Как появились цифровые технологии

Учебник | Цифровые технологии

Цифровые технологии (англ. Digital technology) основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.

Цифровая технология работает, в отличие от аналоговой, с дискретными, а не непрерывными сигналами. Кроме того, сигналы имеют небольшой набор значений, как правило, два, но в реальной жизни системы, особенно учётные системы хранения данных, на основе трёх значений. Обычно это , 1, NULL которые в булевской алгебре имеют значения «Ложь», «Истина» и в присутствии NULL “отсутствие результата” соответственно.

Цифровые схемы состоят в основном из логических элементов, таких как AND, OR, NOT и др., а также могут быть связаны между собой счётчиками и триггерами.

Цифровые технологии главным образом используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего компьютерах, в различных областях электротехники, таких как игровые автоматы, робототехника, автоматизация, измерительные приборы, радио- и телекоммуникационные устройства и многих других цифровых устройствах.

Английское слово digital, означающее «цифровой», в свою очередь, происходит от латинского Digitus, то есть «палец».

Поскольку человечеством в течение длительного времени в процессе подсчета малых значений использовались пальцы, именно десятеричная система счисления стала оcновной, в том числе и в индо-арабской нумерации. Обычно пальцами можно рассчитывать значения только целых чисел. Из-за этого слово «цифровой» также используется для обозначения любого объекта, который работает с дискретными значениями.

История

Наиболее раннее упоминание об использовании вычислительных устройств приходится на период 2700—2300 до н. э. Тогда в древнем Шумере был распространён абак. Он состоял из доски с начерченными линиями, которые разграничивали последовательность порядков системы счисления. Антикитерский механизм считается самым ранним из известных механических аналогов компьютера. Он был предназначен для расчета астрономических позиций. Такой механизм был обнаружен в 1901 году на развалинах греческого острова Андикитира между Китирой и Критом и был датирован 100 г. до н. э. После того, как в начале 17 века Джон Непер открыл логарифмы для вычислительных целей, последовал период значительного прогресса среди изобретателей и учёных в создании инструментов расчёта. В 1623 году Вильгельм Шиккард разработал вычислительную машину, а в 1640 году Блез Паскаль, французский математик, построил первое механическое устройство сложения. Затем, в 1672 году, Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрёл ступенчатый калькулятор, который он собрал в 1694 году.

В 1703 г. Лейбниц разработал формальную логику, математический смысл которой описан в его трудах и заключается в сведении логики к бинарной системе счисления. В ней единицы и нули формально представляют истинное и ложное значения или включённое и выключенное состояние некоторого элемента, могущего быть в двух состояниях. Эти работы намного опередили работы Джоржа Буля, опубликовавшего свои результаты в 1854 г. Сейчас алгебра высказываний Буля называется булевой — математически полная алгебраическая система.

В 1837 году Чарльз Бэббидж описал свою первую аналитическую машину, которая считается наиболее ранней конструкцией современного компьютера. Аналитическая машина имела расширяемую память, арифметическое устройство и логические схемы с возможностью интерпретировать язык программирования с циклами и условными ветвлениями.

К этому времени было изобретено первое механическое устройство, управляемое бинарной схемой. Промышленная революция дала толчок механизации многих задач, включая ткачество. Перфокарты контролировали работу ткацких станков Жозефа Мари Жаккара, где перфорированное отверстие на карте означало бинарную единицу, а неперфорированное место означало бинарный ноль.

Перфокарта
До 1920-х годов компьютерами (что-то вроде вычислительной машины) были клерки, выполнявшие вычисления. «Компьютерами», в большинстве своём, являлись женщины, которые имели специальное образование.

После 1920-х годов выражение вычислительная машина относят к любым машинам, которые выполняли работу человека-компьютера, особенно к тем, которые были разработаны в соответствии с эффективными методами тезиса Чёрча — Тьюринга: «Любое вычисление, какое только возможно, может быть выполнено на компьютере, при условии, что в нем достаточно времени и места для хранения».

Математические основы современной информатики были заложены Куртом Гёделем в его теореме о неполноте (1931) – это две теоремы математической логики о принципиальных ограничениях формальной арифметики и, как следствие, всякой формальной системы, в которой можно определить основные арифметические понятия: натуральные числа, 0, 1, сложение и умножение.

Новый импульс развитию булевой алгебры дал Клод Шеннон в работах 1933 г., где показал, что состояния и переходы между состояниями релейных переключающих схем могут быть формально описаны в терминах булевой алгебры и для их анализа и синтеза пригоден математический аппарат булевой алгебры, к тому времени хорошо развитый. И сейчас булева алгебра — основа для логического проектирования процессоров, видеокарт и многих других систем и устройств бинарной логики.

В 1937 году Алан Тьюринг представил свою идею того, что сейчас называется машиной Тьюринга (абстрактная вычислительная машина).

В 1941 году Конрад Цузе разработал первый в мире функциональный программно-управляемый Тьюринг-полный (т.е. на нём можно реализовать любую вычислимую функцию) компьютер, Z3.

В 1944 году запущен Марк I — первый американский программируемый компьютер.

В 1946 году была создана модель компьютерной архитектуры, которая стала известна как архитектура фон Неймана: принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

Первой электронной вычислительной машиной обычно называют ЭНИАК (ENIAC, Electronical Numerical Integrator and Calculator), разработка которой велась под руководством Джон Мокли и Д.Эккерта и закончилась в 1946 г., хотя приоритет Мокли и Эккерта по решению суда в 1973 г. оспорен Д.Атанасовым.

В 1948 году Клод Шеннон даёт начало «теории информации» новому разделу информатики. Данный раздел стал заниматься измерением количества информации, её свойствами и устанавливать предельные соотношения для систем передачи данных.

В том же году Норберт Винер вводит термин кибернетика, что в переводе с древнегреческого языка значит «искусство управления». Он публикует статью «Кибернетика», что повлияло на появление искусственного интеллекта.

Норберт Винер
В 1950 году в Национальной физической лаборатории (Великобритания) завершен Pilot ACE, программируемый компьютер небольших масштабов, основанный на модели машины Тьюринга.

Отечественное компьютеростроение не отстаёт: в том же году Михаил Алексеевич Лаврентьев совместно с Сергеем Алексеевичем Лебедевым основали лабораторию института по разработке вычислительных машин. В этой лаборатории были созданы проекты таких ЭВМ, как БЭСМ, БЭСМ-2, М-20, БЭСМ-6, ЭВМ серии Эльбрус (по аналогии с серией американских машин IBM-360)

В 1950-х транзисторы заменяют вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, тем самым совершая революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

В период 1950-1980 гг. технологии развиваются семимильными шагами. Растёт конкуренция. Множество фирм и компаний соревнуются в создании идеального и удобного для человека бытового прибора. Пусть пока не цифровых – это ещё впереди.

В 1985 году корпорация Intel представила новый процессор 80386 с рабочей частотой 12 МГц.

3 апреля 1986 корпорация IBM объявляет о выпуске первой модели портативного компьютера (лэптопа).

В 1987 году корпорация IBM выпустила серию компьютеров IBM PS/2.

В 1988 году Compaq выпустил первый компьютер с оперативной памятью 640 кбайт — стандартная память для всех последующих поколений DOS.

В этом же году Hewlett-Packard выпустил первый струйный принтер серии DeskJet, а компания Tandy — первый диск CD-RW. Компания NeXT выпустила первую рабочую станцию NeXT, оснащённую новым процессором Motorola, с фантастическим объемом оперативной памяти (8 Мбайт), 17-дюймовым монитором и жёстким диском на 256 Мбайт.

Далее, в 1989 году, Creative Labs представил Sound Blaster 1.0, 8-битную монофоническую звуковую карту для PC. А в 1990 году Intel представил новый процессор — 32-разрядный 80486SX. Скорость — 27 млн операций в секунду.

Собственно к чему все эти компьютерные факты и достижения? А к тому, что научное развитие непременно подтягивает за собой и бытовое. Развиваются различные сферы деятельности. Например, кинематограф. Если раньше приходилось создавать спецэффекты «кукольным» способом, то в 1980-х «эстафету принимает» компьютерная графика.

С годами компьютерные спецэффекты становились все совершенней и сложней. В настоящий момент современные технологии используются не только в фантастических фильмах и фильмах ужасов, прогресс не миновал даже историческое, документальное и детское кино. Здесь цифровые технологии преобразовывают звук и изображение в цифровые данные, которые можно обрабатывать, хранить и передавать при помощи компьютера.

Взрыв цифрового видео пришелся на 90-е годы XX века. В мае 1995 года появилась первая потребительская цифровая камера с ЖК-дисплеем. Её выпустила компания Casio, а сама камера называлась Casio QV-10.

За 1990-е годы был бешеным темпом пройден этап развития носителей информации от дискет до DVD. В 2010-х в ходу уже вовсю Blu-ray, однако тенденция верным курсом дрейфует в сторону «облачных» интерфейсов, благо за своё полувековое развитие, интернет развил скорость до такой, что загрузка и скачивание файлов проходит достаточно быстро.

С началом нового тысячелетия уже никого не удивишь технологией «умного дома», телевизора с интернетом, цифрового телевидения, холодильника с процессором.

Возникает вопрос: цифровые технологии, как за вами успеть?

История возникновения цифровых технологий и обзор аппаратуры выполненной на их основе

В жизни каждого человека знаменательные события и праздники проходят с присутствием в них какого-либо вида техники, в основе которых, лежат цифровые технологии. В данной статье, мы расскажем, на основе чего, работают цифровые технологии, а также в основе какой техники лежат цифровые технологии.

Зеркальная и линзовая оптика

В объективы кинокамер всегда вставляется несколько линз. Это помогает избежать возможность оптической погрешности. Также существует зеркальная оптика для фотоаппарата. Такая оптика имеет большое фокусное расстояние. В противоположность множеству линз, в таком объективе необходимо только одно зеркало, так как погрешности в его изображении невелики, кроме того имеется и вспомогательное зеркало. Данные технологии основные и применяются практически в любой технике, в которой есть видеокамера или фотокамера. Все виды цифровой техники, и комплектующих к ним, вы можете на этом сайте http://fotomag.com.ua/.

Зеркальная оптика в природе

Любая технология может найти свой аналог в мире живой природы. И оптика, лежащая на основе цифровых технологий не исключение.

Так, например глаза с хрусталиком характерны людям и многих животным. Хрусталик, находящийся в глазах человека или животного воспроизводит изображение на сетчатке. Большинство объективов кинокамер работают по этому принципу. Линзовая оптика работает именно по этому принципу. Принцип зеркальной оптики тоже существует в природе, правда намного реже. Зрением на основе такой технологии наградила природа рака. Ракам в связи с их природой обитания необходимы светосильные глаза с большим углом зрения и обладающих большой светосилой. В составных глазах рака отдельные глаза имеют только четырехугольные фасетки.

Световые лучи два раза отражаются между отдельными глазами и только тогда попадают на чувствительные клетки. Таким образом, глаза рака, могут увидеть очень большое пространство с большой четкостью. Такая технология воспроизведения окружающего мира называется зеркальная оптика. Применяется такая технология при создании светосильных широкоугольных кинокамер.

Схема работы оптических приборов

Фотоаппараты и камеры включают в себя: объектив, состоящих из нескольких линз, корпуса светонепроницаемого, видоискателя и диафрагмы, а также затвора. В светонепроницаемом корпусе фотоаппарата находится фотопленка, которая является чувствительной к свету. На фотопленке объектив фотоаппарата делает действительное умышленное изображение предмета который фотографируют.

Для того чтобы изображение предмета было четким, предмет может быть расположен на различных расстояниях от фотоаппарата. При этом объектив перемещается относительно фотопленки, а наводка на резкость в результате контролируется видоискателем. От того какие условия чувствительности и освещенности фотопленки зависит путь света от объектива к пленке. При этом открытие происходит посредством затвора на небольшой интервал времени, в основном это сотые доли секунды. Поток света управляется кольцевым отверстием в диафрагме который находится за объективом, при этом диаметр можно плавно изменять.

Цифровые технологии

Цифровые технологии (англ. Digital technology ) основаны на представлении сигналов дискретными полосами аналоговых уровней, а не в виде непрерывного спектра. Все уровни в пределах полосы представляют собой одинаковое состояние сигнала.

Цифровая технология работает, в отличие от аналоговой, с дискретными, а не непрерывными сигналами. Кроме того, сигналы имеют небольшой набор значений, как правило,два, но в реальной жизни системы, особенно учётные системы хранения данных, на основе трёх значений. Обычно это 0, 1, NULL которые в булевской алгебре имеют значения «Ложь», «Истина» и в присутствии NULL “отсутствие результата” соответственно.

Цифровые схемы состоят в основном из логических элементов, таких как AND, OR, NOT и др., а также могут быть связаны между собой счетчиками и триггерами.

Цифровые технологии главным образом используются в вычислительной цифровой электронике, прежде всего компьютерах, в различных областях электротехники, таких как игровые автоматы, робототехника, автоматизация, измерительные приборы, радио- и телекоммуникационные устройства и многих других цифровых устройствах.

Содержание

Преимущества

Одно из преимуществ цифровых схем по сравнению с аналоговыми [1] заключается в том, что у первых сигналы могут быть переданы без искажений. Например, непрерывный звуковой сигнал, передающийся в виде последовательности 1 и 0, может быть восстановлен без ошибок при условии, что шума при передаче было не достаточно, чтобы предотвратить идентификацию 1 и 0. Час музыки может быть сохранен на компакт-диске с использованием около 6 млрд двоичных разрядов.

Цифровыми системами с компьютерным управлением можно управлять с помощью программного обеспечения, добавляя новые функции без замены аппаратных средств. Часто это может быть сделано без участия завода-изготовителя путем простого обновления программного продукта. Подобная функция позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся требованиям. Кроме того, возможно применение сложных алгоритмов, которые в аналоговых системах невозможны или же осуществимы, но только с очень высокими расходами.

Хранение информации в цифровых системах проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет хранить и извлекать данные без повреждения. В аналоговой системе старение и износ может ухудшить записанную информацию. В цифровой же, до тех пор, пока общие помехи не превышают определенного уровня, информация может быть восстановлена ​​совершенно точно.

Недостатки

В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые для выполнения одной и той же задачи, выделяя больше тепла, что повышает сложность схем, например, путем добавления кулера. Это может ограничить их использование в портативных устройствах, питающихся от батареек.

Например, сотовые телефоны часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радио-сигналов от базовой станции. Тем не менее, базовая станция может использовать энергоемкую, но очень гибкую программно-определяемую радиосистему. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Цифровые схемы иногда дороже аналоговых.

Возможна также потеря информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Математически это явление может быть описано как ошибка округления.

В некоторых системах при потере или порче одного фрагмента цифровых данных может полностью измениться смысл больших блоков данных.

Происхождение названия

Английское слово digital, означающее «цифровой», в свою очередь, происходит от латинского Digitus, то есть «палец».

Поскольку человечеством в течение длительного времени в процессе подсчета малых значений использовались пальцы, именно десятеричная система счисления стала оcновной, в том числе и в индо-арабской нумерации. Обычно пальцами можно рассчитывать значения только целых чисел. Из-за этого слово «цифровой» также используется для обозначения любого объекта, который работает с дискретными значениями.

Источники:

http://evmhistory.ru/tutorial/digital.html
http://smages.com/stati/istoriya-vozniknoveniya-cifrovyx-texnologij-i-obzor-apparatury-vypolnennoj-na-ix-osnove/
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1673645