سیستم های دیجیتال

سیستم های دیجیتال چنان نقش مهمی در زندگی روزمره ما دارند که می توان عصر فناوری را عصر دیجیتال نامید.سیستمهای دیجیتال در مخابرات،مبادلات تجاری،کنترل ترافیک ،هدایت فضایی،اینترنت و بسیاری از موسسات تجاری ،صنعتی و علمی دیگر کاربرد دارند.ما تلفن دیجیتال ،دیسکهای مختلف دیجیتال ،دوربین دیجیتال و صد البته کامپیوتر دیجیتال داریم.مهمترین ویژگی کامپیوتر دیجیتال عمومیت آن است. کامپیوتر می تواند یک رشته موسوم به برنامه را بر روی داده های معینی اجرا کند.کاربر می تواند برنامه یا داده را بسته به نیاز خود تغییر دهد.کامپیوترهای دیجیتال به خاطر انعطاف پذیری بالای خود می توانند عملیات پردازش اطلاعات گوناگونی را انجام دهند و کاربردهای گسترده ای داشته باشند.

یکی از ویژگی های سیستم های دیجیتال، توانایی کاربر بر روی عناصر گسسته اطلاعاتی است. کامپیوترهای دیجیتال اولیه برای محاسبات عددی به کار می رفتند.در این کامپیوترها ، عناصر گسسته همان ارقام بودند.نام کامپیوتر دیجیتال (رقمی) نیز از این کاربرد گرفته شده است.در یک سیستم دیجیتال عناصر گسسته اطلاعاتی با کمیات فیزیکی موسوم به سیگنال نمایش داده می شوند.سیگنال های الکتریکی مثل ولتاژ و جریان از متداول ترین این کمیات هستند.در مدارهای عمل کننده بر روی این سیگنال ها از ترانزیستور استفاده می شود.سیگنالهای اکثر سیستمهای دیجیتال امروزی دو مقدار مجزا دارند و به همین خاطر دو دویی نامیده می شوند.یک رقم دودویی که بیت نامیده می شود دو مقدار 0 و 1 دارد.

عناصر گسسته اطلاعاتی با یک دسته بیت موسوم به کد دودویی نمایش داده می شوند.برای مثال ارقام ده دهی 0 تا 9 در سیستم های دیجیتال با کد های چهار بیتی نمایش داده می شوند. به روشهای مختلفی می توان کد های دودویی را برای نمایش نمادهای گسسته به کار برد، این کد ها در قالب های دیجیتال به کار می روند.پس سیستم دیجیتال سیستمی است که عناصر گسسته اطلاعات را پردازش می کند و این عناصر به شکل کد های دودویی نمایش داده می شوند.

گسسته بودن اطلاعات می تواند از طبیعت داده ای که پردازش می شود یا کوانتش یک فرایند پیوسته ناشی شده باشد.مثلا لیست حقوق کاملا گسسته است ،این لیست شامل نام کارکنان ،شماره شناسنامه،حقوق ماهیانه ،مالیات و غیره است.فیش حقوقی هر کارمند با داده های گسسته ای چون حروف الفبا (نام) ارقام (حقوق) و نمادهای خاص ($) پردازش می شود.

کامپیوتر دیجیتال ِ همه منظوره معروفترین نمونه از سیستم های دیجیتال است. بخش های اصلی کامپیوتر عبارتند از واحد حافظه، واحد پردازنده مرکزی و واحد های ورودی- خروجی.

در واحد حافظه علاوه بر ورودی،خروجی و داده های میانی خود برنامه نیز ذخیره می شود.واحد پردازنده مرکزی عملیات پردازش مشخص شده توسط برنامه را انجام می دهد.برنامه و داده های آماده شده توسط کاربر با یک وسیله ورودی مثلا صفحه کلید به حافظه انتقال داده می شود .

کامپیوتر دیجیتال وسیله پر قدرتی است که علاوه بر عملیات ریاضی می تواند عملیات منطقی را نیز انجام دهد. دلایل اساسی برای ساخت وسائل با مدارهای دیجیتال وجود دارد. اکثر وسائل دیجیتال مثل کامپیوتر دیجیتال برنامه پذیر هستند .یک سخت افزار برنامه پذیر را می‌توان با تغییر برنامه برای کاربرد های مختلفی به کار برد. پیشرفت های فناوری مدارهای مجتمع دیجیتال به افت شدید قیمت وسائل دیجیتال منجر شده است. سیستم های دیجیتال مجموعه ای از واحد های دیجیتالی است. برای درک کار هر واحد دیجیتالی ، دانش پایه های مدارهای دیجیتال لازم است .

کدهای دودویی

در سیستم های دیجیتال سیگنالهایی با دو مقدار متمایز و عناصر مداری دارای دو حالت پایدار به کار می روند .مثلا هر عدد دو دویی n رقمی را می‌توان با n عنصر مداری دودویی نمایش داد،که سیگنال خروجی هر کدام 0 یا 1 است. در سیستم های دودویی علاوه بر اعداد دودویی ، دیگر اطلاعات گسسته نیز نمایش و پردازش می شوند. عناصر گسسته اطلاعاتی متمایز از یک دسته کمیت را می‌توان با یک کد دودویی نمایش داد .کد ها باید به صورت دودویی باشند زیرا در کامپیوتر تنها می‌توان 0 و 1 داشت. باید به خاطر داشت که کد های دودویی تنها نمادی متفاوت برای نمایش هستند و معنی عنصر اطلاعاتی گسسته را تغییر نمی دهند.اگر بیت های یک کامپیوتر را به طور تصادفی بررسی کنیم در می یابیم که اکثر مواقع آنها اطلاعاتی کد شده را نشان می دهند نه اعداد دودویی را.

مدارهای مجتمع

مدار مجتمع یا (آی سی) یک بلور نیم رسانای سیلیسیومی موسوم به تراشه است که اجزای الکترونیکی لازم برای ساخت گیت های منطقی روی آن قرار دارند.روی تراشه گیت های مختلف به هم وصل می شوند تا مدار مورد نظر تشکیل شود .تراشه در یک جعبه سرامیکی یا پلاستیکی نصب و به پایه های خارجی مدار مجتمع لحیم می شود.تعداد پایه ها بین 14 (برای بسته های کوچک) تا چند صد (برای مدارهای بزرگ) تغییر می کند.روی هر آی سی عددی چاپ می شود که مشخصه بسته را نشان می دهد.

سطوح تجمع

آی سی های دیجیتال غالبا بر اساس پیچیدگی مدار دسته بندی می شوند و معیار پیچیدگی مدار تعداد گیت های منطقی داخل یک بسته است. برای تمایز بین تراشه هایی که اندکی گیت دارند و آنهایی که صد هزار گیت دارند، آنها را بسته های با تجمع کوچک ،متوسط ،بزرگ و بسیار بزرگ می نامند.

مجتمع سازی با مقیاس کوچک (SSI) چند گیت مستقل در یک بسته هستند.ورودیها و خروجی ها ی گیت ها مستقیمآ به پایه های آی سی ها متصل اند.تعداد گیت ها معمولا کمتر از 10 است و به خاطر تعداد پایه های آی سی محدود می شوند.

مجتمع سازی با مقیاس متوسط(MSI) تقریبا 10 تا 1000 گیت در بسته هستند که معمولا عملیات منطقی مشخصی را انجام می دهند.

در آی سی های مجتمع سازی با مقیاس بزرگ (LSI) هزاران دروازه در یک بسته قرار دارد . سیستم های دیجیتال شامل پردازنده ها آی سی های حافظه و وسائل منطقی برنامه پذیر از این دسته اند .

در آی سی های مجتمع سازی با مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) صد ها هزار گیت وجود دارد. آرایه های بزرگ حافظه و میکرو کامپیوتر های پیجیده از این دسته اند .

نتیجه گیری

چنانچه قبلا گفتیم سیستم های دیجیتال با کمیات گسسته ای کار می کنند که به صورت دودویی نمایش داده می شوند . عملوندهای محاسبات ریاضی را می‌توان در دستگاه عدد نویسی دودویی بیان کرد. دیگر عناصر گسسته مثلا ارقام ده دهی ،با کد های دودویی نمایش داده می شوند . پردازش داده توسط عناصر منطقی ،منطقی دودویی انجام می شوند که با سیگنال های دودویی کار می کنند . کمیات در عناصر ذخیره سازی دودویی ضبط می شوند .