Введение

1. Предмет, научные основы и краткая история развития дисциплины

Современная техника, особенно такие ее разделы, как вычислительная техника, техника автоматического (автоматизированного) контроля и управления, телемеханика, автоматическая телефония и т.д., базируется на применении так называемых дискретных устройств (ДУ), которые иногда еще называют релейными устройствами (цифровыми автоматами).

В самом общем смысле дискретным (релейным) устройством называется техническое устройство, предназначенное для преобразования по заданной программе входной информации, поступающей в виде дискретных сигналов, в выходную дискретную информацию.

Дискретные устройства по сравнению с устройствами непрерывного действия обладают рядом преимуществ: быстродействием, помехоустойчивостью, универсальностью. Помимо перечисленных, дискретные устройства имеют еще и то преимущество, что они могут выполнять различные логические операции, что позволяет очень широко использовать их в современных автоматизированных системах контроля и управления.

Известно, что современная техника представляет собой сложные комплексы технических устройств, включающие в себя автоматизированные системы контроля и управления, электронную вычислительную технику, системы дистанционного управления и передачи информации и т.д. Все эти устройства можно объединить общим названием – автоматизированные системы контроля и управления (АСКУ).

Основной элементной базой для построения современных АСКУ, в том числе и цифровых вычислительных машин, являются дискретные устройства.

Обрисуем кратко, как шло развитие самих дискретных устройств и науки о дискретных устройствах.

Среди замечательных изобретений первой половины XIX века скромное место занимало электромагнитное реле, осуществлявшее вначале усиление электрических телеграфных сигналов и получившее свое название от французского слова «relais», означающее «пункт перегрузки», «место смены лошадей».

Никто не мог предположить, что это скромное реле позже станет родоначальником большой отрасли техники, основой дискретных систем автоматики, телемеханики, связи основой развития вычислительной техники и построения ЭВМ.

Наряду с электрическими реле, появились механические, пневматические, гидравлические и другие. Развитие радиоэлектроники привело к созданию сначала электронных и ионных ламп, а затем полупроводниковых, магнитных и других приборов, обладающих действием, аналогичным действию реле, способных передавать, усиливать и перерабатывать дискретные сигналы, но не имеющих механических деталей и контактов. Эти приборы получили общее название бесконтактных элементов (приборов) релейного действия.

Развитие микроэлектроники привело к созданию интегральных микросхем. Построение интегральных схем заключается в получении максимального количества функционально связанных элементов и их соединений в законченном конструктивном исполнении одним комплексом технологических процессов. Полученная при этом совокупность элементов и соединений между ними и носит название интегральной схемы.

Интегральные схемы произвели, что называется, революцию в электронике. В настоящее время все большее количество электронных систем управления, контроля и передачи информации строится с применением интегральных схем в качестве основной элементной базы. Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к созданию больших интегральных схем (БИС) – устройств, сосредоточенных в очень малом объеме и выполняющих функции десятков и даже сотен реле.

Развитие релейной техники, техники дискретных устройств потребовало разработки соответствующих теоретических вопросов. Необходимо было теоретически обосновать правила построения АСКУ на дискретных устройствах, разработать методы исследования дискретных устройств, специальный математический аппарат.

Хотя теория дискретных устройств как наука начала развиваться с конца 30-х годов, до самого последнего времени инженеры при проектировании схем дискретных устройств применяли так называемые интуитивные методы, методы пробования на графике и т.д. Построение схем считалось искусством, которым владели избранные.

Теория дискретных устройств как наука имеет своим предметом исследование дискретных устройств. Она решает следующие основные задачи:

1. Задачу равносильных преобразований дискретных устройств, т.е. задачу перехода от одной схемы дискретного устройства к другой при сохранении их равносильности, т.е. соответствия заданным условиям работы.

2. Задачу анализа, т.е. определения условий работы заданного дискретного устройства. К анализу работы дискретного устройства тесно примыкает задача логического контроля, т.е. задача определения исправности и отыскания отказавших элементов в неисправном дискретном устройстве.

3. Задачу синтеза, которая заключается в построении схемы дискретного устройства по заданным условиям работы и является основной задачей теории дискретных устройств.

Теория дискретных устройств базируется на специальном математическом аппарате, являющемся одним из разделов математической логики – булева алгебра (алгебра логики, двоичная алгебра), названная так по имени ирландского математика и логика Дж. Буля (1815-1864). В трудах Дж. Буля все количественные значения символов были сведены к двум: к 0 и 1. Им подробно рассмотрены основные законы алгебры логики. В 1847 году Дж. Буль опубликовал книгу «Математический анализ логики», а в 1854 году – «Исследование законов мышления», в которой писал: «Назначение настоящего трактата – исследовать основные законы тех операций ума, посредством которых производится рассуждение; выразить их на символическом языке некоторого исчисления и на этой основе установить науку логики и построить ее метод».

Булева алгебра (двузначная алгебра логики) позволяет описывать различные по своей физической природе дискретные устройства.

С применением аппарата булевой алгебры для описания схем теория дискретных устройств начала быстро развиваться, вначале как структурная теория релейно-контактных схем, а потом уже как общая теория дискретных устройств, рассматривающая дискретные устройства различных классов, построенные на самых различных элементах дискретного действия.

Впервые на возможность применения логических методов к рассмотрению «схемы проводов автоматической телефонной станции» указал еще в 1910 году русский физик П. С. Эренфест, но это были лишь предположения.

Строгие доказательства применимости булевой алгебры к исследованию структур релейно-контактных схем дали в 1935-1938 годах советский физик В. И. Шестаков, американский инженер К. Шеннон, японский ученый А. Накашима. Именно В. И. Шестаков еще в 1935 году показал, что контактная схема может моделировать функции алгебры логики, причем истинность или ложность высказываний моделируется замкнутыми и разомкнутыми контактами. Но в то время острой необходимости в развитии теории еще не было.

Лишь в 1946-1947 годах в СССР и в 1950-1952 годах в США начинается современный этап развития теории дискретных устройств.

В период с 1945 по 1949 год публикуется ряд статей советского ученого М. А. Гаврилова, посвященных отдельным вопросам теории релейных устройств, в 1950 г. выходит его монография «Теория релейно-контактных схем», в которой заложены основы современной теории релейно-контактных схем и ее практического применения. Дальнейшее развитие теория релейно-контактных схем получила в работах советских ученых Г. Н. Поварова, М. Л. Цетлина, Д. А. Поспелова, П. П. Пархоменко, В. Г. Лазарева, С. В. Яблонского, В. Н. Рогинского и других.

Развитие электроники, а также успехи в технологии изготовления интегральных микросхем и появление микроэлектроники явились толчком к развитию теории дискретной автоматики в плане разработки методов синтеза теперь уже электронных схем – комбинационных автоматов и автоматов с памятью. Особенно важным достижением теории автоматов в шестидесятые годы явилось создание эффективной модели дискретного автомата с памятью в виде некоторого конечного автомата, что привело к разработке целой серии методов синтеза автоматов с памятью и созданию фактически теории автоматов с памятью. Таким образом, постепенно теория релейно-контактных схем переросла в теорию дискретных автоматов.

Существенное влияние на развитие теории дискретной автоматики оказало создание ЭВМ. Большой вклад в развитие теории, особенно применительно к ЭВМ, внес В. М. Глушков. С именем Глушкова связаны многие теоретические работы в области методов автоматического синтеза ЭВМ. Практика проектирования ставила новые сложные задачи, решение которых требовало использования не только методов теории дискретной автоматики, но и таких смежных наук, как теория алгоритмов, теория информации и др., и было связано с системным подходом к проектируемым устройствам автоматики. Все это привело к дальнейшему развитию теории дискретной автоматики и перерастанию ее в раздел технической кибернетики.