3) Процессорная память (пп) состоит из Сисциализированных ячеек памяти называемых регистрами. Пп используется для кратковременного хранения, записи и выдачи информации.

В общем случае регистры состоят из элементов памяти, каждый из которых может находиться в одном из двух устойчивых состояний; конденсатор заряжен или разряжен, транзистор находится в проводящем или непроводящем состоянии, специальный полупроводниковый материал имеет высокое или низкое удельное сопротивление и т. п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения элемента памяти, а другое — низкий. Например, электрическое напряжение порядка 5В может приниматься за двоичную единицу, a 0В — за двоичный ноль. Регистры часто изображают так, как показано на рис. 10.3 а. Регистр характеризуется единственным числом: количеством битов, которые могут в нем храниться. Помещенная в регистр информация остается там до тех пор, пока она не будет заменена другой. Процесс чтения информации из регистра не влияет на содержимое последнего, другими словами, операция чтения информации, хранимой в регистре, сводится к созданию копии его содер­жимого, оригинал же сохраняется в регистре без изменений.

Простейшим вариантом организации взаимодействия между процессором и любым другим устройством ЭВМ было бы использование отдельного набора проводов для подключения данного устройства к процессору. При этом количество проводов и разъе­мов процессора было бы неимоверно

большим. В большинстве современных ЭВМ. Для организации процессов обмена информацией между различными устройствами ЭВМ используется общая шина (системная магистраль), физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие, называют интерфейсом.

Определение:

Системный интерфейс ─ набор цепей, связывающих процессор с памятью и контроллерами ВУ, алгоритм передачи сигналов по этим цепям, их электрические параметры и тип соединительных элементов.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры).

4) Устройства ввода обеспечивают считывание информации (исходных данных и программы решения задачи) с определенных носителей информации (клавиатур, магнитных лент или дисков, датчиков состояний управляемых объектов и т. п.) и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ.

5) Устройства вывода представляют собой результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия (индикаторы, печатающие устройства, графопостроители, экран дисплея и т. п.). При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки, или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта (например, робота, станка с программным управлением и т. п.).

6) Память ЭВМ, или ЗУ, обеспечивает хранение команд и данных. Это устройство состоит из блоков одинакового размера — ячеек памяти, предназначенных для хранения одного слова информации . В свою очередь, ячейка памяти включает элементы памяти, состояние каждого из которых соответствует одной двоичной цифре (0 или 1). Совокупность нолей и единиц, хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки памяти.

Ячейки нумеруются числами 0, 1, 2,..., называемыми адресом ячеек.

7) Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами ЭВМ. (Синхронизация данных – согласование различных процессов во времени).

Принципы преобразования аналоговой информации в цифровую

При использовании ЭВМ для обработки информации от различных устройств (объектов, процессов), в которых информация представлена непрерывными (аналоговыми) сигналами, требуется преобразовать аналоговый сигнал в цифровой ─ в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот.

В общем случае Процедура аналого-цифрового преобразования состоит их трех этапов:

1)Дискретизация;

2)Квантования по уровню;

3)Кодирования.

Определение:

Под дискретизацией понимают преобразование функции непрерывного времени в функцию дискретного времени, а сам процесс дискретизации состоит в замене непрерывной функции ее отдельными значениями в фиксированные моменты времени.

Рис.10.3. Процесс аналого-цифрового преобразования

Дискретизация может быть равномерной и неравномерной. При неравномерной дискретизации длительность интервалов между отсчетами различна. Наиболее часто применяется равномерная дискретизации, при которой длительность интервала между отсчетами T постоянна. Период дискретизации T непрерывного сигнала U(t) (рис. 10. 4. а) выбирается в соответствии с теоремой Котельникова:

где F_в ─ высшая частота в спектре частот сигнала U(t) (рис. 9. 3)

Определение:

Под квантованием понимают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

Для этого весь диапазон значений сигнала U(t), называемый шка­лой, делится на равные части — кванты, h — шаг квантования. Процесс квантования сводится к замене любого мгновенного значения одним из конечного множества разрешенных значений, называемых уровнями квантования.

Вид сигнала U(t) в результате совместного проведения операций дискретизации и квантования представлен на рис. 10. 5. в.

Дискретизированное значение сигнала U(t), находящееся между двумя уровнями квантования, отождествляется либо с ближайшим уровнем квантования, либо с ближайшим меньшим (или большим) уровнем квантования. Это приводит к ошибкам квантования, которые всегда меньше шага квантования (кванта), т. е. чем меньше шаг квантования, тем меньше погрешность квантования, но больше уровней квантования. Для ускорения процесса преобразования, упрощения и удешевления преобразователя надо выбирать максимально допустимый шаг квантования, при котором погрешности еще не выходят за допустимые пределы.

Число уровней квантования на рис. 10. 5. в равно 8. Обычно их значительно больше. Можно провести нумерацию уровней и выразить их в двоичной системе счисления. Для восьми уровней достаточно трех двоичных разрядов. Каждое дискретное значение сигнала представляется в этом случае двоичным кодом (табл. 9.1) в виде последовательности сигналов двух уровней.

Таблица 10.1

Значение уровня	Двоичное представление значения уровня
6	011
5	101
4	001
5	101
6	011
7	111

Наличие или отсутствие импульса на определенном месте интерпретируется единицей или нолем в соответствующем разряде двоичного числа. Цифровая форма представления сигнала U(t) показана на рис. 10.3. Импульсы старших разрядов расположены крайними справа.

Таким образом, В результате дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала получаем последовательность n-разрядных кодовых комбинаций, которые следуют с периодом дискретизации T_д. При этом рациональное выполнение операций дискретизации и квантования приводит к значительному экономическому эффекту как за счет снижения затрат на хранение и обработку получаемой информации, так и вследствие сокращения времени обработки информации.

Рассмотрим в качестве примера аналого-цифровое преобразование речевого сигнала при использовании его в цифровых системах передачи. Согласно рекомендациям Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии для передачи те­лефонных сообщений достаточна полоса частот от 300 до 3400 Гц, динамический диапазон ─ до 35 дБ. При этом слоговая разборчивость, определенная экспериментально, составляет 90%. Так как в реальном телефонном канале данная полоса частот выделяется фильтром, имеющим конечный спад частотной характеристики, в качестве расчетной ширины спектра стандартного телефонного канала используют ширину полосы частот в 4 кГц.

Для дискретизации такого сигнала в соответствии с формулой (9.1) частота дискретизации ƒ_д = 2F_в при F_в ─ 4 кГц ƒ_д = 8 кГц, что соответствует максимальному периоду дискретизации сигнала T = l/ƒ_д = 125 мкс. Данные периоду частота дискретизации приня­ты в качестве основы при разработке стандартов цифровых систем передачи. Для кодирования квантованных значений амплитуды аналогового сигнала используют, как правило, 7- или 8-битный двоичный код, обеспечивающий соответственно N= 2⁷ = 128 или N= 2⁸ = 256 уровней квантования.

Это гарантирует передачу качественного речевого сигнала с динамическим диапазоном по амплитуде D = 20lg128 = 42 дБ или D = 20lg256 = 48 дБ соответственно. При этом скорость передачи такого цифрового потока при 7-битном кодировании равна 8 кГц x 7 бит = 56 кбит/с, при 8-битном кодировании ─ 8 кГц x 8 бит = 64 кбит/с.

1) ЦАП. На практике преобразование аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для решения обратной задачи преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п. служит цифроаналоговый

преобразователь (ЦАП). В ЦАП каждая двоичная кодовая комбинация преобразуется в аналоговый сигнал и на выходе создается последовательность модулированных по амплитуде импульсов с периодом T_д. Восстановление аналоговой структуры производится при помощи специальных схем, обеспечивающих фильтрацию либо экстраполяцию этих сигналов. В основе построения ЦАП лежит принцип суперпозиции токов (напряжений), каждый из которых пропорционален шагу квантования. При этом член суммы не равен 0, если соответствующий разряд входного слова равен 1.

На рис. 10. 3. представлена одна из наиболее простых схем ЦАП, включающая:

• Источник опорного напряжения (ИОН), E;

• Аналоговые ключи (АК);

• Цепи формирования выходных сигналов, резистивные цепи.

Рис.10.4. цифроаналоговый преобразователь с весовыми резисторами

На вход ЦАП поступает n-разрядный код преобразуемого числа X. Состояние электронного ключа определяется значением соответствующего разряда преобразуемого числа, при этом, если двоичный разряд числа равен единице, то соответствующий резистор соединяется с источником опорного напряжения E, в противном случае ключ разомкнут.

Сопротивления резисторов подбирают следующим образом:

R₀ = 2⁰R;

R₁ = 2¹R;

…

R_n-1 = 2^n-1R.

При этом на выходе ЦАП для каждого кода имеем:

где x_i ─ значение i-го разряда входного двоичного кода.

Точность такого преобразования определяется разрядностью ЦАП, а также точностью изготовления резисторов и стабильностью опорного напряжения Е. Для уменьшения количества номиналов резисторов используют цепную схему, составленную из вдвое большего числа резисторов всего лишь двух номиналов — R и 2R.

Цифроаналоговые преобразователи могут преобразовывать в аналоговый сигнал лишь параллельные коды. При преобразовании в аналоговый сигнал последовательных кодов

их сначала преобразуют в параллельные.

2) АЦП. Схема простейшего АЦП представлена на рис. 9. 5. Она включает в себя суммирующий счетчик, ЦАП, сравнивающее устройство (компаратор) и генератор тактовых импульсов (ГТИ).

По принципу действия такой АЦП называется последовательным. Временные диаграммы на рис. 11. 8. поясняют принцип его работы. На один вход компаратора поступает входной сигнал U. На другой — формируемое ЦАП напряжение порога срабатывания компаратора. При достижении равенства данного напряжения и напряжения входного сигнала на выходе компаратора появляется сигнал, останавливающий счет и суммирование тактовых импульсов в суммирующем счетчике. Одновременно считывается выходной цифровой код x₀, x₁, …,x_n.

Основной недостаток такой схемы — низкое быстродействие, так как время преобразования Т_пр пропорционально амплитуде сигнала.

Рис. 10.5. Схема простейшего АЦ

Значительно большим быстродействием отличаются АЦП параллельного кодирования. В них для преобразования аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код используется 2^n-1 компаратора. На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна Е/2, где E — опорное напряжение, соответствующее максимальному значению преобразуемого аналогового сигнала. Другие входы компараторов объединены, и на них подается входной сигнал. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору. Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом мгновенного кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора.

Рис. 10.6. Временные диаграммы работы АЦП

В некритических к быстродействию применениях используют также преобразователи, построенные по методу двойного интегрирования. Такие преобразователи состоят из конденсатора (интегрирующий элемент), который в течение фиксированного промежутка времени заряжается током пропорциональным входному сигналу, после чего он разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет равным нолю. Время разряда конденсатора пропорционально значению входного сигнала и используется для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты при помощи счетчика. Полученное число, пропорциональное входному уровню, является выходным цифровым сигналом.