Вступ. Про цифрове проектування

Вступ. Про цифрове проектування.

План

2. Відношення між аналоговим і цифровим.

3. Роль програмування в проектуванні цифрових пристроїв.

В настоящий момент становится все более актуальным вопрос о проектировании чего либо. Почти вся деятельность человека связана с созданием и реализацией проектов.

Цель любого проекта - создание системы. Нам предстоит познакомится с большим, нежели про­сто уравнения и теоремы.

Речь пойдет о принципах и применениях. Боль­шинство из рассматриваемых нами принципов останутся важными на протяжении еще многих лет, хотя возможно, что способы применения некоторых из них могут оказаться такими, какие сегодня еще не известны. Что касается практической реали­зации, то ко времени начала вашей работы в этой области она может чуть отличаться от того, как она будет представлена здесь, и наверняка будет продолжать изменяться на протяжении вашей трудовой деятельности. Поэтому материал этого предмета, относя­щийся к «применениям», следует воспринимать как возможность лучше усвоить «принципы» и как способ научиться методам проектирования на примерах.

Одна из целей этой дисциплины состоит в таком представлении основных принципов, которих было бы достаточно для понимания вами, что происходит, когда вы приме­няете программные средства для выполнения простейших операций. Те же самые основные принципы помогут вам усвоить существо проблемы в случае, если вы столкнетесь с необходимостью реализовать их программными средствами.

Проектирование цифровых устройств - это инженерное искусство, Опыт показывает, что только на 5— 10 процентов проектирование цифровых устройств является «интересным заня­тием», когда работа носит творческий характер, вас посещает вспышка прозрения или удается придумать новый подход. Все остальное, по большей части, - просто механическая работа.

Всегда сопровождайте свои проекты надлежащей документацией, чтобы сделать их понятными и вам и другим. Разберитесь со стандартными составными блоками и используйте их. Проектируйте систему в целом так, чтобы минимизировать ее стоимость, включая ваши собственные инженерные усилия как часть затрат.

Применяйте программируемую логику для упрощения конструкции, уменьшения стоимости и обеспечения возможности видоизменить ее в последнюю минуту.

2. Відношення між аналоговим і цифровим.

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 другой вид и размерность. То же самое происходит в цифровых {digital) схемах и системах. 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» (“1”) (или «низким» и «высоким» уровнями, «ложью» и «истиной», отрицанием и утверждением. 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. Ранее в большинстве фотоаппаратов для регистрации изоб­
ражения использовалось галоидные соединения серебра. Однако увеличение объема цифровой памяти в одном кристалле привело к появлению цифровых камер, в которых изображение фиксируется в матрице памяти 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 изображения в зависи­мости от количества деталей. 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, например 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 ёе происхождения 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, и которые в свою очередь, осуществляют уп­равление двигателем.

• Телефон. В момент своего появления более сто лет назад телефон состоял из анало­говых микрофона и воспроизводящего устройства, соединенных парой мед­ных проводов. 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.

• Кинематографические трюки. Раньше специальные эффекты реализовыва-лись, как правило, с помощью миниатюрных пластилиновых 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. синтезируются исключительно с по­мощью цифровых методов на компьютерах. 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 ряд 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 на выходе.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 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 это 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.

3. Роль програмування в проектуванні цифрових пристроїв

Цифровое проектирование не обязательно требует каких-то программных средств. Например, на рис. 1.1 представлен простейший инструмент разработки цифровых схем «старой школы» - пластиковый трафарет для вычерчивания логических эле­ментов на принципиальной схеме вручную [на нем паяльником выжжено имя вла­дельца: WAKE.

Однако сегодня программные средства являются существенной составной частью цифрового проектирования. Действительно, в последние несколько лет доступность и практичность языков описания схем в сочетании со средствами моделирования схем и загрузки программируемых кристаллов полностью изме­нили сам характер цифрового проектирования. В этой книге мы будем повсюду широко использовать языки описания схем.

Различные программные средства, применяемые при автоматизированном проектировании {computer-aided design, CAD), повышают производительность труда разработчика и позволяют выполнить проект более правильно и улучшить его качество. В мире, где властвует дух конкуренции, когда поджимают сроки, без использования программных средств нельзя получить высококачественные резуль­таты. Вот важные примеры программных средств для цифрового проектирования:

• Графический редактор схем. Это схемотехнический эквивалент текстового редактора. Он позволяет рисовать схемы на экране, а не карандашом на бума­ге. Более совершенные графические редакторы проверяют также, нет ли в схеме простых, легко обнаруживаемых ошибок, таких как короткое замыкание выходов, наличие никуда не поданных сигналов и т.д.

Рис.1 Трафарет розроботки цифрових схем.

• Языки описания схем. Первоначально эти языки предназначались для модели­рования схем, но сегодня все в большей степени они применяются для проек­тирования аппаратуры. Эти языки можно использовать при разработке чего угодно: от отдельных функциональных модулей до больших цифровых систем на многих кристаллах. • • Компиляторы языков описания схем, средства моделирования и синтеза. Типичный программный пакет языка описания схем состоит из нескольких компонентов. Находясь в такой среде, проектировщик пишет текстовую «про­грамму», и компилятор языка анализирует ее на наличие синтаксических ошибок. Если процесс компиляции завершается успешно, то проектировщик получает результат для передачи его программе синтеза, которая создает со­ответствующую конфигурацию схемы на заданной элементной базе. Чаще всего перед синтезом проектировщик использует результат компиляции в качестве входных данных моделирующей программы, чтобы проконтроли­ровать поведение разрабатываемого устройства.

• Моделирующие программы. Цикл проектирования заказной однокристаль­ной цифровой интегральной микросхемы долог и дорог. Когда кристалл уже изготовлен, очень трудно, а часто невозможно устранить ошибки, проверяя внутренние соединения, размеры которых очень малы, или произвести изменения в логических схемах и соединениях между ними. Как правило, изменения необходимо внести в исходные данные проекта, а для реализации требуемых изменений должен быть изготовлен новый кристалл. Поєтому на выполнение этой процедуры могут уйти месяцы. Сегодня у разработ­чиков кристаллов есть стимул сразу (или почти сразу) «получить то, что надо» с первой же попытки. Моделирующие программы помогают проектировщи­кам предсказать электрические характеристики и функциональное поведе­ние кристалла без его фактического изготовления, позволяя обнаружить если не все, то подавляющее большинство недостатков до того, как кристалл бу­дет сделан.

•Моделирующие программы используются также при разработке «програм­мируемых логических устройств», с которыми мы познакомимся позднее, а также при проектировании больших схем, в которые входит много отдель­ных компонентов. В этом случае моделирование не столь существенно, по­скольку разработчику легче провести замену компонентов или изменить разводку на печатной плате. Однако даже небольшое моделирование позво­ляет сэкономить время за счет обнаружения простых и глупых ошибок.

• Программные средства тестирования (test benches). Разработчики цифро­вых устройств научились формализовать моделирование и отладку схем в программных средах, получивших название программных или инструментальных средств тестирования. Идея состоит в том, чтобы собрать вокруг разрабатыва­емого проекта совокупность программ для автоматического контроля выпол­няемых схемой функций, а также для наблюдения за поведением схемы и оп­ределением ее временных характеристик. Это особенно полезно, когда в проекте производятся небольшие изменения; тогда можно запустить программу тестирования, чтобы убедиться в том, что обнаруженные ранее дефекты устра­нены, а «улучшения», произведенные в одном месте, ничего не нарушили ни в каком другом месте. Программы тестирования могут быть написаны на том же самом языке описания схем, на котором составлен проект, а также на С или C++ или на комбинации языков, включая языки описания сценариев типа язы­ка PERL.

• Средства анализа и контроля временных соотношений. Описание временных параметров является важной составной частью проектирования цифро­вых устройств. Любой цифровой схеме необходимо время, чтобы вырабо­тать новое значение выходного сигнала в ответ на изменение на входе, и проектировщик тратит много усилий, чтобы убедиться, что соответствую­щие изменения на выходе происходят достаточно быстро (или, в некоторых случаях, не слишком быстро). Специализированные программы позволяют автоматизировать скучную процедуру рисования временных диаграмм, а так­же определять и контролировать временные соотношения между различны­ми сигналами в сложной системе.

• Текстовые редакторы. Наконец, давайте не забудем об обычных текстовыхт редакторах и о текстовых процессорах. Очевидно, что эти средства нужны для написания исходной программы проекта на языке описания схем, их роль является менее важной для каждого проекта, а именно при создании документации!

Помимо использования перечисленных программных средств, разработчики иногда пишут специализированные программы на языках высокого уровня, например таких как С или C++, или составляют сценарии на языках типа PERL для решения част­ных проблем, относящихся к проектируемой системе.

Хотя средства автоматизации проектирования и важны, умения ими пользо­ваться еще не достаточно, чтобы быть хорошим проектировщиком цифровых устройств. Вы же не считаете себя великим писателем только потому, что быст­ро нажимаете на клавиши и проворно управляетесь с текстовым редактором. Обу­чаясь проектированию цифровых устройств, постарайтесь овладеть всеми сред­ствами, какие только будут вам доступны: графическими редакторами схем, средствами моделирования, компиляторами языков описания схем. Но помните, что само по себе изучение этих средств не гарантирует достижения заведомо хороших результатов. Пожалуйста, будьте внимательны по отношению к тому, что получается в результате использования вами этих средств.

Дата добавления: 2014-01-04