Цифровая схемотехника — это последние достижения цифровых технологий, применяемые при разработке электронных вычислительных машин.
Общие сведения
За прошедшие несколько десятков лет микропроцессорные технологии кардинально поменяли весь наш окружающий мир. Обычный ноутбук сегодня имеет производительность больше, чем огромная электронная вычислительная машина из недалёкого прошлого, которая занимала отдельное помещение. Современное авто высокого класса имеет в своём оборудовании порядка пятидесяти микроконтроллеров. Благодаря интенсивному развитию микропроцессорных устройств появились в широком обиходе сотовые телефоны и сеть интернет, значительный прогресс достигнут буквально во всех сферах общественной жизни и промышленности.
Главным достоинством цифровых систем в сравнении с аналоговыми устройствами считается простота блоков, образующих такие системы, так как они работают не с разнообразными аналоговыми сигналами, а с бинарными кодами, состоящими только из нулей и единиц. Проектирование цифровых систем не связано со сложными и витиеватыми математическими вычислениями и не требует обширных познаний физических процессов. Основной задачей разработчиков цифровых систем является сборка сложного действующего устройства из набора простых блочных составляющих.
Управление сложностью
Сегодняшние цифровые устройства содержать миллионы и даже миллиарды условно говоря транзисторов. Мозг человека не может оценить работу таких устройств при помощи формул, которые описывают движения потоков электронных частиц в отдельных транзисторных схемах. Проектировщикам микропроцессоров приходится лавировать в огромном информационном потоке, и чтобы не утонуть в нём, надо уметь контролировать сложность реализуемой системы.
Основным моментом в управлении сложностью цифровых систем является абстракция, которая подразумевает удаление из системного анализа составляющих, не оказывающих существенного влияния на понимание функционирования такой системы. Каждая система может рассматриваться с разных позиций абстракции. Самым низким уровнем абстракции будет физика движения электронов, которая подчиняется законам квантовой механики.
Электронная система собрана из элементов на основе полупроводников, которые образуют набор различных устройств. Все устройства соединяются между собой по определённым линиям и точкам соединения. Этот подход имеет в виду, что при рассмотрении системы на уровне составляющих её устройств с заранее чётко определёнными функциями, то нет необходимости учёта поведения электронов, находящихся внутри каждого устройства такой системы.
Следующим уровнем абстракции можно считать аналоговые схемы, где устройства на основе полупроводников соединяются и образуют уже элементы, выполняющие определённые функции. Например, это могут быть усилители сигналов, напряжение на входе и выходе которых меняется непрерывно. В цифровых схемах применяются уже только два устойчивых состояния, которым соответствую уровни напряжений. Одним из этих состояний является дискретный уровень логического нуля, другим — логической единицы.
Микроархитектура или микроархитектурный уровень абстракции является связующим звеном между логическим и архитектурным уровнем абстракции. Архитектурный уровень абстракции представляет компьютерное оборудование с точки зрения программистов. К примеру, архитектурное построение Intel x86, применявшееся ранее микропроцессорами многих персональных компьютеров, описывается комплексом инструкций и регистровым набором, которые доступны для применения программистами.
Микроархитектура представляет собой объединение самых простых цифровых компонентов в блоки логики, которые служат для операционных действий, назначенных конкретным архитектурным набором. Любую архитектуру возможно реализовать применением разных наборов микроархитектур, имеющих различные соотношения ценового диапазона, уровней производительности и потребления электроэнергии. Эти соотношения часто выбирают, балансируя между вышеназванными показателями. К примеру, процессоры Intel Core i7, Intel 80486 и AMD Athlon применяли одинаковую архитектуру х86, но она была реализована с применением трёх различных микроархитектур.
Операционная система служит для управления процедурами нижнего уровня, к примеру, это может быть обращение к винчестеру или операции управления ячейками памяти. И, в финале, прикладные программы применяют ресурсные возможности операционных систем для разрешения индивидуальных пользовательских задач. Собственно, как раз идея отвлечения (абстрагирования) от незначительных моментов даёт возможность даже малообразованным людям общаться в сети интернет, не думая о квантовой неопределённости электронов или архитектурных построениях компьютера. Тем не менее находясь на определённом уровне абстракции, необходимо иметь представление о соседних уровнях. К примеру, программисты не могут оптимально составить программу без знания архитектурных особенностей процессора, который станет обрабатывать их программы. С другой стороны, специалист по электронике, который проектирует отдельный элемент схемы, не найдёт компромиссное решение между потреблением энергии и уровнем быстродействия, если он не знает ничего о цифровой схеме, для которой предназначается этот элемент.
Дисциплина конструктора
Под конструкторской дисциплиной понимается осмысленное наложение ограничений непосредственно разработчиком (конструктором) на выбор вероятных вариантов конструкции, что даёт возможность более продуктивной работы на повышенном уровне абстрагирования.
Применение элементов, обладающих взаимозаменяемостью, является самым известным примером использования на практике конструкторской дисциплины. Самым первым примером применения взаимозаменяемых элементов и комплектующих деталей является изготовление кремниевых ружей. До девятнадцатого века их изготавливали в единичных экземплярах, подгоняя комплектацию каждого ружья при сборке, поскольку все элементы делали разные ремесленники. Конструкторская дисциплина привела к единообразию в комплектации деталей и вызвала целую революцию в производстве ружей.
Возвращаясь к теме цифровой схемотехники, следует отметить, что конструкторская дисциплина в цифровых схемах является основополагающей. В цифровых схемах применяется дискретизация значений напряжения, в отличие от аналоговых схем, где присутствует непрерывное изменение напряжения. То есть, цифровые схемы можно считать подмножеством аналоговых цепей, и они в каком-то смысле проигрывают более обширному аналоговому классу. Но цифровые устройства существенно более просты в проектировании. Ввод ограничений на применение аналоговых схем и замену их, где это возможно, цифровыми схемами, позволяет просто выполнить объединение различных элементов в сложные устройства, превосходящие по своим характеристикам устройства, собранные на основе аналоговых схем. В качестве примера можно привести телевизоры с цифровой начинкой, смартфоны, другие устройства, которые полностью потеснили свои аналоговые варианты.
