Moderní fotoaparáty dělají vše samy – k pořízení fotografie stačí uživateli stisknout tlačítko. Ale stále je to zajímavé: jakým kouzlem se obrázek dostane do fotoaparátu? Pokusíme se vysvětlit základní principy digitálních fotoaparátů.
Vzdělávací program: jak to funguje digitální fotoaparát
Hlavní části Anti-distortion
Hlavní části
V zásadě design digitálního fotoaparátu následuje design analogového fotoaparátu. Jejich hlavní rozdíl je ve fotocitlivém prvku, na kterém je obraz tvořen: u analogových fotoaparátů je to film, u digitálních fotoaparátů je to matrice. Světlo prochází čočkou na matrici, kde se vytváří obraz, který se následně zaznamenává do paměti. Nyní se podívejme na tyto procesy podrobněji.
Fotoaparát se skládá ze dvou hlavních částí – těla a objektivu. Tělo obsahuje matrici, závěrku (mechanickou nebo elektronickou a někdy obojí), procesor a ovládací prvky. Čočka, odnímatelná nebo integrální, je skupina čoček umístěných v plastovém nebo kovovém pouzdře.
Odkud obrázek pochází?
Matrice se skládá z mnoha fotosenzitivních buněk – pixelů. Každá buňka, když na ni dopadne světlo, produkuje elektrický signál úměrný intenzitě světelného toku. Vzhledem k tomu, že se používají pouze informace o jasu světla, obraz se ukáže jako černobílý, a aby byl barevný, musíte se uchýlit k různým trikům. Buňky jsou pokryty barevnými filtry - ve většině matric je každý pixel pokryt červeným, modrým nebo zeleným filtrem (pouze jedním!) v souladu se známým barevným schématem RGB (červená-zelená-modrá). Proč právě tyto barvy? Protože jsou hlavní a všechny ostatní se získávají jejich smícháním a snížením nebo zvýšením jejich nasycení.
Na matici jsou filtry uspořádány do skupin po čtyřech, takže na každé dva zelené připadá jeden modrý a jeden červený. Děje se tak proto, že lidské oko je nejcitlivější na zelenou barvu. Světelné paprsky různých spekter mají různé vlnové délky, takže filtr propouští do buňky pouze paprsky vlastní barvy. Výsledný snímek se skládá pouze z červených, modrých a zelených pixelů – to je forma, ve které jsou zaznamenávány soubory RAW (raw format). Pro nahrávání soubory JPEG a TIFF, procesor fotoaparátu analyzuje hodnoty barev sousedních buněk a vypočítává barvu pixelů. Tento proces zpracování se nazývá barevná interpolace a je nesmírně důležitý pro vytváření vysoce kvalitních fotografií.
Toto uspořádání filtrů na buňkách matice se nazývá Bayerův vzor
Existují dva hlavní typy matic a liší se způsobem, jakým čtou informace ze senzoru. V maticích typu CCD se informace čtou z buněk postupně, takže zpracování souboru může trvat poměrně dlouho. I když jsou takové senzory „promyšlené“, jsou relativně levné a kromě toho je na snímcích pořízených s jejich pomocí menší hladina šumu.
Matice typu CCD
V maticích typu CMOS (CMOS) jsou informace čteny individuálně z každé buňky. Každý pixel je označen souřadnicemi, což umožňuje použít matici pro měření expozice a autofokus.
matice CMOS
Popsané typy matric jsou jednovrstvé, ale existují i třívrstvé, kde každá buňka současně vnímá tři barvy, rozlišující různě barevné barevné proudy podle vlnové délky.
Třívrstvá matrice
Procesor fotoaparátu již byl zmíněn výše - je zodpovědný za všechny procesy, které vedou k vytvoření snímku. Procesor určí expoziční parametry a rozhodne, které z nich je třeba v dané situaci aplikovat. Od procesoru a software Záleží na kvalitě fotografií a rychlosti fotoaparátu.
S cvaknutím spouště
Závěrka měří dobu, po kterou je světlo vystaveno senzoru (rychlost závěrky). Ve velké většině případů se tento čas měří ve zlomcích sekund - jak se říká, a nebudete mít čas mrknout. U digitálních zrcadlovek, stejně jako u filmových fotoaparátů, se závěrka skládá ze dvou neprůhledných clon, které zakrývají snímač. Kvůli těmto závěsům v digitálních zrcadlovkách není možné zobrazit displej - koneckonců matice je zavřená a nemůže přenášet obraz na displej.
U kompaktních fotoaparátů není matrice zakryta závěrkou, a proto si můžete rám skládat podle displeje
Při stisku spouště jsou závěsy poháněny pružinami nebo elektromagnety, které umožňují vstup světla a vytváření obrazu na snímači – tak funguje mechanická závěrka. Digitální fotoaparáty ale mají i elektronické závěrky – používají se v kompaktních fotoaparátech. Elektronické závěrky, na rozdíl od mechanické, se nelze dotknout rukama, je obecně virtuální. Matice kompaktních fotoaparátů je vždy otevřená (proto můžete komponovat záběr při pohledu na displej a ne přes hledáček), ale po stisknutí spouště se snímek exponuje na určenou dobu expozice a poté zaznamenané v paměti. Vzhledem k tomu, že elektronické závěrky nemají závěsy, mohou být jejich rychlosti závěrky ultrakrátké.
Soustřeďme se
Jak již bylo zmíněno výše, pro automatické ostření se často používá samotná matrice. Obecně existují dva typy autofokusu – aktivní a pasivní.
Pro aktivní automatické ostření vyžaduje fotoaparát infračervený nebo ultrazvukový vysílač a přijímač. Ultrazvukový systém měří vzdálenost k objektu pomocí echolokační metody odraženého signálu. Pasivní ostření se provádí metodou odhadu kontrastu. Některé profesionální fotoaparáty kombinují oba typy ostření.
K ostření lze v zásadě využít celou plochu snímače, což umožňuje výrobcům umístit na něj desítky ostřících zón a také použít „plovoucí“ ostřící bod, který si uživatel může umístit kam chce.
Proti zkreslení
Je to čočka, která tvoří obraz na matrici. Čočka se skládá z několika čoček - tří nebo více. Jedna čočka nedokáže vytvořit dokonalý obraz – na okrajích bude zkreslený (říká se tomu aberace). Zhruba řečeno, světelný paprsek by měl jít přímo k senzoru, aniž by se cestou rozptyloval. Do jisté míry to usnadňuje membrána - kulatá deska s otvorem uprostřed, sestávající z několika lopatek. Clonu však nemůžete příliš zavřít - kvůli tomu se snižuje množství světla vstupujícího do snímače (což se používá při určování požadované expozice). Pokud sestavíte několik objektivů v sérii s různými charakteristikami, zkreslení, které vytvářejí dohromady, budou mnohem menší než aberace každého z nich samostatně. Čím více čoček, tím menší aberace a tím méně světla dopadá na snímač. Sklo, jakkoli se nám může zdát průhledné, totiž nepropustí všechno světlo – některá část se rozptyluje, část odráží. Aby čočky propouštěly co nejvíce světla, jsou potaženy speciální antireflexní vrstvou. Když se podíváte na čočku fotoaparátu, uvidíte, že se povrch čočky třpytí duhou - jedná se o antireflexní vrstvu.
Čočky jsou umístěny uvnitř čočky přibližně takto
Jednou z charakteristik objektivu je clona, hodnota maximální otevřené clony. Na objektivu je indikován např. takto: 28/2, kde 28 je ohnisková vzdálenost a 2 je clonový poměr. U objektivu se zoomem vypadá označení takto: 14-45/3,5-5,8. Pro zoomy jsou uvedeny dvě hodnoty clony, protože mají různé hodnoty v širokoúhlém a teleobjektivu minimální hodnoty membrána. To znamená, že při různých ohniskových vzdálenostech se bude poměr clony lišit.
Ohnisková vzdálenost, která je uvedena na všech čočkách, je vzdálenost od přední čočky k přijímači světla (in v tomto případě, matrice). Ohnisková vzdálenost určuje zorný úhel objektivu a jeho, abych tak řekl, dosah, tedy jak daleko „vidí“. Širokoúhlé objektivy oddalují obraz od našeho běžného vidění, teleobjektivy jej naopak přibližují a mají malý pozorovací úhel.
Pozorovací úhel objektivu závisí nejen na jeho ohniskové vzdálenosti, ale také na úhlopříčce světelného přijímače. U 35mm filmových fotoaparátů je objektiv s ohniskovou vzdáleností 50 mm považován za normální (tedy přibližně odpovídající zornému úhlu lidského oka). Objektivy s kratší ohniskovou vzdáleností jsou „širokoúhlé“ a objektivy s delší ohniskovou vzdáleností jsou „teleobjektivy“.
Levá část spodního nápisu na objektivu je ohnisková vzdálenost zoomu, pravá část clonový poměr
Zde je problém, kvůli kterému se u digitálního objektivu často uvádí ekvivalent pro 35 mm. Úhlopříčka matice je menší než úhlopříčka rámu 35 mm, a proto je nutné čísla „převést“ na známější ekvivalent. Kvůli stejnému nárůstu ohniskové vzdálenosti se širokoúhlé fotografování stává téměř nemožným u zrcadlovek s „filmovými“ objektivy. Objektiv s ohniskovou vzdáleností 18 mm na kinofilmové kameře je superširokoúhlý objektiv, ale na digitálním fotoaparátu bude jeho ekvivalentní ohnisková vzdálenost kolem 30 mm nebo ještě delší. Co se týče teleobjektivů, zvětšení jejich „dosahu“ fotografům jedině prospěje, protože běžný objektiv s ohniskovou vzdáleností řekněme 400 mm je dost drahý.
Hledáček
Ve filmových fotoaparátech můžete komponovat snímek pouze pomocí hledáčku. Digitální vám umožní na to úplně zapomenout, protože u většiny modelů je pro to pohodlnější použít displej. Některé velmi kompaktní fotoaparáty nemají hledáček vůbec, jednoduše proto, že pro něj není místo.
Nejdůležitější na hledáčku je to, co přes něj vidíte. Například zrcadlovkám se tak říká právě kvůli konstrukčním vlastnostem hledáčku. Obraz přes objektiv je přenášen přes soustavu zrcadel do hledáčku a fotograf tak vidí skutečnou plochu záběru. Během fotografování se při otevření závěrky zvedne zrcátko, které ji blokuje, a propustí světlo do citlivého snímače. Takové konstrukce samozřejmě dokonale zvládají své úkoly, ale zabírají poměrně hodně místa, a proto jsou v kompaktních fotoaparátech zcela nepoužitelné.
Takto se obraz přes zrcadlový systém dostává do hledáčku zrcadlovky
Kompaktní fotoaparáty používají optické hledáčky s reálným viděním. Toto je, zhruba řečeno, průchozí otvor v těle fotoaparátu. Takový hledáček nezabere mnoho místa, ale jeho přehled neodpovídá tomu, co „vidí“ objektiv.
Existují také pseudozrcadlové fotoaparáty s elektronickými hledáčky. Takové hledáčky mají malý displej, na který se obraz přenáší přímo z matrice – stejně jako na externí displej.
Blikat
Je známo, že blesk, pulzní zdroj světla, se používá pro osvětlení tam, kde hlavní osvětlení nestačí. Vestavěné blesky většinou nejsou příliš výkonné, ale jejich impuls stačí k osvětlení popředí. Na poloprofesionálních a profesionálních fotoaparátech je i kontakt pro připojení mnohem výkonnějšího externího blesku, říká se mu „hot shoe“.
To jsou obecně základní prvky a principy fungování digitálního fotoaparátu. Souhlasíte, když víte, jak zařízení funguje, je snazší dosáhnout vysoce kvalitních výsledků.
Abilify MyCite se dodává s přilnavým senzorem (zobrazeným v levém dolním rohu tohoto obrázku) a smartphonem.
Nová „digitální pilulka“ může lékařům sdělit, zda pacient užil jejich léky. Tablet vyšle signál do nositelného senzoru, když pacient užívá léky, a tato informace je poté odeslána do ordinace lékaře.
Celý systém se jmenuje Abilify MyCite a skládá se z tabletu, nositelného senzoru a aplikace pro chytré telefony. Skutečným lékem je Abilify (aripiprazol), lék používaný k léčbě schizofrenie a bipolární poruchy. Lék prodává společnost Otsuka Pharmaceutical a senzor v tabletu vytvořila společnost Proteus Digital Health.
Jak systém funguje?
I když tato myšlenka může znít jako něco ze sci-fi filmu, tato technologie je založena na principu, který byl poprvé popsán před více než 200 lety, řekl Dr. George Savage, hlavní lékař a spoluzakladatel společnosti Proteus Digital Health.
V roce 1800 vynalezl Alessandro Volta baterii sestávající ze dvou odlišných kovů (zinek a měď) v roztoku kyseliny sírové a solanky. Baterie se vyrábí podobným způsobem dodnes.
Předpokládá se, že systém zabudovaný do tabletu je senzor sestávající z křemíkového čipu s logickým obvodem a dvou kusů kovu: mědi a hořčíku. Když senzor spadne do roztoku vody nebo jakékoli jiné kapaliny, která má polární molekuly (jako je kyselina chlorovodíková v žaludku, která rozpustí pilulku a ponechá senzor za sebou), zařízení vygeneruje proud. Proud je velmi malý, ale ke spuštění čipu stačí.
"Technicky je to částečný zdroj energie," řekl Savage. "Pacient se stává baterií."
Po aktivaci čip – pouze 1 milimetr na straně a tloušťka 0,3 mm – vyšle velmi jednoduchý signál, který zakóduje pouze jedno číslo. Toto číslo identifikuje pilulku a sděluje nositelnému adhezivnímu senzoru, že se dostala do těla.
Signál tabletu není rádiový signál. Logický obvod čipu produkuje malý modulovaný proud - graf úrovní proudu bude vypadat jako sinusovka. Protože je lidské tělo vodivé, nositelný senzor může způsobit změny. Modulovaný proud může kódovat jedničky a nuly podobně jako FM signál.
Funguje stejně jako elektrokardiogram. Tyto stroje snímají změny elektrického proudu v těle, aby monitorovaly srdeční tep. Nositelný senzor dělá totéž, i když proud je nižší.
Tablet je navržen tak, aby fungoval jen asi 3 minuty. To je dostatečná doba k odeslání signálu do nositelného senzoru, aby se probudil a začal sbírat data. To šetří energii baterie, řekl Savage, a umožňuje nositelnému senzoru pracovat týden v kuse.
Od pacienta k lékaři
Nositelný adhezivní senzor by mohl detekovat, jak je pacient aktivní, řekl Bob McQuaid, ředitel strategie společnosti Otsuka Pharmaceutical. Může také zkontrolovat, zda osoba užívající prášky leží.
Z nositelného senzoru jsou informace o tom, že si pacient vzal pilulku, odeslány do aplikace chytrého telefonu přes Bluetooth. Aplikace se poté pacienta zeptá, jak se cítí, a zaznamená odpověď. Pokud pacient souhlasí, aplikace může odeslat čas, kdy pilulku, úroveň aktivity a stres, lékaři, který se může podívat na data v průběhu času a získat představu o tom, jak léčba pacienta probíhá. Lékař tak může například vědět, zda pacient užívá lék vždy ve stejnou denní dobu, nebo zda má tendenci občas zapomenout a vzít si pilulku.
Informace odesílané z nositelného senzoru do telefonu a z telefonní aplikace do ordinace jsou šifrované a neexistuje reálný způsob, jak hacknout signál, aniž byste byli ve velmi těsném kontaktu s pacientem.
I když údaje umožňují lékařům zajistit, aby pacienti užívali léky, neexistuje žádný důkaz, že systém zlepšuje dodržování.
"Tyto experimenty ještě nebyly provedeny," řekl McQuaid. Přesto by taková data mohla lékařům pomoci mluvit s pacienty o užívání drog a možná identifikovat dobré návyky, řekl.
Dodržování režimu a správné použití jsou neustálý problém. Například mnoho lidí, kteří vynechají jeden den léky, ať už je to cokoliv, si vezmou dvě tablety druhý den, i když u některých léků to udělat nemůžete. „Lidé dělají v práci to, co je logické, jako když zmeškáte den, přijdete a uděláte více práce ale ne ve farmakologii."
Vaši cestu do světa elektroniky začneme ponorem do digitální elektroniky. Za prvé proto, že se jedná o vrchol pyramidy elektronického světa, a za druhé, základní pojmy digitální elektroniky jsou jednoduché a srozumitelné.
Přemýšleli jste někdy o tom, k jakému fenomenálnímu průlomu ve vědě a technice došlo díky elektronice a zejména digitální elektronice? Pokud ne, vezměte si svůj smartphone a pečlivě si ho prohlédněte. Takto jednoduše vypadající design je výsledkem obrovského množství práce a fenomenálních úspěchů moderní elektroniky. Vytvoření takové techniky bylo umožněno díky jednoduché myšlence, že jakákoliv informace může být reprezentována ve formě čísel. Takže bez ohledu na to, s jakými informacemi zařízení pracuje, hluboko uvnitř sbírá čísla.
Římské a arabské číslice pravděpodobně znáte. V římském systému jsou čísla reprezentována jako kombinace písmen I, V, X, L, C, D, M a v arabštině pomocí kombinace symbolů 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Ale existují i jiné formy reprezentace čísel. Jedním z nich je binární forma. Nebo, jak se tomu častěji říká, binární číselná soustava. V takovém číselném systému je jakékoli číslo posloupností pouze „0“ a „1“.
| arabština | římský | Binární |
| 0 | - | 00 |
| 1 | já | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Matematici a inženýři tvrdě pracovali a dnes může být jakákoliv informace prezentována jako kombinace nul a jedniček: signál z pohybového senzoru, hudba, video, fotografie, teplota a dokonce i tento text, který právě čtete, je ve skutečnosti hloubky vašeho zařízení vypadají jako sekvence nul a jedniček.
Bez ohledu na to, jaké informace digitální zařízení zpracovává, hluboko uvnitř zpracovává čísla.
Proč zrovna „0“ a „1“ a ne například „0“, „1“ a „2“? Ve skutečnosti byly docela úspěšné pokusy o vytvoření digitální technologie, která nepoužívá binární, ale ternární číselnou soustavu („0“, „1“ a „2“), ale přesto zvítězila binární.
Možná vyhrála proto, že se SSSR zhroutil, nebo možná proto, že „0“ a „1“ se snáze reprezentují ve formě elektrických signálů. To znamená, že digitální zařízení založená na binární systém výpočty jsou jednodušší a levnější. O binárních číslech se zmíním později.
Struktura digitálního zařízení
Téměř každé digitální zařízení obsahuje typické prvky, z jejichž kombinace se skládá. Některé prvky jsou velmi jednoduché, některé složitější a některé zcela složité. V amatérské praxi jsou nejběžnější: spouštěče, časovače, čítače, registry, mikrokontroléry, komparátory atd.
Vyberme si něco z tohoto seznamu a uvidíme, jak to funguje. Ať je to mikrokontrolér (MK)! Dobře, přiznám se. Mikrokontrolér jsem si vybral z nějakého důvodu. Faktem je, že to byl právě příchod mikroprocesorů, který způsobil skutečnou revoluci v elektronice a posunul její vývoj na novou úroveň.
MK je nejpočetnější a nejoblíbenější typ mikroprocesorů na světě. Zvláštní je, že mikrokontrolér je mikro-PC – celý počítač v jednom čipu. Představte si počítač o velikosti, řekněme, penny. Toto je MK.
Mikrokontroléry se používají všude: v moderní televizory, ledničky, tablety, zabezpečovací systémy. Všude tam, kde je potřeba něco ovládat, najde své místo mikrokontrolér. A to vše díky tomu, že jako každý mikroprocesor lze i MK programovat. Díky tomu lze stejný typ čipu použít ve stovkách různých zařízení.
V dnešní době jsou nejoblíbenější např. mikrokontroléry AVR, PIC, ARM. Každá ze společností, která vyrábí uvedené typy mikrokontrolérů, vyrábí desítky, ne-li stovky druhů mikrokontrolérů určených pro všechny představitelné i nepředstavitelné úkoly.
Jak mikrokontrolér funguje?
Navzdory složitosti návrhu skutečného mikrokontroléru poznáte, jak funguje, pouze jednou větou: „Text programu se zapíše do paměti mikrokontroléru, MK čte příkazy z tohoto programu a provádí je,“ to je Všechno.
MK samozřejmě nemůže provádět žádné příkazy. Má základní sadu příkazů, kterým rozumí a ví, jak je provádět. Kombinací těchto příkazů můžete získat téměř jakýkoli program, se kterým bude zařízení dělat přesně to, co chcete.
V moderní svět mikroprocesor (MK je také mikroprocesor, ale specializovaný) může mít buď hodně základních instrukcí, nebo jen velmi málo. To je takové podmíněné dělení, pro které byly dokonce vytvořeny dva pojmy: CISC a RISC. CISC je hodně odlišné typy příkazy pro všechny příležitosti, RISC - to jsou pouze nejnutnější a nejčastěji používané příkazy, tzn. redukovaná sada příkazů.
Většina mikrokontrolérů je RISC. To je vysvětleno skutečností, že při použití redukované sady příkazů je výroba mikrokontrolérů jednodušší a levnější a vývojáři hardwaru je snadněji a rychleji ovládají. Mezi CISC a RISC je mnoho rozdílů, ale prozatím je důležité si pamatovat pouze to, že CISC má mnoho příkazů, RISC má málo příkazů. Na tyto dvě myšlenky se blíže podíváme někdy jindy.
Co se stane, když se mikrokontrolér zapne?
Pojďme si tedy představit ideální svět, ve kterém máte MK a v jeho paměti je již nahraný program. Nebo, jak se obvykle říká, MK je „flashovaný“ (v tomto případě se program nazývá „firmware“) a je připraven k boji.
Co se stane, když napájíte obvod MK? Ukazuje se, že nic zvláštního. Není tam vůbec žádná magie. Stane se následující:
Po připojení napájení se mikrokontrolér podívá na to, co je v paměti. Zároveň „ví“, kde hledat první příkaz svého programu.
Místo začátku programu je stanoveno během výroby MK a nikdy se nemění. MK započítá první příkaz, provede jej, pak spočítá druhý příkaz, provede jej, pak třetí a tak dále až do posledního. Kdy počítá poslední příkaz, pak vše začne znovu, protože MK spustí program v kruhu, pokud nedostane pokyn k zastavení. Takže takhle to funguje.
To vám ale nebrání v psaní složitých programů, které pomáhají ovládat ledničky, vysavače, průmyslové stroje, audio přehrávače a tisíce dalších zařízení. I vy se můžete naučit vytvářet zařízení s MK. Bude to chtít čas, chuť a trochu peněz. Ale to jsou takové maličkosti, že?
Jak funguje typický MK?
Každý mikroprocesorový systém je založen na třech pilířích:
- procesor(ALU + ovládací zařízení),
- Paměť(ROM, RAM, FLASH),
- I/O porty .
Procesor pomocí I/O portů přijímá/odesílá data ve formě čísel a provádí na nich různé funkce aritmetické operace a ukládá je do paměti. Komunikace mezi procesorem, porty a pamětí probíhá prostřednictvím vodičů tzv pneumatika(pneumatiky jsou rozděleny do několika typů podle účelu) . Toto je obecná představa o tom, jak systém MP funguje. Jako na obrázku níže.
MK, jak jsem již psal, je také mikroprocesor. Prostě specializované. Fyzická struktura mikroobvodů MK různých sérií se může výrazně lišit, ale ideologicky budou podobné a budou mít například bloky jako: ROM, RAM, ALU, vstupně/výstupní porty, časovače, čítače, registry.
| ROM | Permanentní paměť. Vše, co je do něj zapsáno, zůstává v ROM i po odpojení zařízení od napájení. |
| RAM | Dočasná paměť. RAM je pracovní paměť MK. Jsou do něj umístěny všechny mezivýsledky provádění příkazů nebo data z externích zařízení. |
| ALU | Matematický mozek mikrokontroléru. Je to on, kdo sčítá, odčítá, násobí a někdy i dělí, porovnává nuly a jedničky v procesu provádění programových příkazů. Jeden z nejdůležitějších orgánů MK. |
| I/O porty | Prostě zařízení pro komunikaci MK s vnějším světem. Bez nich nemůžete ani zapisovat do externí paměti, ani přijímat data ze senzoru nebo klávesnice. |
| Časovače | Vařili jste dort nebo kuře? Nastavili jste časovač, který vás upozorní, když je jídlo hotové? V MK plní časovač podobné funkce: počítá intervaly, vydává signál o provozu atd. |
| Počítadla | Přijdou vhod, když potřebujete něco spočítat. |
| Registry | Nejnesrozumitelnější slovo pro ty, kteří se alespoň jednou pokusili zvládnout Assembler sami. A mimochodem, fungují jako rychlá RAM pro MK. Každý registr je jakousi paměťovou buňkou. A v každém MK jich je jen pár desítek. |
Moderní rozsah vývoje digitální elektroniky je tak obrovský, že i pro každou položku z této tabulky můžete napsat celou knihu, nebo dokonce více než jednu. Popíšu základní myšlenky, které vám pomohou dále samostatně porozumět podrobněji každému ze zařízení.
Mozek mikrokontroléru
Mikroprocesor/mikrokontrolér vždy pracuje podle programu v něm zabudovaného. Program se skládá ze sekvence operací, které může MK provádět. Operace se provádějí v CPU - to je mozek mikrokontroléru. Právě tento orgán může provádět aritmetické a logické operace s čísly. Existují však čtyři další důležité operace, které může udělat:
- čtení z paměťové buňky
- zapisovat do paměťové buňky
- číst z I/O portu
- zápis na I/O port
Tyto operace jsou zodpovědné za čtení/zápis informací do paměti a externí zařízení přes I/O porty. A bez nich se jakýkoli procesor promění v zbytečný odpad.
Technicky se procesor skládá z ALU (processor calculator) a řídicí jednotky, která řídí interakci mezi I/O porty, pamětí a aritmetickou logickou jednotkou (ALU).
Paměť mikrokontroléru
Dříve jsem v tabulce s typickými zařízeními zahrnutými v MK označil dva typy paměti: ROM a RAM. Rozdíl mezi nimi je v tom, že v ROM se data ukládají mezi zapnutím zařízení. Ale zároveň je ROM poměrně pomalá paměť. Proto je zde RAM, která je celkem rychlá, ale dokáže ukládat data pouze při napájení zařízení. Vyplatí se vypnout zařízení a všechna data jsou odtud... nic.
Pokud máte notebook nebo osobní počítač, pak jste obeznámeni s touto situací: napsali jste horu textu, zapomněli jste jej uložit HDD, náhle vypadla elektřina. Zapnete počítač, ale žádný text. To je správně. Zatímco jste to psali, byl uložen v paměti RAM. Proto po vypnutí počítače text zmizel.
V cizím světě se RAM a ROM nazývají RAM a ROM:
- RAM (Random Access Memory) - paměť s náhodným přístupem
- ROM (Read Only Memory) - paměť pouze pro čtení
U nás se jim také říká volatilní a nevolatilní paměti. Což podle mého názoru přesněji odráží povahu každého typu paměti.
ROM
V dnešní době se stále více rozšiřují paměti ROM typu FLASH (nebo dle našeho názoru EEPROM). Umožňuje ukládat data, i když je zařízení vypnuté. Proto se v moderních MCU, například v AVR MCU, používá FLASH paměť jako ROM.
Dříve byly paměťové čipy ROM jednou programovatelné. Pokud byl tedy zaznamenán program nebo data s chybami, byl takový mikroobvod jednoduše vyhozen. O něco později se objevily ROM, které bylo možné mnohokrát přepisovat. Jednalo se o UV mazatelné čipy. Žili poměrně dlouho a dodnes se vyskytují v některých zařízeních z 90....2000. Například tato ROM pochází ze SSSR.
Měly jednu podstatnou nevýhodu – při náhodném osvícení krystalu (ten viditelný v okně) mohlo dojít k poškození programu. A také ROM je stále pomalejší než RAM.
RAM
RAM na rozdíl od ROM, PROM a EEPROM je nestálý a když je zařízení vypnuto, všechna data v RAM jsou ztracena. Bez něj se ale neobejde ani jedno mikroprocesorové zařízení. Jelikož při provozu je potřeba někde ukládat výsledky výpočtů a data, se kterými procesor pracuje. ROM není pro tyto účely vhodná pro svou pomalost.
PAMĚŤ PROGRAMŮ A DAT
Kromě dělení na volatilní (RAM) a energeticky energeticky nezávislé mají mikrokontroléry dělení na datovou paměť a programovou paměť. To znamená, že MK má speciální paměť, která je určena pouze pro uložení programu MK. V moderní době je to obvykle FLASH ROM. Právě z této paměti mikrokontrolér čte příkazy, které provádí.
Odděleně od programové paměti je datová paměť, ve které jsou umístěny mezivýsledky práce a jakákoli další data požadovaná programem. Paměť programu je běžná RAM.
Toto oddělení je dobré, protože žádná chyba v programu nemůže poškodit samotný program. Například když se MK omylem pokusí zapsat náhodné číslo místo nějakého příkazu v programu. Ukazuje se, že program je spolehlivě chráněn před poškozením. Mimochodem, tato divize má svůj vlastní speciální název - „Harvardská architektura“.
Ve 30. letech 20. století americká vláda pověřila vývojem univerzity Harvard a Princeton architektura Počítač pro námořní dělostřelectvo. Koncem 30. let 20. století na Harvardské univerzitě vyvinul Howard Aiken architektura počítač Mark I, napříště pojmenovaný po této univerzitě.
Níže jsem schematicky znázornil architekturu Harvardu:
Program a data, se kterými pracuje, jsou tedy fyzicky uloženy na různých místech. Pokud jde o velké procesorové systémy, jako je osobní počítač, pak se data a program uloží na stejné místo, zatímco program běží.
HIERARCHIE PAMĚTI
JAK SE PODEPÍNÁ MOZEK MIKROKONTROLÉRU
Už máte na mysli, že mozkem MK je CPU - procesor, který se skládá z ALU (aritmeticko-logická jednotka) a řídicí jednotky (CU). Řídící jednotka ovládá celý orchestr z paměti, externích zařízení a ALU. Díky němu může MK provádět příkazy v pořadí, jaké chceme.
ALU je kalkulačka a řídicí jednotka říká ALU, co, s čím, kdy a v jakém pořadí má počítat nebo porovnávat. ALU může sčítat, odečítat, někdy dělit a násobit a provádět logické operace: AND, OR, NOT (více o nich o něco později)
Každý počítač, včetně MK, dnes může pracovat pouze s binárními čísly složenými z „0“ a „1“. Právě tato jednoduchá myšlenka vedla k revoluci elektroniky a explozivnímu rozvoji digitální technologie.
Předpokládejme, že ALU potřebuje sečíst dvě čísla: 2 a 5. Ve zjednodušené podobě to bude vypadat takto:
V tomto případě řídicí jednotka ví, do kterého paměťového místa má vzít číslo „2“, do kterého číslo „5“ a do kterého paměťového místa má umístit výsledek. CU o tom všem ví, protože se o tom dočetla v příkazu z programu, který tento momentČetl jsem to v programu. O arematických operacích s binárními čísly a o tom, jak funguje sčítačka ALU zevnitř, vám řeknu podrobněji o něco později.
No, říkáte si, co když tato čísla potřebujete získat ne z programu, ale zvenčí, například ze senzoru? Co bych měl dělat? Zde vstupují do hry I/O porty, s jejichž pomocí může MK přijímat a přenášet data na externí zařízení: displeje, senzory, motory, ventily, tiskárny atd.
LOGICKÉ OPERACE
Pravděpodobně je vám dobře známý vtip o „ženské logice“? Ale nebudeme mluvit o tom, ale o logice v principu. Logika pracuje se vztahy příčina-následek: pokud slunce vyšlo, stalo se světlem. Příčina „slunce vyšlo“ způsobila efekt „stalo se světlem“. Kromě toho můžeme o každém tvrzení říci „PRAVDA“ nebo „NEPRAVDA“.
Například:
- "Ptáci plavou pod vodou" je lež
- "Voda je mokrá" - při pokojové teplotě je toto tvrzení pravdivé
Jak jste si všimli, druhý výrok může být za určitých podmínek buď pravdivý, nebo nepravdivý. Náš počítač má pouze čísla a inženýři a matematici přišli s nápadem označovat pravdu jako „1“ a nepravdu jako „0“. To umožnilo napsat pravdivost tvrzení ve formě binárních čísel:
- "Ptáci plavou pod vodou" = 0
- "Voda je mokrá" = 1
A takový zápis umožňoval matematikům provádět s těmito výroky celé operace – logické operace. George Boole byl první, koho to napadlo. Po kterém je tato algebra pojmenována: „Booleovská algebra“, která se ukázala jako velmi vhodná pro digitální stroje.
Druhá polovina ALU jsou logické operace. Umožňují „srovnávat“ výroky. Existuje pouze několik základních logických operací: AND, OR, NOT - ale to stačí, protože z těchto tří lze kombinovat složitější.
Logická operace A označuje simultánnost výpovědí, tzn. že oba výroky jsou pravdivé zároveň. Například prohlášení bude pravdivé pouze tehdy, jsou-li pravdivá obě jednodušší tvrzení. Ve všech ostatních případech bude výsledek logické operace AND nepravdivý.
Logická operace NEBO bude pravdivé, pokud alespoň jeden z výroků zahrnutých v operaci je pravdivý. „Ptáci plavou pod vodou“ a „Voda je mokrá“ pravda, protože výrok „voda je mokrá“ je pravdivý
Logická operace NE mění pravdivost výroku na jeho opačný význam. To je logická negace. Například:
Slunce vychází každý den = PRAVDA
NE (Slunce vychází každý den) = NEPRAVDA = NEPRAVDA
Díky logickým operacím můžeme porovnávat binární čísla, a jelikož naše binární čísla vždy něco znamenají, například nějaký signál. Ukazuje se, že díky Booleově algebře můžeme porovnávat reálné signály. To dělá logická část ALU.
VSTUPNÍ/VÝSTUPNÍ ZAŘÍZENÍ
Náš MK musí komunikovat s vnějším světem. Jen tak to bude užitečné zařízení. Pro tento účel má MK speciální zařízení nazývaná vstupní/výstupní zařízení.
Díky těmto zařízením můžeme do mikrokontroléru posílat signály ze senzorů, klávesnic a dalších externích zařízení. A po zpracování takových signálů pošle MK odpověď přes výstupní zařízení, pomocí kterých bude možné regulovat rychlost otáčení motoru nebo jas lampy.
Dovolte mi to shrnout:
- Digitální elektronika – špička elektronického ledovce
- Digitální zařízení zná a rozumí pouze číslům
- Libovolnou informaci: zprávu, text, video, zvuk lze zakódovat pomocí binárních čísel
- Mikrokontrolér je mikropočítač na jednom čipu
- Každý mikroprocesorový systém se skládá ze tří částí: procesor, paměť, vstupní/výstupní zařízení
- Procesor se skládá z ALU a řídící jednotky
- ALU může provádět aritmetické a logické operace s binárními čísly
Zůstaň s námi. V následujících článcích vám podrobněji řeknu, jak je uspořádána paměť MK, I/O porty a ALU. A poté půjdeme ještě dále a nakonec dosáhneme analogové elektroniky.
p.s.
Našli jste chybu? Řekni mi to!
Skvělý radioamatér a programátor
© web 2014
Pro úplnou kontrolu nad procesem příjmu digitální obraz Je nutné alespoň v obecné rovině porozumět struktuře a principu fungování digitálního fotoaparátu.
Jediným zásadním rozdílem mezi digitálním fotoaparátem a filmovým fotoaparátem je povaha fotocitlivého materiálu, který je v nich použit. Pokud je to ve filmovém fotoaparátu film, pak v digitálním fotoaparátu je to světlocitlivá matrice. A stejně jako tradiční fotografický proces je neoddělitelný od vlastností filmu, digitální fotografický proces do značné míry závisí na tom, jak matrice převádí světlo na něj zaostřené objektivem na digitální kód.
Princip činnosti fotomatice
Světlocitlivá matrice neboli fotosenzor je integrovaný obvod (jinými slovy křemíkový plátek) skládající se z nejmenších světlocitlivých prvků – fotodiod.
Existují dva hlavní typy snímačů: CCD (Charge-Coupled Device, také známé jako CCD - Charge-Coupled Device) a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, známé také jako CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Oba typy matic převádějí energii fotonů na elektrický signál, který následně podléhá digitalizaci, pokud však v případě CCD matice signál generovaný fotodiodami vstupuje do procesoru kamery v analogové podobě a teprve poté je centrálně digitalizován, pak v matici CMOS je každá fotodioda vybavena individuálním analogovým převodníkem signálu (ADC) a data vstupují do procesoru v diskrétní formě. Obecně platí, že rozdíly mezi matricemi CMOS a CCD, i když jsou pro inženýra zásadní, jsou pro fotografa naprosto nepodstatné. Pro výrobce fotografického vybavení je také důležité, aby matrice CMOS, které jsou složitější a nákladnější na vývoj než matrice CCD, byly v hromadné výrobě ziskovější než matrice CCD. Budoucnost tedy s největší pravděpodobností spočívá v technologii CMOS z čistě ekonomických důvodů.
Fotodiody, které tvoří jakoukoli matrici, mají schopnost přeměnit energii světelného toku na elektrický náboj. Čím více fotonů fotodioda zachytí, tím více elektronů vznikne na výstupu. Je zřejmé, že čím větší je celková plocha všech fotodiod, tím více světla mohou vnímat a tím vyšší je fotocitlivost matrice.
Fotodiody bohužel nelze umístit blízko sebe, protože by pak na matrici nebylo místo pro elektroniku doprovázející fotodiody (což je důležité zejména u matic CMOS). Světlocitlivý povrch senzoru tvoří v průměru 25-50 % jeho celkové plochy. Aby se snížila ztráta světla, je každá fotodioda pokryta mikročočkou, která má větší plochu a skutečně přichází do kontaktu s mikročočkami sousedních fotodiod. Mikročočky shromažďují světlo dopadající na ně a směrují ho do fotodiod, čímž zvyšují světelnou citlivost snímače.
Po dokončení expozice je elektrický náboj generovaný každou fotodiodou přečten, zesílen a převeden na binární kód dané bitové hloubky pomocí analogově-digitálního převodníku, který je poté odeslán do procesoru fotoaparátu k dalšímu zpracování. Každá fotodioda matice odpovídá (i když ne vždy) jednomu pixelu budoucího obrazu.
Děkuji za pozornost!
Vasilij A.
Dodatek
Pokud vám článek přišel užitečný a poučný, můžete projekt laskavě podpořit tím, že přispějete na jeho rozvoj. Pokud se vám článek nelíbil, ale máte myšlenky, jak jej vylepšit, vaše kritika bude přijata s nemenší vděčností.
Pamatujte, že tento článek podléhá autorským právům. Přetisk a citace jsou přípustné za předpokladu, že existuje platný odkaz na zdroj a použitý text nesmí být jakkoli zkreslený nebo pozměněný.