Теория дискретных устройств

Дискретные устройства

Под дискретным устройством понимается техническое оборудование, которое может быть различных физических типов. С математической точки зрения дискретное устройство считается логической функцией. В управляющей системе дискретное устройство работает как преобразователь информации, материальным отображением которой являются сигналы. Сегодняшняя вычислительная техника, основана на использовании дискретных устройств, которые в отдельных случаях могут быть релейными (иначе цифровые автоматы). В обобщённом смысле дискретное устройство — это технический модуль, который предназначен для выполнения определённых преобразований по заданному алгоритму над поступающими на его вход дискретными сигналами, и формировании из них выходной дискретной информации.

Дискретные устройства имеют определённые преимущества относительно устройств аналогового типа. А именно это:

1. Более высокое быстродействие.
2. Повышенная помехоустойчивость.
3. Более высокая универсальность.

Помимо отмеченных выше достоинств, у дискретных устройств есть ещё одно свойство, а именно способность осуществлять разные операции алгебры логики. Это даёт возможность повсеместного их применения в различных автоматических и автоматизированных управляющих и контрольных системах. Весь этот класс устройств возможно классифицировать как автоматизированные системы контроля и управления (АСКУ). Главным составляющим компонентом в структуре таких систем, включая и цифровые электронные вычислительные машины, считаются дискретные устройства.

История развития теории дискретных устройств и их эволюция

Рассмотрим кратко историю развития собственно дискретных устройств и научной дисциплины о них. В ряду выдающихся достижений и открытий первой половины девятнадцатого века довольно скромное место занимали электромагнитные реле, которые выполняли сначала формирование электрического телеграфного сигнала и получили своё наименование от слова французского языка «relais». Дословно этот термин означал «перегрузочный пункт», «пункт замены лошадей». Мало кто предполагал тогда, что это неприметное реле позднее окажется зародышем огромной технической отрасли, базой дискретных автоматических систем, телемеханических устройств, систем связи и отправной точкой прогресса средств вычислительной техники.

Помимо электрических реле, были сконструированы механические, пневматические и гидравлические модификации реле. Прогресс радиоэлектронной отрасли привёл к изобретению электронной вакуумной лампы, а позднее полупроводников, магнитного и другого оборудования, которое обладало возможностями аналогичными реле, но без наличия в их структуре механических элементов и контактов. Все эти модули были названы бесконтактными элементами релейного типа. В дальнейшем появилась микроэлектроника и интегральные микросхемы. Проектирование интегральных микросхем состоит в создании самого большого числа компонентов, связанных функционально, и их связей в завершённой конструктивной реализации посредством единого комплекса технологических процессов. Сформированный при этом набор компонентов и их взаимосвязей и является интегральной схемой. Появление интегральных схем явилось, по своей сути, революционным преобразованием в сфере электроники. Сегодня подавляющее число электронных управляющих систем, контрольных и передающих систем выполняются на основе интегральных схем, которые стали главной элементной базой.

Последующая модернизация микроэлектронных элементов вызвала изобретение больших интегральных схем (БИС). Эти элементы имели сравнительно небольшой объём, но могли заменить работу десятков, а иногда и сотен реле.

Прогресс релейной техники, радиоэлектронных дискретных модулей требовал соответствующего теоретического обоснования. Нужно было сформировать теоретическое обоснование законов создания автоматических систем на базе дискретных элементов, выработать способы изучения дискретных устройств, специальную математическую поддержку.

Теория дискретных устройств

Несмотря на то, что теория дискретных устройств в качестве научного направления развивается ещё с окончания тридцатых годов прошлого века, вплоть почти до настоящего времени специалисты при разработке структурной организации дискретных модулей, использовали больше методы интуиции, способы графической проверки и так далее. Формирование схемы было почти искусством, которым обладали далеко не все, а только избранные.

Теория дискретных устройств занимается решением следующих задач:

1. Задача равнозначных переформирований дискретного устройства, то есть задача перемещения от имеющейся схемной организации дискретного устройства к иной схеме с сохранением их равнозначности, то есть удовлетворения требованиям по условию функционирования.
2. Проблема анализа, то есть выработки режима функционирования определённого дискретного устройства. К проблеме анализа действия дискретного устройства плотно присоединяется задача логического контролирования, то есть задача контроля работоспособности и определения неисправных компонентов в отказавшем дискретном устройстве.
3. Задача синтеза, заключающаяся в формировании схемной организации дискретного устройства по исходным параметрам условий его функционирования, и считается одной из главных задач теории дискретных устройств.

Основой теории дискретных устройств является специальный математический аппарат, опирающийся на математическую логику, а именно булеву алгебру.