехніки, ознайомитися з її інформаційними, фізичними та арифметичними основами.

Перелік питань для вивчення.

1.Предмет і задачі схемотехніки.

2.Інформація, сигнали та їх уявлення.

3.Порівняльна характеристика цифрових і аналогових пристроїв.

4.Арифметичні основи схемотехніки

1. Предмет і задачі схемотехніки.

Комп'ютерна схемотехніка - це предмет, який вивчає теоретичні методи аналізу та синтезу схем комп'ютерів і способи їх технічної реалізації.

Розвиток комп'ютерної схемотехніки є основою удосконалення архітектури комп'ютерів, якісного підвищення їх продуктивності та надійності, істотного зменшення ваги та розмірів.

Мета застосування комп'ютерів полягає в інформатизації суспільства - забезпеченні за-

гального використання автоматизованих методів збору, передачі, опрацювання та зберігання ін-

формації. Вирішення проблеми інформатизації забезпечує вихід країни на новий рівень цивілізації.

2. Інформація, сигнали та їх уявлення.

Широке застосування комп'ютерів сприяє науково-технічному розвитку країни. Сфера використання комп'ютерів охоплює практично всі види людської діяльності.

Комп'ютер - це програмно керована фізична система, призначена для алгоритмічної об-

робки інформації, вираженої за допомогою сигналів.

Сигнал - це будь-яка фізична величина, яка змінюється з часом. Саме завдяки цій зміні сигнал може нести в собі якусь інформацію.

Електричний сигнал - це електрична величина, яка змінюється з часом. Вся електроніка в

основному працює з електричними сигналами, хоча останнім часом все більше використовуються

світлові сигнали.

Аналоговий сигнал - це сигнал, який може приймати будь-які значення в певних межах (наприклад, напруга може плавно змінюватися в межах від нуля до десяти вольт).

Пристрої, які працюють тільки з аналоговими сигналами, називаються аналоговими при-

строями.

Цифровий (дискретний) сигнал- це сигнал, якийможе набувати тількифіксованихзначень.

Причому, в ньому дозволені деякі відхилення від цих значень (рис. 1.1.1). Наприклад, напруга може приймати два значення:

рівень нуля (від 0 до 0,3 В);

рівень одиниці (від 1 до 1,3 В).

Пристрої, які працюють виключно з цифровими сигналами, називаються цифровими або

дискретними пристроями.

Рис. 1.1.1 Електричні сигнали: аналоговий (зліва) і цифровий (справа).

3. Порівняльна характеристика цифрових і аналогових пристроїв.

У природі практично всі сигнали аналогові, тобто вони змінюються безперервно в деяких

межах.

Саме тому перші електронні пристрої були аналоговими.

Проте аналогові сигнали та аналогова електроніка мають великі недоліки. Справа в тому, що аналогові сигнали чутливі до дії всіляких сторонніх сигналів - шумів, наведень, перешкод.

Шум - це внутрішні хаотичні слабкі сигнали будь-якого електронного пристрою.

Наведення та перешкоди - це сигнали, які приходять в електронну систему із зовнішнього середовища та спотворюють корисний сигнал.

У разі аналогових сигналів все це істотно погіршує корисний сигнал, оскільки всі його значення дозволені (рис. 1.1.2).

На відміну від аналогових, цифрові сигнали набагато менше схильні до спотворень. Не-

великі відхилення від дозволених значень ніяк не спотворюють цифровий сигнал, оскільки завжди існують зони допустимих відхилень (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.2 Спотворення аналогового сигналу (зліва) і цифрового сигналу (справа).

Порівняльна характеристика цифрових і аналогових пристроїв наведена в таблиці 1.1.1.

Таблиця 1.1.1 Порівняльна характеристика цифрових і аналогових пристроїв

Наявність багатьох переваг дискретних пристроїв забезпечує бурхливий розвиток цифрової електроніки.

Комп'ютер є цифровим пристроєм, у якому всі дані подаються та опрацьовуються в диск-

ретній (числовій) формі.

Хоча комп'ютер не може безпосередньо опрацьовувати аналогові дані, їх можна вводити в нього після перетворення в дискретну форму. Цю операцію виконують спеціальні пристрої - аналого-цифрові перетворювачі (АЦП).

Сучасні комп'ютери також дозволяють перетворювати дискретний сигнал в аналоговий. Пристрій, який виконує дану операцію, називають цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП).

Отже, щодо можливості подання будь-якої інформації в числовій формі комп'ютери – це найбільш універсальні пристрої опрацювання даних для розв'язання багатьох задач у різних галузях науки, техніки, бізнесу й управління.

4. Арифметичні основи схемотехніки.

У зв’язку з використанням у роботі комп’ютера цифрових сигналів виникла необхідність створення спеціальної арифметики, яка дозволяє працювати з дискретними величинами. Цю арифметику назвали двійковою, тому що вона описує двавиди сигналів, якіпозначають цифрами0 та 1.

Система числення – це сукупність символів та правил для утворення чисел.

Існують позиційні та непозиційні системи числення.

В позиційній системі числення значення цифри залежить від позиції, яку вона займає в запису числа.

Наприклад, в десятковому запису числа 33 перша цифра 3 означає три десятки, а друга -

три одиниці.

Одним із прикладів непозиційної системи числення є римська система. Наприклад, в запису числа ХХІ кожна цифра Х означає один десяток.

Для запису чисел в позиційній системі числення використовують певну кількість символів -

цифр і букв. Сукупність цих символів називають алфавітом системи числення, а їх загальну кількість позначають буквою q та називають основою позиційної системи числення.

Приклади позиційних систем числення наведені в таблиці 1.1.2.

Таблиця 1.1.2 Приклади позиційних систем числення

В позиційній системі числення кожна цифра в запису числа має свій позиційний номер. У

цілих числах позиції цифр нумеруються справа наліво, починаючи з нульової, в дробових - зліва на-

право після коми, починаючи з першої позиції.

Наприклад, позиції числа 275,127 мають такі порядкові номери:

В позиційній системі числення число в розгорнутій формі може бути записане у вигляді

полінома:

Тут А - саме число;

q - основа системи числення;

ai - цифри, які належать даній системі числення;

n - число цілих розрядів числа;

m - число дробових розрядів числа.

Наприклад, 275,127 2 102 7 101 5 100 1 10-1 2 10-2 7 10-3

Згорнутою формою запису числа називається запис у вигляді

A an 1an 2 an 3...a1a0 ,a 1a 2 ...a m (1.1.2)

Саме такою формою запису чисел ми користуємося в повсякденному житті.

Згорнуту форму запису називають також природною або цифровою.

Контрольні запитання.

1.Дайте означення предмету комп'ютерна схемотехніка.

2.Які задачі комп'ютерної схемотехніки?

3.В чому полягає мета застосування комп'ютерів?

4.Яка система називається комп'ютером?

5.Що називається сигналом?

6.Що називається електричним сигналом?

7.Що називається аналоговим сигналом?

8.Що називається цифровим сигналом?

9.Які пристрої називаються аналоговими?

10.Які пристрої називаються цифровими?

11.Сигнали якого типу поширені в природі?

12.Чому аналогові сигнали більше схильні до спотворень?

13.Чому цифрові сигнали майже не спотворюються?

14.Поясніть причину бурхливого розвитку цифрової електроніки.

15.В якій формі подаються та опрацьовуються сигнали в комп'ютері?

16.Чи може комп'ютер безпосередньо опрацьовувати аналогові дані?

17.Яку функцію виконують пристрої АЦП?

18.Яку функцію виконують пристрої ЦАП?

19.Якіпристроїєнайбільшуніверсальнимидляопрацюванняінформаціївчисловійформі?

20.Поясніть причину створення двійкової арифметики.

21.Дайте означення системи числення.

22.Дайте означення позиційної системи числення.

23.Дайте означення непозиційної системи числення.

24.Що називають алфавітом системи числення?

25.Що називають основою позиційної системи числення?

26.Якнумеруютьсяпозиціїцифрпідчасзаписучислав позиційній системі числення?

27.В яких двох формах можна записати число в позиційній системі числення?

Література.

1.Основи комп'ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл./ С.О. Кравчук, В.О. Шонін. - К.: ІВЦ "Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. - 344 с.

2.Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. — К,: "МК-Пресс", 2004. — 576 с, ил.

3.Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. — М.: Мир, 2001. — 379 с, ил. — (Современная схемотехника)

4.Угринович Н. Д. У27 Практикум по информатике и информационным технологиям. Учебное пособие для общеобразовательных учреждений. Изд. 2-е, испр./Н. Д. Угринович, Л. Л. Босова, Н. И. Михайлова — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. 394 с : ил.