Moderni fotoaparati sve rade sami - da bi snimio fotografiju, korisnik samo treba pritisnuti gumb. Ali svejedno je zanimljivo: kojom čarolijom slika dospije u kameru? Pokušat ćemo objasniti osnovne principe digitalnih fotoaparata.
Obrazovni program: kako funkcionira Digitalna kamera
Glavni dijelovi Zaštita od izobličenja
Glavni dijelovi
U osnovi, dizajn digitalnog fotoaparata slijedi dizajn analognog. Njihova glavna razlika je u fotoosjetljivom elementu na kojem se slika formira: u analognim kamerama to je film, u digitalnim kamerama to je matrica. Svjetlost prolazi kroz leću na matricu, gdje se formira slika koja se zatim snima u memoriju. Sada pogledajmo ove procese detaljnije.
Fotoaparat se sastoji od dva glavna dijela - tijela i objektiva. Tijelo sadrži matricu, zatvarač (mehanički ili elektronički, a ponekad i oboje), procesor i kontrole. Leća, odvojiva ili integralna, skupina je leća smještenih u plastičnom ili metalnom kućištu.
Odakle dolazi slika?
Matrica se sastoji od mnogo fotoosjetljivih ćelija – piksela. Svaka stanica, kada svjetlost pogodi nju, proizvodi električni signal proporcionalan intenzitetu svjetlosnog toka. Budući da se koristi samo informacija o svjetlini svjetla, slika ispada crno-bijela, a da biste je obojili, morate pribjeći raznim trikovima. Ćelije su prekrivene filtrima boja - u većini matrica svaki piksel je prekriven crvenim, plavim ili zelenim filtrom (samo jedan!) u skladu s dobro poznatom RGB (crveno-zeleno-plavom) shemom boja. Zašto baš ove boje? Jer oni su glavni, a sve ostale dobivamo njihovim miješanjem i smanjenjem ili povećanjem njihove zasićenosti.
Na matrici su filtri raspoređeni u skupine po četiri, tako da na svaka dva zelena dolazi jedan plavi i jedan crveni. To je učinjeno jer je ljudsko oko najosjetljivije na zelenu boju. Svjetlosne zrake različitih spektara imaju različite valne duljine, pa filtar u ćeliju propušta samo zrake svoje boje. Rezultirajuća slika sastoji se samo od crvenih, plavih i zelenih piksela - to je oblik u kojem se snimaju RAW (raw format) datoteke. Za snimanje JPEG datoteke i TIFF, procesor kamere analizira vrijednosti boja susjednih ćelija i izračunava boju piksela. Ovaj proces obrade naziva se interpolacija boja i iznimno je važan za izradu visokokvalitetnih fotografija.
Ovaj raspored filtara na ćelijama matrice naziva se Bayerov uzorak
Postoje dvije glavne vrste matrica, a razlikuju se po načinu na koji čitaju informacije sa senzora. U matricama tipa CCD informacije se čitaju iz ćelija sekvencijalno, tako da obrada datoteke može potrajati prilično dugo. Iako su takvi senzori "promišljeni", relativno su jeftini, a osim toga razina šuma na slikama snimljenim uz njihovu pomoć je manja.
Matrica tipa CCD
U matricama tipa CMOS (CMOS), informacije se čitaju zasebno iz svake ćelije. Svaki piksel je označen koordinatama, što vam omogućuje korištenje matrice za mjerenje ekspozicije i autofokus.
CMOS matrica
Opisane vrste matrica su jednoslojne, ali postoje i troslojne, gdje svaka stanica istovremeno percipira tri boje, razlikujući različito obojene tokove boja prema valnoj duljini.
Troslojna matrica
Procesor kamere je već spomenut gore - on je odgovoran za sve procese koji rezultiraju slikom. Procesor određuje parametre ekspozicije i odlučuje koje od njih treba primijeniti u određenoj situaciji. Od procesora i softver Kvaliteta fotografija i brzina kamere ovise.
Uz klik zatvarača
Zatvarač mjeri količinu vremena tijekom kojeg je svjetlost izložena senzoru (brzina zatvarača). U velikoj većini slučajeva ovo se vrijeme mjeri u djelićima sekunde - kako kažu, i nećete imati vremena trepnuti. Kod digitalnih SLR fotoaparata, kao i kod filmskih fotoaparata, zatvarač se sastoji od dvije neprozirne zavjese koje prekrivaju senzor. Zbog ovih zavjesa u digitalnim SLR-ima, nemoguće je vidjeti zaslon - na kraju krajeva, matrica je zatvorena i ne može prenijeti sliku na zaslon.
U kompaktnim fotoaparatima matrica nije prekrivena zatvaračem, pa stoga možete sastaviti okvir prema zaslonu
Kada se pritisne okidač, zavjese pokreću opruge ili elektromagneti, omogućujući svjetlosti da uđe i formira sliku na senzoru - tako funkcionira mehanički zatvarač. Ali digitalni fotoaparati također imaju elektroničke zatvarače - oni se koriste u kompaktnim fotoaparatima. Elektronski zatvarač, za razliku od mehaničkog, ne može se dodirivati rukama, on je općenito virtualan. Matrica kompaktnih fotoaparata je uvijek otvorena (zato možete složiti snimku gledajući u zaslon, a ne kroz tražilo), ali kada se pritisne okidač, kadar je eksponiran za određeno vrijeme ekspozicije, a zatim zabilježeno u memoriji. Zbog činjenice da elektronički grilje nemaju zastore, njihove brzine zatvarača mogu biti ultra kratke.
Usredotočimo se
Kao što je gore spomenuto, sama matrica se često koristi za autofokusiranje. Općenito, postoje dvije vrste autofokusa - aktivni i pasivni.
Za aktivni autofokus, kamera zahtijeva infracrveni ili ultrazvučni odašiljač i prijemnik. Ultrazvučni sustav mjeri udaljenost do objekta koristeći metodu eholokacije reflektiranog signala. Pasivno fokusiranje provodi se metodom procjene kontrasta. Neki profesionalni fotoaparati kombiniraju obje vrste fokusiranja.
U principu, cijelo područje senzora može se koristiti za fokusiranje, a to proizvođačima omogućuje postavljanje desetaka zona fokusiranja na njega, kao i korištenje "plutajuće" točke fokusa, koju korisnik može postaviti gdje god želi.
Protiv izobličenja
Leća je ta koja oblikuje sliku na matrici. Objektiv se sastoji od nekoliko leća - tri ili više. Jedna leća ne može stvoriti savršenu sliku - bit će izobličena na rubovima (to se naziva aberacija). Grubo govoreći, svjetlosna zraka bi trebala ići izravno na senzor bez raspršivanja na putu. U određenoj mjeri to olakšava dijafragma - okrugla ploča s rupom u sredini, koja se sastoji od nekoliko lopatica. Ali ne možete previše zatvoriti otvor blende - zbog toga se smanjuje količina svjetlosti koja ulazi u senzor (što se koristi pri određivanju željene ekspozicije). Ako sastavite nekoliko leća u nizu s različitim karakteristikama, izobličenja koja proizvode zajedno bit će puno manja od aberacija svake od njih zasebno. Što je više leća, manja je aberacija i manje svjetla pada na senzor. Uostalom, staklo, koliko god nam se činilo prozirnim, ne propušta svu svjetlost – dio se rasprši, dio reflektira. Kako bi leće propuštale što više svjetla, presvučene su posebnim antirefleksnim premazom. Ako pogledate leću fotoaparata, vidjet ćete da površina leće svjetluca u dugi - to je antirefleksni premaz.
Leće su smještene unutar leće otprilike ovako
Jedna od karakteristika objektiva je otvor blende, vrijednost maksimalno otvorenog otvora blende. Označeno je na objektivu, primjerice, ovako: 28/2, gdje je 28 žarišna duljina, a 2 omjer otvora blende. Za zum objektiv, oznake izgledaju ovako: 14-45/3,5-5,8. Za zumiranje su naznačene dvije vrijednosti otvora blende, budući da su različite kod širokokutnog i telefoto minimalne vrijednosti dijafragma. To jest, pri različitim žarišnim duljinama omjer otvora blende bit će različit.
Žarišna duljina, koja je naznačena na svim lećama, je udaljenost od prednje leće do prijemnika svjetla (u u ovom slučaju, matrice). Žarišna duljina određuje vidni kut objektiva i njegov, da tako kažemo, domet, odnosno koliko daleko “vidi”. Širokokutni objektivi udaljavaju sliku od našeg normalnog vida, dok je teleobjektivi približavaju i imaju mali kut gledanja.
Kut gledanja leće ne ovisi samo o žarišnoj duljini, već io dijagonali prijemnika svjetla. Za kamere s filmom od 35 mm, objektiv sa žarišnom duljinom od 50 mm smatra se normalnim (to jest, približno odgovara kutu gledanja ljudskog oka). Objektivi s kraćom žarišnom duljinom su “širokokutni”, a oni s većom žarišnom duljinom su “telefoto”.
Lijevi dio donjeg natpisa na objektivu je žarišna duljina zuma, desni dio je omjer otvora blende
Tu je i problem zbog kojeg se često uz žarišnu duljinu digitalnog objektiva navodi ekvivalent za 35 mm. Dijagonala matrice je manja od dijagonale okvira od 35 mm, pa je potrebno "pretvoriti" brojeve u poznatiji ekvivalent. Zbog tog istog povećanja žarišne duljine, širokokutno snimanje postaje gotovo nemoguće u SLR fotoaparatima s "filmskim" objektivima. Objektiv sa žarišnom duljinom od 18 mm na filmskom fotoaparatu je superširokokutni objektiv, ali na digitalnom fotoaparatu njegova ekvivalentna žarišna duljina bit će oko 30 mm ili čak i dulja. Što se tiče teleobjektiva, povećanje njihovog “dometa” ide samo u korist fotografima, jer je običan objektiv sa žarišnom duljinom od recimo 400 mm dosta skup.
Tražilo
U filmskim kamerama kadar možete složiti samo pomoću tražila. Digitalni vam omogućuju da potpuno zaboravite na to, jer je u većini modela za to prikladnije koristiti zaslon. Neki vrlo kompaktni fotoaparati uopće nemaju tražilo, jednostavno zato što za njega nema mjesta.
Najvažnija stvar kod tražila je ono što možete vidjeti kroz njega. Na primjer, SLR fotoaparati se tako nazivaju upravo zbog dizajnerskih značajki tražila. Slika kroz leću prenosi se kroz sustav zrcala do tražila i tako fotograf vidi realnu površinu kadra. Tijekom snimanja, kada se zatvarač otvori, ogledalo koje ga blokira podiže se i propušta svjetlo u osjetljivi senzor. Takvi dizajni, naravno, savršeno se nose sa svojim zadacima, ali zauzimaju dosta prostora i stoga su potpuno neprimjenjivi u kompaktnim fotoaparatima.
Tako slika kroz sustav ogledala dolazi u tražilo SLR fotoaparata
Kompaktni fotoaparati koriste optička tražila za stvarnu viziju. Ovo je, grubo rečeno, prolazna rupa u kućištu kamere. Takvo tražilo ne zauzima puno prostora, ali njegov pregled ne odgovara onome što objektiv “vidi”.
Postoje i pseudo-zrcalne kamere s elektroničkim tražilima. Takva tražila imaju mali zaslon na koji se slika prenosi izravno s matrice - baš kao na vanjski zaslon.
Bljesak
Poznato je da se bljeskalica, pulsirajući izvor svjetlosti, koristi za osvjetljavanje tamo gdje glavno osvjetljenje nije dovoljno. Ugrađene bljeskalice obično nisu jako jake, ali njihov impuls je dovoljan da osvijetli prvi plan. Na poluprofesionalnim i profesionalnim kamerama postoji i kontakt za spajanje mnogo jače vanjske bljeskalice, zove se “hot shoe”.
To su, općenito, osnovni elementi i principi rada digitalnog fotoaparata. Slažete se, kada znate kako uređaj radi, lakše je postići visokokvalitetne rezultate.
Abilify MyCite dolazi s ljepljivim senzorom (prikazan u donjem lijevom kutu ove slike) i pametnim telefonom.
Nova "digitalna pilula" može reći liječnicima je li pacijent uzeo lijekove. Tablet šalje signal nosivom senzoru kada pacijent uzme lijek, a ta se informacija zatim šalje u liječničku ordinaciju.
Cijeli sustav zove se Abilify MyCite i sastoji se od tableta, nosivog senzora i aplikacije za pametni telefon. Pravi lijek je Abilify (aripiprazol), lijek koji se koristi za liječenje shizofrenije i bipolarnog poremećaja. Lijek prodaje Otsuka Pharmaceutical, a senzor u tabletu izradio je Proteus Digital Health.
Kako sustav funkcionira?
Iako ideja može zvučati kao nešto iz znanstvenofantastičnog filma, tehnologija se temelji na principu koji je prvi put opisan prije više od 200 godina, rekao je dr. George Savage, glavni medicinski službenik i suosnivač Proteus Digital Healtha.
Godine 1800. Alessandro Volta izumio je bateriju koja se sastojala od dva različita metala (cinka i bakra) u otopini sumporne kiseline i slane vode. Baterije se izrađuju na sličan način do danas.
Vjeruje se da je sustav ugrađen u tablet senzor koji se sastoji od silikonskog čipa s logičkim krugom, kao i dva komada metala: bakra i magnezija. Kada senzor padne u otopinu vode ili bilo koje druge tekućine koja ima polarne molekule (kao što je klorovodična kiselina u želucu, koja otapa tabletu, ostavljajući senzor za sobom), uređaj će generirati struju. Struja je vrlo mala, ali je dovoljna za pokretanje čipa.
"Tehnički, to je djelomičan izvor energije", rekao je Savage. "Pacijent postaje baterija."
Nakon što se aktivira, čip - samo 1 milimetar sa strane i 0,3 mm debljine - šalje vrlo jednostavan signal koji kodira samo jedan broj. Ovaj broj identificira pilulu i govori nosivom, ljepljivom senzoru da je ušla u tijelo.
Signal tableta nije radio signal. Logički krug čipa proizvodi malu moduliranu struju - grafikon trenutnih razina izgledat će kao sinusni val. Budući da je ljudsko tijelo vodljivo, nosivi senzor može izazvati promjene. Modulirana struja može kodirati jedinice i nule slično FM signalu.
Radi na isti način kao i elektrokardiogram. Ovi strojevi osjećaju promjene u električnoj struji u tijelu kako bi pratili otkucaje srca. Nosivi senzor radi istu stvar, iako je struja manja.
Tablet je dizajniran za rad samo oko 3 minute. To je dovoljno vremena da se pošalje signal nosivom senzoru da se probudi i počne prikupljati podatke. Ovo štedi bateriju, rekao je Savage, i omogućuje nosivom senzoru da radi tjedan dana.
Od pacijenta do liječnika
Nosivi ljepljivi senzor mogao bi otkriti koliko je pacijent aktivan, rekao je Bob McQuaid, glavni strateški direktor u Otsuka Pharmaceuticalu. Također može provjeriti leži li osoba koja uzima tablete.
Sa senzora za nošenje, informacija da je pacijent uzeo tabletu šalje se u aplikaciju za pametni telefon putem Bluetootha. Aplikacija zatim pita pacijenta kako se osjeća i bilježi odgovor. Ako pacijent pristane, aplikacija može liječniku poslati vrijeme uzimanja tablete, razinu aktivnosti i stres, koji može pogledati podatke tijekom vremena i dobiti predodžbu o tome kako teče liječenje pacijenta. Tako, na primjer, liječnik može znati uzima li pacijent uvijek lijek u isto doba dana ili postoji tendencija da zaboravi i popije tabletu s vremena na vrijeme.
Informacije koje se šalju s nosivog senzora na telefon i s telefonske aplikacije u liječničku ordinaciju su šifrirane i ne postoji realan način za hakiranje signala bez da ste u vrlo bliskom kontaktu s pacijentom.
Čak i ako podaci omogućuju liječnicima da osiguraju da pacijenti uzimaju svoje lijekove, nema dokaza da sustav poboljšava pridržavanje.
"Ovi eksperimenti još nisu provedeni", rekao je McQuaid. Ipak, takvi bi podaci mogli pomoći liječnicima da razgovaraju s pacijentima o upotrebi droga i možda prepoznaju dobre navike, rekao je.
Sukladnost s režimom i pravilna uporaba su stalni problem. Na primjer, mnogi ljudi koji propuste jedan dan uzeti lijek, kakav god on bio, sljedeći će dan uzeti dvije tablete, iako s nekim lijekovima to ne možete učiniti. “Ljudi rade ono što je logično na poslu, kao da propustiš dan, dođeš i napraviš više posla, ali ne u farmakologiji."
Vaše putovanje u svijet elektronike započet ćemo zaranjanjem u digitalnu elektroniku. Prvo, zato što je to vrh piramide elektroničkog svijeta, a drugo, osnovni koncepti digitalne elektronike su jednostavni i razumljivi.
Jeste li ikada razmišljali o tome kakav se fenomenalan napredak u znanosti i tehnologiji dogodio zahvaljujući elektronici, a posebno digitalnoj elektronici? Ako ne, onda uzmite svoj pametni telefon i pažljivo ga pogledajte. Ovako jednostavnog dizajna rezultat je ogromnog rada i fenomenalnih dostignuća moderne elektronike. Stvaranje takve tehnike omogućeno je zahvaljujući jednostavnoj ideji da se svaka informacija može prikazati u obliku brojeva. Dakle, bez obzira na informacije s kojima uređaj radi, duboko u sebi on vrši drobljenje brojeva.
Vjerojatno ste upoznati s rimskim i arapskim brojevima. U rimskom sustavu brojevi su predstavljeni kombinacijom slova I, V, X, L, C, D, M, au arapskom kombinacijom simbola 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Ali postoje i drugi oblici predstavljanja brojeva. Jedan od njih je binarni oblik. Ili, kako se češće naziva, binarni brojevni sustav. U takvom brojevnom sustavu svaki broj je niz samo "0" i "1".
| arapski | rimski | Binarni |
| 0 | - | 00 |
| 1 | ja | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Matematičari i inženjeri puno su radili i danas se svaka informacija može prikazati kao kombinacija nula i jedinica: signal senzora pokreta, glazba, video, fotografija, temperatura, pa čak i ovaj tekst koji sada čitate zapravo je u dubina vašeg uređaja izgleda kao niz nula i jedinica.
Bez obzira kojim informacijama digitalni uređaj rukuje, duboko u sebi on obrađuje brojeve.
Zašto baš "0" i "1", a ne na primjer "0", "1" i "2"? Zapravo, bilo je prilično uspješnih pokušaja stvaranja digitalne tehnologije koja ne koristi binarni, već ternarni brojevni sustav ("0", "1" i "2"), ali je binarni ipak pobijedio.
Možda je pobijedila jer se SSSR raspao, ili možda zato što je “0” i “1” lakše prikazati u obliku električnih signala. To znači da digitalni uređaji temeljeni na binarni sustav izračune je lakše i jeftinije napraviti. Kasnije ću više govoriti o binarnim brojevima.
Struktura digitalnog uređaja
Gotovo svaki digitalni uređaj sadrži tipične elemente od čije kombinacije se sastoji. Neki elementi su vrlo jednostavni, neki složeniji, a neki potpuno složeni. U amaterskoj praksi najčešći su: trigeri, mjerači vremena, brojači, registri, mikrokontroleri, komparatori itd.
Izaberimo nešto s ovog popisa i pogledajmo kako funkcionira. Neka bude mikrokontroler (MK)! U redu, priznat ću. Izabrao sam mikrokontroler s razlogom. Činjenica je da je upravo pojava mikroprocesora napravila pravu revoluciju u elektronici i pogurala njen razvoj na novu razinu.
MK je najbrojniji i najpopularniji tip mikroprocesora u svijetu. Ono što ga čini posebnim je to što je mikrokontroler mikro-PC - cijelo računalo u jednom čipu. Zamislite računalo veličine, recimo, penija. Ovo je MK.
Mikrokontroleri se koriste posvuda: u moderni televizori, hladnjaci, tableti, sigurnosni sustavi. Gdje god treba nešto kontrolirati, mikrokontroler može pronaći svoje mjesto. I sve zahvaljujući činjenici da se, kao i svaki mikroprocesor, MK može programirati. Kao rezultat toga, isti tip čipa može se koristiti u stotinama različitih uređaja.
Danas su najpopularniji npr. AVR, PIC, ARM mikrokontroleri. Svaka od tvrtki koja proizvodi navedene tipove mikrokontrolera proizvodi desetke, ako ne i stotine varijanti mikrokontrolera dizajniranih za sve zamislive i nezamislive zadatke.
Kako radi mikrokontroler?
Unatoč složenosti dizajna pravog mikrokontrolera, možete reći kako funkcionira u samo jednoj rečenici: "Tekst programa zapisuje se u memoriju mikrokontrolera, MK čita naredbe iz ovog programa i izvršava ih", to je svi.
Naravno, MK ne može izvršavati nikakve naredbe. Ima osnovni skup naredbi koje razumije i zna izvršiti. Kombinacijom ovih naredbi možete dobiti gotovo svaki program s kojim će uređaj raditi upravo ono što vi želite.
U moderni svijet mikroprocesor (MK je također mikroprocesor, ali specijaliziran) može imati ili puno osnovnih instrukcija ili vrlo malo. To je tako uvjetna podjela za koju su čak skovana dva pojma: CISC i RISC. CISC je puno različiti tipovi naredbe za sve prilike, RISC - ovo su samo najpotrebnije i najčešće korištene naredbe, tj. smanjen skup naredbi.
Većina mikrokontrolera su RISC. To se objašnjava činjenicom da su kod korištenja smanjenog skupa naredbi mikrokontroleri jednostavniji i jeftiniji za proizvodnju, a programeri hardvera ih lakše i brže svladavaju. Postoje mnoge razlike između CISC-a i RISC-a, ali za sada je jedino važno zapamtiti da CISC ima mnogo naredbi, a RISC ima malo naredbi. Drugi put ćemo dublje proučiti ove dvije ideje.
Što se događa kada se mikrokontroler uključi?
Dakle, zamislimo idealan svijet u kojem imate MK iu njegovoj memoriji je već snimljen program. Ili, kako obično kažu, MK je "bljesnut" (u ovom slučaju program se naziva "firmware") i spreman je za bitku.
Što se događa kada napajate svoj MK krug? Ispada ništa posebno. Nema tu nikakve magije. Dogodit će se sljedeće:
Nakon što se uključi napajanje, mikrokontroler će pogledati što je u memoriji. U isto vrijeme, on "zna" gdje treba tražiti prvu naredbu svog programa.
Mjesto početka programa utvrđuje se tijekom izrade MK i nikada se ne mijenja. MK broji prvu naredbu, izvršava je, zatim broji drugu naredbu, izvršava je, pa treću i tako do zadnje. Kada on broji posljednja naredba, tada će sve krenuti ispočetka, budući da MK izvršava program u krug ako mu se ne kaže da stane. Dakle, tako to funkcionira.
Ali to vas ne sprječava da pišete složene programe koji pomažu u upravljanju hladnjacima, usisavačima, industrijskim strojevima, audio playerima i tisućama drugih uređaja. I vi možete naučiti kako stvoriti uređaje s MK. Trebat će vremena, želje i malo novca. Ali to su tako male stvari, zar ne?
Kako radi tipični MK?
Svaki mikroprocesorski sustav temelji se na tri stupa:
- CPU(ALU + upravljački uređaj),
- Memorija(ROM, RAM, FLASH),
- I/O portovi .
Procesor pomoću ulazno/izlaznih portova prima/šalje podatke u obliku brojeva i na njima obavlja različite funkcije aritmetičke operacije i pohranjuje ih u memoriju. Komunikacija između procesora, priključaka i memorije odvija se putem žica tzv guma(gume se prema namjeni dijele na više vrsta) . Ovo je opća ideja o tome kako MP sustav funkcionira. Kao na slici ispod.
MK je, kao što sam već napisao, također mikroprocesor. Samo specijalizirano. Fizička struktura MK mikro krugova različitih serija može se značajno razlikovati, ali ideološki će biti slični i imat će, na primjer, blokove kao što su: ROM, RAM, ALU, ulazno/izlazni portovi, mjerači vremena, brojači, registri.
| ROM | Trajna memorija. Sve što se na njega zapiše ostaje u ROM-u i nakon što se uređaj isključi iz napajanja. |
| radna memorija | Privremena memorija. RAM je radna memorija MK. U njega se smještaju svi međurezultati izvršenja naredbi ili podaci s vanjskih uređaja. |
| ALU | Matematički mozak mikrokontrolera. On je taj koji zbraja, oduzima, množi, a ponekad i dijeli, uspoređuje nule i jedinice u procesu izvršavanja programskih naredbi. Jedan od najvažnijih organa MK. |
| I/O portovi | Samo uređaji za komunikaciju MK s vanjskim svijetom. Bez njih ne možete pisati u vanjsku memoriju niti primati podatke sa senzora ili tipkovnice. |
| Tajmeri | Jeste li skuhali kolač ili piletinu? Jeste li postavili tajmer da vas obavijesti kada je jelo spremno? U MK mjerač vremena obavlja slične funkcije: broji intervale, daje signal o radu itd. |
| Brojači | Dobro dođu kad treba nešto prebrojati. |
| Registri | Najnerazumljivija riječ za one koji su barem jednom pokušali sami svladati Assembler. I usput, ponašaju se kao brzi RAM za MK. Svaki registar je vrsta memorijske ćelije. A u svakom MK ima ih samo nekoliko desetaka. |
Suvremeni razmjeri razvoja digitalne elektronike toliko su golemi da čak i za svaku stavku iz ove tablice možete napisati cijelu knjigu, ili čak više od jedne. Opisat ću osnovne ideje koje će vam pomoći da dalje samostalno razumijete detaljnije svaki od uređaja.
Mozak mikrokontrolera
Mikroprocesor/mikrokontroler uvijek radi prema programu koji je u njemu ugrađen. Program se sastoji od niza operacija koje MK može izvesti. Operacije se izvode u CPU-u - to je mozak mikrokontrolera. Upravo taj organ može izvoditi aritmetičke i logičke operacije s brojevima. Ali postoje još četiri važne operacije koje on može učiniti:
- čitanje iz memorijske ćelije
- pisati u memorijsku ćeliju
- čitati s I/O porta
- pisati na I/O port
Ove operacije su odgovorne za čitanje/pisanje informacija u memoriju i vanjski uređaji putem I/O portova. A bez njih se svaki procesor pretvara u beskorisno smeće.
Tehnički, procesor se sastoji od ALU-a (procesorski kalkulator) i kontrolne jedinice koja upravlja interakcijom između I/O portova, memorije i aritmetičko-logičke jedinice (ALU).
Memorija mikrokontrolera
Ranije sam u tablici s tipičnim uređajima uključenim u MK naveo dvije vrste memorije: ROM i RAM. Razlika između njih je u tome što se u ROM-u podaci spremaju između uključivanja uređaja. Ali u isto vrijeme, ROM je prilično spora memorija. Zato je tu RAM, koji je prilično brz, ali može pohraniti podatke samo kada se uređaj napaja. Vrijedi isključiti uređaj i svi podaci su odatle... ništa.
Ako imate laptop ili osobno računalo, onda vam je ova situacija poznata: napisali ste brdo teksta, zaboravili ga spremiti na HDD, odjednom je nestalo struje. Upalite računalo, ali nema teksta. Tako je. Dok ste ga pisali, bio je pohranjen u RAM-u. Zato je tekst nestao kada se računalo isključilo.
U inozemstvu se RAM i ROM nazivaju RAM i ROM:
- RAM (Random Access Memory) - memorija sa slučajnim pristupom
- ROM (Read Only Memory) - memorija samo za čitanje
Kod nas se nazivaju još i hlapljiva i trajna memorija. Što, po mom mišljenju, točnije odražava prirodu svake vrste pamćenja.
ROM
U današnje vrijeme sve je raširenija ROM memorija tipa FLASH (ili po našem mišljenju EEPROM). Omogućuje vam spremanje podataka čak i kada je uređaj isključen. Stoga se u modernim MCU, na primjer, u AVR MCU, FLASH memorija koristi kao ROM.
Prije su se ROM memorijski čipovi jednom mogli programirati. Stoga, ako je snimljen program ili podaci s pogreškama, tada je takav mikro krug jednostavno bačen. Malo kasnije pojavili su se ROM-ovi koji su se mogli prepisivati mnogo puta. To su bili UV brisivi čipovi. Živjeli su dosta dugo i čak se sada nalaze u nekim uređajima iz 1990-ih...2000-ih. Na primjer, ovaj ROM dolazi iz SSSR-a.
Imali su jedan značajan nedostatak - ako bi se kristal (onaj vidljiv u prozoru) slučajno osvijetlio, program bi se mogao oštetiti. A također ROM je još uvijek sporiji od RAM-a.
radna memorija
RAM, za razliku od ROM-a, PROM-a i EEPROM-a, jest nepostojan a kada se uređaj isključi, gube se svi podaci u RAM-u. Ali niti jedan mikroprocesorski uređaj ne može bez njega. Budući da je tijekom rada potrebno negdje pohraniti rezultate izračuna i podatke s kojima procesor radi. ROM nije prikladan za ove svrhe zbog svoje sporosti.
MEMORIJA PROGRAMA I PODATAKA
Osim podjele na hlapljivu (RAM) i trajnu memoriju, mikrokontroleri imaju podjelu na podatkovnu memoriju i programsku memoriju. To znači da MK ima posebnu memoriju koja je namijenjena samo za pohranu MK programa. U moderno doba ovo je obično FLASH ROM. Iz te memorije mikrokontroler čita naredbe koje izvršava.
Odvojeno od programske memorije nalazi se podatkovna memorija u koju se smještaju međurezultati rada i svi drugi podaci potrebni programu. Programska memorija je obični RAM.
Ovo odvajanje je dobro jer nikakva greška u programu ne može oštetiti sam program. Na primjer, kada greškom MK pokuša napisati slučajni broj umjesto neke naredbe u programu. Ispada da je program pouzdano zaštićen od oštećenja. Inače, ovaj odjel ima svoje posebno ime - "Harvardska arhitektura".
U 1930-ima, američka vlada je zadužila sveučilišta Harvard i Princeton za razvoj arhitektura Računalo za mornaričko topništvo. Kasnih 1930-ih na Sveučilištu Harvard, Howard Aiken razvio je arhitektura računalo Mark I, od sada nazvano po ovom sveučilištu.
U nastavku sam shematski prikazao arhitekturu Harvarda:
Dakle, program i podaci s kojima radi fizički su pohranjeni na različitim mjestima. Što se tiče velikih procesorskih sustava poput osobno računalo, tada su podaci i program pohranjeni na istom mjestu dok program radi.
HIJERARHIJA PAMĆENJA
KAKO SE POTPISUJE MOZAK MIKROKONTROLERA
Već misliš da je mozak MK CPU - CPU, koji se sastoji od ALU (aritmetičko-logičke jedinice) i upravljačke jedinice (CU). Upravljačka jedinica upravlja cijelim orkestrom iz memorije, vanjskih uređaja i ALU. Zahvaljujući njemu, MK može izvršavati naredbe redoslijedom kojim želimo.
ALU je kalkulator, a upravljačka jedinica govori ALU što, s čim, kada i kojim redoslijedom da izračuna ili usporedi. ALU može zbrajati, oduzimati, ponekad dijeliti i množiti, te izvoditi logičke operacije: I, ILI, NE (više o njima malo kasnije)
Svako računalo, uključujući MK, danas može raditi samo s binarnim brojevima sastavljenim od "0" i "1". Upravo je ta jednostavna ideja dovela do revolucije elektronike i eksplozivnog razvoja digitalne tehnologije.
Pretpostavimo da ALU treba zbrojiti dva broja: 2 i 5. U pojednostavljenom obliku to će izgledati ovako:
U tom slučaju upravljačka jedinica zna na koje memorijsko mjesto treba staviti broj “2”, na koje broj “5” i na koje memorijsko mjesto treba smjestiti rezultat. CU zna za sve ovo jer je o tome pročitao u naredbi iz programa koji ovaj trenutak Pročitao sam to u programu. Reći ću vam detaljnije o arematskim operacijama s binarnim brojevima i kako ALU zbrajalo radi iznutra malo kasnije.
Pa, kažete, što ako ove brojeve trebate dobiti ne iz programa, već izvana, na primjer, iz senzora? Što da napravim? Tu na scenu stupaju I/O portovi uz pomoć kojih MK može primati i slati podatke na vanjske uređaje: zaslone, senzore, motore, ventile, printere itd.
LOGIČKE OPERACIJE
Vjerojatno vam je dobro poznat vic o "ženskoj logici"? Ali nećemo o tome, nego o načelnoj logici. Logika operira uzročno-posljedičnim vezama: ako je sunce izašlo, onda je postalo svjetlo. Uzrok "sunce je izašlo" uzrokovao je učinak "postalo je svjetlo". Štoviše, za svaku izjavu možemo reći "TOČNO" ili "NETOČNO".
Na primjer:
- "Ptice plivaju pod vodom" je laž
- "Voda je mokra" - na sobnoj temperaturi ova izjava je točna
Kao što ste primijetili, druga izjava može biti istinita ili netočna pod određenim uvjetima. Naše računalo ima samo brojeve, a inženjeri i matematičari su došli na ideju da istinu označavaju s "1", a laž kao "0". To je omogućilo pisanje istinitosti izjave u obliku binarnih brojeva:
- "Ptice plivaju pod vodom" = 0
- "Voda je mokra" = 1
I takav je zapis omogućio matematičarima da izvode čitave operacije s tim iskazima - logičke operacije. George Boole bio je prvi koji se toga sjetio. Po čemu je ova algebra nazvana: "Booleova algebra", što se pokazalo vrlo zgodnim za digitalne strojeve.
Druga polovica ALU-a su logičke operacije. Omogućuju vam "usporedbu" izjava. Postoji samo nekoliko osnovnih logičkih operacija: I, ILI, NE - ali to je dovoljno jer se od ove tri mogu kombinirati složenije.
Logička operacija I označava istovremenost iskaza, tj. da su obje tvrdnje istinite u isto vrijeme. Na primjer izjava bit će istinita samo ako su obje jednostavnije tvrdnje istinite. U svim ostalim slučajevima, rezultat logičke operacije AND bit će lažan.
Logička operacija ILI bit će istinita ako je barem jedna od izjava uključenih u operaciju istinita. "Ptice plivaju pod vodom" i "Voda je mokra" istina, budući da je izjava "voda mokra" istinita
Logička operacija NE mijenja istinitost izjave u njeno suprotno značenje. Ovo je logična negacija. Na primjer:
Sunce izlazi svaki dan = ISTINA
NE (Sunce izlazi svaki dan) = NIJE TOČNO = NETOČNO
Zahvaljujući logičkim operacijama možemo uspoređivati binarne brojeve, a budući da naši binarni brojevi uvijek nešto znače, npr. neki signal. Ispada da zahvaljujući Booleovoj algebri možemo usporediti stvarne signale. To je ono što radi logički dio ALU.
ULAZNO/IZLAZNI UREĐAJ
Naš MK mora komunicirati s vanjskim svijetom. Tek tada će to biti koristan uređaj. U tu svrhu MK ima posebne uređaje koji se nazivaju ulazno/izlazni uređaji.
Zahvaljujući ovim uređajima možemo slati signale sa senzora, tipkovnica i drugih vanjskih uređaja do mikrokontrolera. Nakon obrade takvih signala, MK će poslati odgovor kroz izlazne uređaje, s kojima će biti moguće regulirati brzinu vrtnje motora ili svjetlinu svjetiljke.
Dopustite mi da rezimiram:
- Digitalna elektronika - vrh ledenog brijega elektronike
- Digitalni uređaj poznaje i razumije samo brojeve
- Sve informacije: poruka, tekst, video, zvuk, mogu se kodirati pomoću binarnih brojeva
- Mikrokontroler je mikroračunalo na jednom čipu
- Svaki mikroprocesorski sustav sastoji se od tri dijela: procesora, memorije, ulazno/izlaznih uređaja
- Procesor se sastoji od ALU i upravljačke jedinice
- ALU može izvoditi aritmetičke i logičke operacije s binarnim brojevima
Ostani s nama. U sljedećim člancima ću vam detaljnije reći kako su MK memorija, I/O portovi i ALU raspoređeni. A nakon toga ćemo ići još dalje i na kraju doći do analogne elektronike.
p.s.
Pronašli ste grešku? Reci mi!
Sjajan radioamater i dizajner programa
© 2014 stranica
Za potpunu kontrolu nad procesom zaprimanja digitalna slika Potrebno je barem općenito razumjeti strukturu i princip rada digitalnog fotoaparata.
Jedina temeljna razlika između digitalnog fotoaparata i filmskog fotoaparata je priroda fotoosjetljivog materijala koji se u njima koristi. Ako je u filmskoj kameri film, onda je u digitalnoj kameri matrica osjetljiva na svjetlo. I baš kao što je tradicionalni fotografski proces neodvojiv od svojstava filma, digitalni fotografski proces uvelike ovisi o tome kako matrica pretvara svjetlo koje na nju fokusira objektiv u digitalni kod.
Princip rada fotomatrice
Matrica osjetljiva na svjetlo ili fotosenzor je integrirani krug (drugim riječima, silicijska pločica) koji se sastoji od najmanjih elemenata osjetljivih na svjetlo - fotodioda.
Postoje dvije glavne vrste senzora: CCD (Charge-Coupled Device, poznat i kao CCD - Charge-Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, također poznat kao CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Obje vrste matrica pretvaraju energiju fotona u električni signal koji je potom predmet digitalizacije, međutim, ako u slučaju CCD matrice signal generiran fotodiodama ulazi u procesor kamere u analognom obliku i tek tada se centralno digitalizira, tada je u CMOS matrici svaka fotodioda opremljena individualnim analognim signalom.digitalni pretvarač (ADC), a podaci ulaze u procesor u diskretnom obliku. Općenito, razlike između CMOS i CCD matrica, iako temeljne za inženjera, apsolutno su beznačajne za fotografa. Za proizvođače fotografske opreme također je važno da se CMOS matrice, budući da su složenije i skuplje za razvoj od CCD matrica, pokažu isplativijima od potonjih u masovnoj proizvodnji. Dakle, budućnost najvjerojatnije leži u CMOS tehnologiji zbog čisto ekonomskih razloga.
Fotodiode, koje čine bilo koju matricu, imaju sposobnost pretvaranja energije svjetlosnog toka u električni naboj. Što više fotona fotodioda uhvati, više elektrona se proizvodi na izlazu. Očito, što je veća ukupna površina svih fotodioda, to više svjetlosti mogu percipirati i veća je fotoosjetljivost matrice.
Nažalost, fotodiode se ne mogu smjestiti blizu jedna drugoj, jer tada na matrici ne bi bilo mjesta za elektroniku koja prati fotodiode (što je posebno važno za CMOS matrice). Površina senzora osjetljiva na svjetlost u prosjeku iznosi 25-50% njegove ukupne površine. Kako bi se smanjio gubitak svjetla, svaka je fotodioda prekrivena mikrolećom veće površine i zapravo dolazi u kontakt s mikrolećama susjednih fotodioda. Mikroleće skupljaju svjetlost koja pada na njih i usmjeravaju je u fotodiode, čime se povećava svjetlosna osjetljivost senzora.
Po završetku ekspozicije, električni naboj koji stvara svaka fotodioda očitava se, pojačava i pretvara u binarni kod zadane dubine bita pomoću analogno-digitalnog pretvarača, koji se zatim šalje procesoru kamere na daljnju obradu. Svaka fotodioda matrice odgovara (iako ne uvijek) jednom pikselu buduće slike.
Hvala na pozornosti!
Vasilij A.
Postskriptum
Ako smatrate da je članak koristan i informativan, ljubazno možete podržati projekt dajući doprinos njegovom razvoju. Ako vam se članak nije svidio, ali imate razmišljanja kako ga poboljšati, vaša kritika će biti prihvaćena s ništa manjom zahvalnošću.
Imajte na umu da ovaj članak podliježe autorskim pravima. Pretisak i citiranje su dopušteni pod uvjetom da postoji valjana poveznica na izvor, a korišteni tekst ne smije biti iskrivljen ili modificiran na bilo koji način.