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Digitaal

Digital ist ein Adjektiv, abgeleitet von der Latein Wort digitus, Welche Finger bedeutet und bezieht sich auf die Anzahl an den Fingern.

Informationsdaten (Termine), die Verarbeitung dieser Daten und der Transport von Daten sind Digital aufgerufen, wenn die Daten nur wenige sind diskrete Werte kann akzeptieren. Dies steht im Gegensatz zu einer Situation, in der Daten und Datentransport analog Das bedeutet, dass jeder Wert innerhalb eines Kontinuums möglich ist. Die Anzahl der diskreten (konkreten zählbaren) Werte auf der untersten Ebene (bisschen) in digitalen Anwendungen beträgt in der Regel zwei (binär).

Die Zahlen von a Digitalsignal Kann zum Beispiel der AustauschSpannungsverlauf eines analogen elektrischen Signals, z. B. des Audiosignals von einem Mikrofon (Audio-) oder das Bildsignal einer Kamera (Video) Logische Werte können auch mit Zahlen dargestellt werden, zum Beispiel "true" und "false" mit 0 bzw. 1 (siehe binär). Die Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal wird als Analog-Digital- oder AD-Wandlung bezeichnet.

Beide Digital wenn analog Techniken können für die Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Informationen oder die Darstellung eines Wertes verwendet werden, aber die digitale Informationsverarbeitung hat wichtige Vorteile.

  • Grundsätzlich kann die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung digitaler Informationen fehlerfrei erfolgen; bei analogen Operationen summieren sich die Fehler und Ausfälle mit jeder Operation.
  • Es sind hochkomplexe Operationen möglich, wie die aufwändige digitale Signalverarbeitung, auf der das Internet basiert, und die weit verbreitete Codecs die eine effiziente und qualitativ hochwertige Komprimierung audiovisueller Informationen ermöglichen.
  • Zuverlässige, komplexe elektronische Digitalschaltungen lassen sich weitgehend miniaturisieren und kostengünstig herstellen und haben in wenigen Jahrzehnten unzählige Bereiche revolutioniert.
  • Im Vergleich zur digitalen Informationsverarbeitung ist das Ergebnis der analogen Informationsverarbeitung oft von geringerer Qualität. Dies trotz des Nachteils der AD-Wandlung in der digitalen Verarbeitung, bei der auf diskrete Werte gerundet wird (Quantisierung), wodurch ein Unterschied zwischen analogem und digitalem Wert entsteht, der als Quantisierungsrauschen bezeichnet wird. Diese Rundung kann grundsätzlich beliebig klein gemacht werden und hat daher in der Praxis keine oder nur geringe Bedeutung.

Digitale Informationen können auf diese Weise direkt erstellt werden, oder erstellt werden durch Digitalisierung.

Im Folgenden wird der Begriff Digital in den gebräuchlichsten Bedeutungen dargestellt, wobei unwesentliche Details so weit wie möglich vermieden werden.Gemeinsame englische Terminologie wird verwendet, wenn es kein allgemein anerkanntes niederländisches Äquivalent gibt.

Digitales System

Digitales System

Damit ein digitales System einen Informationsstrom verarbeiten kann, ist es notwendig, dass diese Informationen mit diskreten Zahlen beschrieben werden können. Ein gutes Beispiel für ein solches System ist ein digitales Hörgerät, bei dem diese Informationen aus Ton bestehen digital aufbereitet, äußerlich nicht zu erkennen, da die digitale Methode bei der Gestaltung der äußeren Form nicht berücksichtigt werden muss, Beispiele für nicht numerisch beschreibbare Informationen sind nicht leicht vorstellbar; ein beispiel sind derzeit die informationen, die nonverbal zwischen menschen ausgetauscht werden. Künftig könnten solche Informationen aus Videobildern herausgefiltert werden, wie dies bereits bei Informationen zur Gesichtserkennung der Fall ist.

Informationsformulare innerhalb eines Systems

Digitales Hörgerät

Beim Aufbau eines digitalen Systems lassen sich zwei Schichten unterscheiden, die in der nebenstehenden Abbildung farblich gekennzeichnet sind.

Informationen in der Außenwelt über alle möglichen natürlichen Größen können alle möglichen Formen und Werte haben, zum Beispiel beinhaltet Schall (Schwankungen) den Luftdruck als Funktion der Zeit.

Die obere Farbe zeigt den Bereich an, in dem die digitalen Operationen stattfinden und in dem Informationen nur in Zahlen zu finden sind. Im "digitalen Ton" gibt es beispielsweise eine Reihe von diskreten Zahlen, die den Luftdruck als Funktion der Zeit darstellen, d. h. für eine Reihe von gleich beabstandeten Zeiten ist der Luftdruck bekannt, gerundet auf einen Wert aus einer vorbestimmten Luftreihe row Drücke.

Die digitale Verarbeitung erfolgt fast immer elektronisch, kann aber auch wie bei der Fluidik erfolgen pneumatisch oder hydraulisch Dies geschieht elektronisch in einem Hörgerät, daher ist eine Umwandlung von Informationen zwischen der digitalen/elektronischen Domäne und der Außenwelt erforderlich.

Für die eingehenden/ausgehenden Informationen erfolgt dies in zwei Schritten:

  1. von/zur Außenwelt zu/von analogen elektronischen Informationen, d.h. Umwandlung zwischen verschiedenen Arten von analogen Informationen, z.B. Luftdruck und elektrische Spannung)
  2. von/zu analoger elektronischer Information zu/von elektronischer digitaler Information, d.h. Umwandlung zwischen analoger und digitaler Information z.B. Quantisierung)

Das bedeutet, dass zwischen der digitalen Domäne und der Außenwelt auch eine analoge Domäne bestehen wird; dies wird in der Abbildung durch die untere Farbe angezeigt.

Konvertierung zwischen verschiedenen Arten von analogen Informationen

Um die allgemeine Umgebung eines digitalen Systems richtig zu verstehen, ist es wichtig, wie ein digitales System mit der Außenwelt kommuniziert.Für einen Analogwandler lautet der allgemeine Begriff manchmal Wandler vor allem, wenn viel Energie im Spiel ist, wo Effizienz wichtig ist. Normalerweise werden spezifischere Namen verwendet.

Umwandlung von Informationen aus der Außenwelt in analoge elektronische Informationen

Der Begriff wird auch für diese Art von Funktion verwendet Sensor insbesondere wenn Wert auf hohe Sensitivität gelegt wird, d.h. dass kleine Änderungen nicht durch Rauschen oder Ungenauigkeiten verloren gehen ggf. die elektronischen Informationen nach der Konvertierung, zum Beispiel durch a Verstärker auf einen geeigneten Wert für den Wandler in digitale Informationen eingestellt. Wenn Genauigkeit erforderlich ist, Kalibrierung angewendet.

Am Hörgerät gelangt der Ton über ein in das System Mikrofon, der die Luftdruckschwankungen in analoge elektrische Spannungsschwankungen umwandelt Weitere Beispiele für diese Art von Wandlern sind:

Bei einer Tastatur, einem Schalter und dergleichen ist die Umwandlung in ein digitales Signal trivial, und es wird davon ausgegangen, dass diese Gerätetypen direkt ein digitales Signal liefern.

Umwandlung analoger elektronischer Informationen in Informationen an die Außenwelt

Das Hörgerät wandelt elektrische Spannungsschwankungen in analoge Luftdruckschwankungen mit einem met Miniaturlautsprecher.

Andere Beispiele sind:

Bei Bedarf werden die elektronischen Informationen von einem analogen Verstärker auf den gewünschten Wert gebracht. Im Allgemeinen ist bei einer Signallampe, alphanumerischen Anzeige und ähnlichem die Steuerung mit dem digitalen Signal trivial und diese Art von Geräten können normalerweise ein digitales Signal direkt verarbeiten. Manchmal besteht die Umwandlung nur aus einer Anpassung, die ermöglicht die Steuerung eines anderen digitalen Geräts, z. B. eines digitalen Bildschirm.

Mensch-Maschine-Interaktion

In diese Kategorie fallen alle Geräte, denen Menschen auf der einfachsten Ebene Informationen zuführen oder extrahieren können.Wenn das Ergebnis einer Operation der Außenwelt einen digitalen Wert zur Verfügung stellen soll, wird dies normalerweise als Zahl dargestellt. In vielen Fällen ist es wünschenswert, dies auf analoge Weise anzuzeigen, zum Beispiel durch einen rotierenden Zeiger oder Balken mit variabler Länge, mit oder ohne kalibrierter Skaleneinteilung.Eine Analoganzeige kann global auf einen Blick abgelesen werden, auch wenn das Auge nicht direkt anvisiert wird Beispiele für Messgeräte, die oft mit einer analogen Anzeige arbeiten, sind Uhr, Rahmen, Tachometer, Thermometer und Druckanzeige.

Der Vorteil der Digitalanzeige ist, dass sie genau ist, ein möglicher Nachteil ist, dass sie den falschen Eindruck von absoluter Zuverlässigkeit erwecken kann.

Wenn sowohl schnelle als auch genaue Ablesungen erforderlich sind, wird oft ein kombiniertes Display verwendet, z. B. ein Glas Cockpit.

Umwandlung zwischen analogen und digitalen Informationen

Analog-Digital-Wandlung

Die Analog-Digital-Wandlung misst den Wert einer physikalischen Größe, die eine Zahl ergibt.Ein alltägliches Beispiel ist die Messung der Länge einer bestimmten Diele mit einem Zollstock und gibt eine Zahl zurück, die die Länge dieser Diele in Zentimetern angibt.

Allgemeiner gesagt sei A ein Wert einer physikalischen Größe und M ein konstanter Wert dieser Größe, und wenn Sie A durch M teilen, wobei das Ergebnis D auf die nächste ganze Zahl gerundet wird, dann ist die Zahl D der digitale Wert von A für ein Maß M. Dieser Vorgang wird durchgeführt von a Analog-Digital-Wandler, auch als "AD-Wandler" oder "ADC" bezeichnet. Da A ein gerundeter Wert ist, weichen D mal M von A ab. In der Praxis wird M so klein gewählt, dass die Abweichung akzeptabel ist. Wenn das Maß selbst ungenau ist , diese Ungenauigkeit betrifft D und W. Bei einem analogen Datenstrom wird die Wandlung zu aufeinander folgenden Zeitpunkten durchgeführt und dieser Zeitpunkt ist auch Teil des Wandlungsergebnisses, so dass sowohl die analoge Größe als auch die Zeit als digitale Werte zur Verfügung stehen .

Digital-zu-Analog-Konvertierung

Bei der Digital-Analog-Umwandlung wird eine Zahl in den Wert einer physikalischen Größe umgewandelt.Ein Beispiel ist das Markieren einer bestimmten Länge in Zentimetern auf einem Brett mit einem Zollstock. Allgemeines: Sei D ein digitaler Wert und M ein konstanter Analogwert einer physikalischen Größe, und wenn D mit M multipliziert wird, ist das Ergebnis A der Analogwert dieser Größe Digital-Analog-Wandler, auch „DA-Wandler“ oder „DAC“ genannt Für die Wandlung in einen analogen Datenstrom sind auch die Zeiten der Wandlung wichtig.

Digitalisierung

Bei der Auslegung eines Analog-Digital-Umsetzers oder eines Digital-Analog-Umsetzers müssen die Größe des Benchmarks und der Bereich und damit die Schrittweite und Anzahl der erforderlichen Schritte bestimmt werden, dies hängt von der Anwendung ab. Bei der Musikwiedergabe werden eine wahrnehmbare Schrittweite und fehlende Dynamik als störend empfunden; Hier sind viele kleine Schritte nötig.

Beim Datentransport/Datenspeicherung werden diskrete Werte transportiert/gespeichert und diese müssen natürlich möglichst genau wie die gleichen diskreten Werte beim Empfangen/Lesen beobachtbar bleiben, das heißt die einzelnen Bits des Datensignals müssen erhalten bleiben beobachtbar. In der Praxis beträgt die Anzahl der Schritte meist nur 1 (0 und 1); im Extremfall von QAM-256 at Quadratur-Amplituden-Modulation die Anzahl der verwendeten diskreten Werte beträgt 256, wie der Name schon sagt.

Bei einer numerischen Anzeige könnte man eine Zahl von zwei Dezimalstellen als Balken darstellen, dessen Länge in Millimetern gleich dem Wert dieser Zahl ist; Diese Anzeige ist zwar korrekt, reicht jedoch nicht aus, um den korrekten Wert auf einen Blick abzulesen. Wenn dies gewünscht ist, muss eine bessere Unterscheidung möglich sein Siebensegmentanzeige, für eine Dezimalstelle werden 10 diskrete Werte für den Zustand jedes Segments gewählt, die den Werten 0 bis 9 für die 7 Segmente kombiniert entsprechen und die sofort als Ziffer erkennbar sind. Der Digital-Analog-Wandler (Digitalwert zu Lichtintensität) ist hier trivial: Das Segment ist 'an' oder 'aus'. Es wird nur 1 Bit pro Segment benötigt und oft können Segmente direkt von einem digitalen Signal angesteuert werden.

Im Extremfall, beispielsweise bei den genauesten Messgeräten, ist die Auswahl durch technische Grenzen eingeschränkt.

Digitale Bearbeitung

Digitale Bausteine ​​und Logikfunktionen

Logik- und Speicherfunktionen

Die digitale Verarbeitung verwendet digitale Bausteine, die logische oder Boolesche Funktionen ausführen können, d. h. mathematisch Funktionen mit Binärwerten als Ein- und Ausgang, hier als "0" und "1" definiert. Eine Instanz eines Binärwerts wird bisschen genannt, eine Kontraktion von "Binärziffer". So wie im mehrstelligen Dezimalsystem beliebig große Zahlen gebildet werden können, so lassen sich auch mit mehreren Bits beliebig große Zahlen bilden, zum Beispiel mit 64 Bits lassen sich ganze Zahlen bis etwa 1,84 × 10 . bilden19 (mehr als 1 mit 19 Nullen dahinter) Zwei grundlegende logische Funktionen sind y=NOT(a) und y=AND(a, b) und aus diesen beiden können alle möglichen anderen logischen Funktionen abgeleitet werden. Beispielsweise ist y=OR(a, b) identisch mit der Funktion y=NOT(AND(NOT(a), NOT(b))), wie in der nebenstehenden Abbildung angedeutet. Bei Kombinationen von digitalen Bausteinen auch bekannt wie kombinatorische Logik erwähnt, können alle erdenklichen digitalen Funktionen entworfen und gebaut werden, wie z Taschenrechner oder Mikroprozessor.

Speicherfunktionen sind besonders, weil sie sich Binärwerte in dem Sinne merken können, dass diese Werte jederzeit von anderen Logikfunktionen verwendet werden können und diese Werte von einer oder mehreren Zusatzfunktionen erfasst werden können. Ein Beispiel ist die Menge the -zurücksetzen-Flip Flops, gebildet durch y=AND(NOT(a), NOT(z)) und z=AND(NOT(b), NOT(y)); normalerweise sind a und b beide 0 und y und z ändern sich nicht. Wenn a momentan 1 wird, wird y=0 und damit z = 1. Umgekehrt, wenn b momentan 1 ist, z=0 und als Ergebnis wird y =1.

Das Set-Reset-Flip-Flop wird im sogenannten D-Flip-Flop (Delay-Flip-Flop) mit der Funktion y=DFLIPFLOP(d,c) angewendet, wobei y den Wert von d an einem der Übergänge von übernimmt das 'Taktsignal' c, das periodisch zwischen 0 und 1 umschaltet. Dies ist ein Beispiel für ein getaktetes System, bei dem alle Zustandsänderungen am "Tick" der Uhr eingeleitet und vor dem nächsten Tick abgeschlossen werden.

Logische Bausteine ​​werden fast ausschließlich als sogenannte Integrierter Schaltkreis realisiert, wobei die Anzahl der verwendeten Transistoren von einigen zehn bis zu Milliarden für einen leistungsstarken Mikroprozessor oder ein großes Erinnerung.

Digitale Signale und Störungen

Eingangscharakteristik Digitaler Baustein
Augenmuster digitales Signal

Im Allgemeinen wird ein digitales Signal von einem digitalen Gerät so gebildet, dass seine Ausgangsspannung zu aufeinanderfolgenden Zeiten den Wert eines Bits darstellt; Dazwischen kann eine Wertänderung stattfinden, die einige Zeit in Anspruch nimmt, da digitale Bausteine ​​letztlich aus analogen elektronischen Bauteilen aufgebaut sind; während dieser Zeit ist der Wert des Bits nicht eindeutig bestimmt und daher unzuverlässig.In einem getakteten System sind alle Ausgangsspannungen zum Zeitpunkt eines Taktticks stabil, danach können Spannungsschwankungen auftreten und diese werden zum Zeitpunkt des die nächste Uhr tickt. Auf diese Weise werden nur zuverlässige Bitwerte verwendet, im Folgenden stehen 0V und V für die elektrischen Spannungen, die die Bitwerte 0 und 1 darstellen ein Eingang von 0V, der niedrigen Versorgungsspannung, allmählich abnimmt, bis V, der hohen Versorgungsspannung, diese Spannung wird zuerst als "Low" und erst zur Hälfte als "High" bewertet. Der genaue Abschaltpunkt von "Low" nach "High ." " kann aufgrund von Fertigungstoleranzen variieren. Beträgt die Eingangsspannung also 0V oder V, haben Störungen keine Wirkung, solange der Wendepunkt nicht überschritten wird.

Diese Eigenschaft macht digitale Bausteine ​​und eine fehlerfreie Übertragung digitaler Signale möglich, denn in der Praxis ist ein gewisses Maß an Störungen unvermeidlich.

Ein digitales Signal kann mit einem elektrischen Leiter zu einem nahegelegenen digitalen Baustein übertragen werden, beispielsweise innerhalb desselben Integrierter Schaltkreis oder das gleiche elektronische Panel. In der Regel sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, da die Fehlerwahrscheinlichkeit aufgrund der intrinsischen Störunempfindlichkeit praktisch vernachlässigbar ist Ein Augenmuster ist eine schöne Möglichkeit, ein digitales Signal darzustellen. Dies zeigt alle möglichen Übergänge zwischen zwei Takt-Ticks übereinander. Für ein binär Signal sind die 4 Übergänge 0-0, 0-1, 1-0 und 1-1.Wenn ein Baustein nahe der maximalen Geschwindigkeit arbeitet, dauern diese Übergänge einen erheblichen Teil der Taktperiode und folgen idealerweise einer glatten Kurve , wie in der oberen Abbildung In der Praxis sind diese Übergänge weniger glatt und es gibt auch Interferenzen. Dadurch entsteht die realistischere untere Figur, bei der die Grenze zwischen 0 und 1 nicht mehr genau in der Mitte liegt; dennoch ist der Unterschied zwischen den beiden Werten zu den Zeiten der Uhr-Ticks noch vollkommen klar.

Wenn die physischen Entfernungen proportional zu der Zeit zunehmen, die für diese Entfernung benötigt wird, können alle möglichen störenden Auswirkungen auftreten; diese effekte und ihre lösungen werden im kapitel „digitale datenübertragung“ besprochen.

Schichtstruktur in der Informationsverarbeitung

Schichtstruktur in der Informationsverarbeitung

Die digitale Verarbeitung komplexer Daten ist fast immer geschichtet. Eine Schicht wird hier als eine Domäne definiert, in der bestimmte Arten von Informationen einer Operation oder Transformation unterzogen werden. Zur Veranschaulichung folgen zwei schematische Beispiele, die zur nebenstehenden Abbildung passen. Diese Beispiele sind nur zum richtigen Verständnis. Aus praktischen Gründen kann von einem streng geschichteten Aufbau abgewichen werden; im Extremfall kann dies zu sogenannten Spaghetti-Code.

Beispiel 1, digital Höhrgerät

  • Schicht 1: Informationsarten: realer Klang und seine elektrische Darstellung, Operation 1 wandelt den realen Klang in seine elektrische Darstellung um; Vorgang 7 bewirkt das Gegenteil.
  • Schicht 2: Informationsarten: die elektrische und digitale Repräsentation des Klangs, Operation 2 wandelt die elektrische Repräsentation in die digitale um; Operation 6 bewirkt das Gegenteil.
  • Schicht 3: Informationsarten: die digitalen Darstellungen von Schall als Amplituden und Frequenzspektren, Operation 3 wandelt Amplituden in Frequenzspektren um; Operation 5 bewirkt das Gegenteil.
  • Schicht 4: Art der Information: die digitale Darstellung von Schall als Frequenzspektren; die verschiedenen Frequenzen dieser Spektren werden durch Operation 4 manipuliert.

Zum Beispiel ist Operation 3 die Schnelle Fourier-Transformation oder FFT, die Bereiche von Schalldruckamplituden in Bereiche von Frequenzspektren umwandelt; jedes Spektrum enthält die einzelnen Amplituden einer Vielzahl von Frequenzbändern. Der Vorteil besteht darin, dass jedes Frequenzband separat durch einfaches Erhöhen oder Verringern der zugehörigen Amplitude im Betrieb 4 gesteuert werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise die hohen Frequenzen gezielt verstärkt werden, um eine verminderte Empfindlichkeit des Gehörs für diese Frequenzen auszugleichen.

Beispiel 2: Bearbeiten von a verschlüsselt Text dokument

  • Schicht 1: Informationsarten: die digitalen Darstellungen einer verschlüsselten und einer unverschlüsselten Bytereihe; Operation 1 wandelt die verschlüsselte Zeile in eine unverschlüsselte um (Entschlüsselung), Operation 7 macht das Gegenteil (Verschlüsselung).
  • Schicht 2: Informationsarten: die digitalen Darstellungen einer Reihe von Bytes und einer Reihe Unicode-Zeichen; Operation 2 wandelt die Reihe von Bytes in eine Reihe von Unicode-Zeichen um; Operation 6 bewirkt das Gegenteil.
  • Schicht 3: Informationsarten: eine Zeile Unicode-Zeichen und eine Reihe von Wörtern; Vorgang 3 setzt die Reihe Unicode-Zeichen Um in eine Reihe von Wörtern zu gelangen, macht Operation 5 das Gegenteil.
  • Schicht 4: Informationsart: Die Wortreihe wird durch Operation 4 manipuliert, wie beispielsweise in einem Textverarbeitungsprogramm.

Multiplexing, Multitasking und Multiprocessing

Multiplexing bezieht sich auf die gemeinsame Nutzung einer Ressource. Inverses Multiplexing (siehe externer Link) hingegen verwendet mehrere Instanzen einer Ressource gleichzeitig. Beide werden beim Verarbeiten, Transportieren und Speichern digitaler Informationen verwendet, die oft mit spezifischen Begriffen bezeichnet werden. In diesem Artikel wird der Begriff "Multiplexing" verwendet, um sich auf die allgemeine Situation zu beziehen, in der N Instanzen einer Ressource verwendet werden, um M Ziele zu erreichen.

In Operationen ist das oben erwähnte Werkzeug: eine Aufgabe oder Unteroperation, die unabhängig ausgeführt wird. Die Aufgabe besteht normalerweise aus einer oder mehreren aufeinanderfolgenden digitalen Operationen, die von einem einzigen Prozessor ausgeführt werden.

Beispiel 1 lieferte ein Beispiel für ein digitales Hörgerät, das mit einem Audiokanal arbeitet.

Multiplexing von Operationen

Wenn eine ähnliche Funktion mit beispielsweise 3 Kanälen implementiert wird, könnte man die Funktion insgesamt 3 mal aufbauen, wie im linken Teil der obigen Abbildung gezeigt. Dies ist natürlich sehr ineffizient und unnötig, da bei einer geschichteten Verarbeitungsstruktur zwischen zwei beliebigen Schichten gemultiplext werden kann.Bei der 3-Kanal-Audioanwendung werden nur die Eingangs- und Ausgangswandler für jeden Kanal separat benötigt. Dies kann durch Platzieren eines Multiplexers zwischen Layer 1 und 2 erfolgen, sodass Layer 2 und höher gemeinsam genutzt werden können. Dies ist ein analoger Multiplexer oder ein elektronischer Kommutator.

Der Multiplexer könnte auch zwischen Layer 2 und 3 platziert werden, allerdings ist nun für jeden Kanal eine separate AD-Wandlung erforderlich, so dass dies in der Praxis nicht vorkommen wird Im rechten Teil der Abbildung sind einige mögliche Multiplexing-Beispiele gezeigt.

In der Figur ist jeder Editierblock als Aufgabe zu verstehen, ebenso der Wandler und die AD-Wandlung; die "Prozessoren", die sich mit diesen Aufgaben befassen, werden fast nie als Prozessoren bezeichnet, da es sich um Funktionen handelt, die mit relativ einfachen Mitteln realisiert werden können.Man kann folgende Fälle unterscheiden.

  • N=1, M=1: 1 Prozessor für 1 Task; dies geschieht eigentlich nur bei einfachen digitalen Schaltungen, die eine einfache Bedienung durchführen, beispielsweise einer digitalen Fernbedienung.
  • N = 1, M > 1: 1 Multitask-Prozessor; dies wird angezeigt durch Multitasking und gilt für fast alle Computer, die mit einem einzigen Prozessor ausgestattet sind.
  • N>1, M=1: mehrere Prozessoren für 1 Task; dies kann bei einer komplexen Aufgabe der Fall sein, die sich jedoch in gleichzeitig ausführbare Teilaufgaben aufteilen lässt (was genau genommen N>1, M>1 betrifft); sehen verteiltes Rechnen.
  • N>1, M>1: Mehrere Prozessoren für mehrere Aufgaben, gekennzeichnet mit Mehrfachverarbeitung. Multiprocessing beinhaltet normalerweise Multitasking und gilt für Mehrkernprozessoren; siehe auch 'Parallel Computing' (Link ist extern).

Unterschiedliche Aufgaben können unterschiedliche Prioritäten haben. Im Allgemeinen werden Aufgaben angehalten, um Aufgaben mit einer höheren Priorität beim Warten Priorität einzuräumen. Das wird sein präventives Multitasking und dies wird durch eine spezielle Teileraufgabe gesteuert (Planer) mit der höchsten Priorität.

Interprozesskommunikation und Synchronisation

Tasks sind Operationen an digitalen Informationen, deren Ein- und Ausgabewerte üblicherweise über Speicherfunktionen ausgetauscht werden (siehe externer Link: Shared Memory). Dieser Austausch wird Interprozesskommunikation erwähnt. Um Inkonsistenzen zu vermeiden, darf nur eine Task gleichzeitig Schreiboperationen ausführen und keine Task darf während Schreiboperationen Leseoperationen ausführen. Die Funktion, dies zu erzwingen, wird zu Synchronisation erwähnt.

Für die Interprozesskommunikation ist es auch möglich, possible Datenübertragung verwendet werden: dann werden Aufgaben an verschiedenen physischen Orten ausgeführt und das kann sogar global sein. Man spricht dann von verteiltes Rechnen und der Internet kann als extremes Beispiel dafür genommen werden.

Multiplexing der Transportkapazität

Beim Multiplexen von Transportkapazität werden N Transportmedien verwendet, um M Informationsflüsse zu transportieren, bei N=1 und M>1 handelt es sich dann um normales Multiplexing, siehe auch TDM und FDM (link is external: Frequency Division Multiplexing).

Bei N > 1 werden die Informationsflüsse über mehrere Medien verteilt; dies ist möglich, wenn die erforderliche Transportkapazität von 1 Medium nicht ausreicht Siehe auch Kapitel "Digitale Datenübertragung".

Speicherkapazitäts-Multiplexing

Es gibt verschiedene Kontexte, in denen Speicherkapazitäts-Multiplexing auftritt.

Zum Speichern von Informationsströmen, die aus unterschiedlichen Komponenten bestehen, werden im Allgemeinen N Datenstrukturen verwendet, um M Komponenten zu speichern. Hier besteht 1 Komponente aus mehreren zusammenhängenden Informationsbits.A Datenstruktur ist im Allgemeinen eine zusammenhängende Reihe von Speicheradressen mit einem Layout, das für jede Komponente eine separate Position bereitstellt.Zum Beispiel könnten für einen Videostream zwei Komponenten verwendet werden (M = 2), eine für Bild und eine für Ton, und die Daten Struktur besteht dann aus diesen beiden Gruppen; N dieser Datenstrukturen enthalten dann den vollständigen Videostrom. Informationsströme werden zunächst in zusammenhängenden Datenstrukturen gespeichert, das Ergebnis ist eine Informationsdatei, die den kompletten Informationsstrom, beispielsweise einen kompletten Videostrom, enthält. Oft werden Strukturen durch den Standard festgelegtCodecs für Audio-, Video- und Bildinformationen mit jeweils MP3, H.264 und JPEG als Beispiele.

In einem anderen Kontext werden N Speicher verwendet, um M Informationsdateien zu speichern.Bei N = 1 ist die Situation wie im Hauptspeicher eines Computers, der mehrere Informationsdateienenthalten kann.

An einer Festplatte kann das physikalische Speichermedium in N . unterteilt werden Partitionen, die beliebige M-Informationsdateien enthalten kann.

Biene Redundantes Array unabhängiger Festplatten (RAID) werden N physikalische Speichermedien verwendet, um M Informationsdateien zu speichern.

An einer virtueller Speicher 1 physikalischer Computerspeicher wird verwendet, um M Computerprogrammen jeweils einen privaten Computerspeicher zu geben, der noch mehr Platz bieten kann als der physikalische Speicher selbst. Dies macht sich den Umstand zunutze, dass wartende Multiprocessing-Aufgaben keinen physischen Speicher benötigen, so dass die Daten im physischen Speicher temporär an anderer Stelle, in der Regel an einem anderen Ort, abgelegt werden. Festplatte. Das nennt man auch tauschen erwähnt. Da Aufgaben meist nur mit einem kleinen Teil der gespeicherten Informationen arbeiten, benötigen sie dafür nur physischen Speicher, der Rest kann auch an anderer Stelle abgelegt werden.

Siehe weiter unten Digitale Datenspeicherung.

Hardware, Firmware und Software

Hardware, Firmware und Software

Der Begriff "Hardware" wird verwendet, um sich auf physikalische elektronische Komponenten zu beziehen, die eine bestimmte digitale Funktion ausführen.

Auf der elementarsten Ebene sind dies Zusammenstellungen von Logikbausteinen, deren Funktion durch die elektronischen Verbindungen zwischen diesen Bausteinen bestimmt wird. Für Baugruppen wie PLA (Programmable Logic Array), FPLA (Field Programmable Logic Array) oder FPGA (Feldprogrammierbares Gate-Array), werden diese Verbindungen durch elektronische Signale bestimmt und können manchmal nachträglich geändert werden. Durch Kombinationen digitaler Bausteine ​​können Funktionen mit größtmöglicher Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit ausgeführt werden.

Ein Computer-Prozessor eine digitale Schaltung ist, die einen Satz fester digitaler Funktionen enthält; ein Computer Programm legt die Gesamtfunktionalität fest, indem ausgewählt wird, welche dieser Funktionen nacheinander ausgeführt werden.Im Allgemeinen wird dieses Programm vor dem Start zuerst von einem sog nichtflüchtiger Speicher im Handumdrehen flüchtige Erinnerung geladen, von dem der Prozessor die Anweisungen abruft, die bestimmen, welche Funktionen auszuführen sind.Ein Programm auf einem nichtflüchtigen Speicher, wie beispielsweise einer Festplatte oder einem ähnlichen Medium, wird allgemein als Software bezeichnet.

Komplexere Hardware kann auch einen Computerprozessor und ein eingebautes Programm umfassen, das ihre Funktion bestimmt; ein solches Programm wird normalerweise Firmware genannt, um darauf hinzuweisen, dass es sich um "fest" eingebaute Software handelt, die weniger leicht zu ändern ist. Firmware findet sich beispielsweise auf der Festplatte, dem DVD-Rewriter und dem Tintenstrahldrucker in vielen Hardware-Controller wie "SATA Controller", "Network Interface Controller" und "Audio Controller" und in vielen digitalen Video- und Audiogeräten, einschließlich der digitalen Hörgeräte.

Software bezeichnet im Allgemeinen Programme, die routinemäßig geladen, gestartet, gestoppt, deinstalliert und geändert werden.Software ist fragil, weil sie in der Regel so komplex ist, dass eine einwandfreie Funktion nicht immer gewährleistet werden kann. Infolgedessen kann das Programm selbst mit unvorhersehbaren Ergebnissen unterbrochen werden. Im besten Fall stoppt das Programm (man spricht von a Absturz), aber auch ohne Vorwarnung können Fehlbedienungen auftreten.

Firmware ist im Allgemeinen weniger komplex und daher stabiler als Software.

Es ist eine separate Klasse von Software Betriebssystem, dat een set vaste complexere functies bevat die algemeen door programma's gebruikt kunnen worden, zoals het beheer van hardware, geheugen, taken, deeltaken en interprocesscommunicatie- en synchronisatie, zodat die programma's zich uitsluitend op hun specifieke taak kunnen richten.Stuurprogramma's (device drivers) zijn speciale delen van het besturingssysteem die het mogelijk maken op generieke wijze met specifieke hardware te werken.Een besturingssysteem treft men niet alleen aan in een pc of een grotere computer, maar ook in een tablet-pc en smartphone.Wordt geen OS gebruikt, dan spreekt men van een "stand-alone" systeem, waarbij het gehele programma als firmware is uitgevoerd.Complexe firmware kan ook een besturingssysteem omvatten. Men spreekt dan van een "Embedded OS".

Functionele abstractie bij digitale systemen

Samenvattend is er bij digitale systemen steeds sprake van een eenvoudige abstractie van een complexe functie waarbij die complexe functie zelf een samenstelling is van een aantal eenvoudige abstracties op een lager niveau.Het laagste digitale niveau wordt gevormd door functies van digitale bouwstenen, die op hun beurt weer samenstellingen zijn van abstracties van analoge componenten, zoals transistors.Transistors zijn op hun beurt weer abstracties van eigenschappen van specifieke halfgeleiderstructuren en zo voortgaand, komt men uiteindelijk op de intrinsieke eigenschappen van quarks en elektronen, welke de basis vormen waarop dit alles berust.

Digitale datatransmissie

Transmissie van bits

2- en 4-niveau-oogpatroon

Zoals opgemerkt bij "digitale signalen en storing", zijn de signalen afkomstig van digitale bouwstenen niet geschikt om zomaar over langere afstand getransporteerd te worden.Wanneer de afstanden groter worden, in verhouding tot de tijd die een bit erover doet om die afstand af te leggen, ontstaan er problemen die te maken hebben met de complexe vorm van het digitale signaal.In het algemeen geldt dat snelle signaalveranderingen de grootste problemen opleveren; ze bevatten frequentiecomponenten die met verschillende snelheden door het medium kunnen reizen, zodat bits in de tijd uitgesmeerd worden.Bovendien veroorzaken snelle signaalveranderingen in transmissiekabels met meerdere geleiders verstoring door overspraak tussen die geleiders.

Daarom wordt het digitale signaal door een modulator gevoerd die de veranderingen zo vloeiend mogelijk maakt, veelal door verandering tussen twee opeenvolgende waarden volgens een halve periode van een cosinusfunctie te laten verlopen (zie externe link: raised cosine filter).

Het digitale signaal kan als een binair signaal worden verzonden, maar door een hoger talstelsel te gebruiken, wordt de tijd tussen twee veranderingen groter; het nadeel is een kleinere storingsmarge, doordat bij gelijk vermogen de verschillen tussen de signaalniveaus kleiner zijn.

Een theoretische grens voor de hoeveelheid informatie die bij een bepaalde bandbreedte van het transmissiemedium en een hoeveelheid storende ruis verstuurbaar is, wordt gegeven door de wet van Shannon-Hartley.

Bij een quaternair signaal worden steeds twee opeenvolgende bits samengenomen, waarmee 4 corresponderende signaalniveaus gemaakt kunnen worden die tweemaal zo langzaam veranderen vergeleken met een binair signaal met dezelfde bitsnelheid.

Aan de ontvangstzijde wordt een speciale vorm van AD-conversie toegepast, welke synchroon met de momenten, dat het ontvangen signaal het minst snel verandert, de waarde van dit signaal bepaalt. Ook hier wordt voldoende marge toegepast om fouten door niet te grote verstoringen te vermijden.In nevenstaande figuur worden twee oogpatronen weergegeven met de mogelijke overgangen tussen opeenvolgende signaalniveaus.Voor een binair signaal zijn dat de 4 overgangen 0-0, 0-1, 1-0 en 1-1, voor een quaternair signaal zijn dat er 16: 0-0, 0-1, 0-2, 0-3, 1-0, 1-1, 1-2, 1-3, 2-0, 2-1, 2-2, 2-3, 3-0, 3-1, 3-2 en 3-3.

Andere problemen kunnen ontstaan door de aanwezigheid van een gelijkstroomcomponent in het signaal en door de afwezigheid van voldoende timinginformatie. Hiervoor zijn oplossingen bedacht die gebruikmaken van lijncodering.

Het bovenstaande is maar een kleine greep uit het aantal transmissietechnieken op het niveau van bits.

Het signaal in het transmissiemedium wordt meestal ook een digitaal signaal genoemd, hoewel het volledig kan afwijken van het oorspronkelijke digitale signaal van een digitale bouwsteen.

Transmissie van data

Datatransmissiesysteem

In de praktijk worden 8 bits meestal gebundeld tot een octet of byte, meerdere octetten worden weer samengevoegd tot frames. Maatregelen worden getroffen om het begin van ieder frame te kunnen vaststellen;bij ontvangst worden de bits achtereenvolgens in een tijdelijk geheugen samengevoegd tot vastgesteld is dat er een frame is ontvangen, waarna dit beschikbaar is voor verdere bewerking (zie ook: Frame Synchronization; externe link).

Frames kunnen worden voorzien van redundante informatie die in principe detectie en reparatie van bitfouten mogelijk maakt (zie kanaalcodering). Wanneer er frames met niet gerepareerde fouten worden ontvangen, kan om herhaling van de transmissie worden gevraagd.Wanneer bijvoorbeeld de inhoud van een boek moet worden overgezonden, dan kan met 1 byte iedere benodigde letter, cijfer of leesteken worden weergegeven. Een frame zou voor een woord gebruikt kunnen worden; als er ook nog zaken als pagina's, hoofdstukken, inhoudsopgave, register, grafisch materiaal enz. moeten worden ondersteund, dan zal het duidelijk zijn dat het niet bij eenvoudige frames kan blijven.

Deze zaken vormen het onderwerp van datatransmissieprotocollen die in functionele lagen zijn geïmplementeerd.Die protocollen lossen problemen op die ontstaan als gevolg van storingen en onderbrekingen van de signaaloverdracht, het combineren van digitale signalen, het routeren van deze signalen over een netwerk, het opzetten en afbreken van een datatransmissie en de representatie van datastromen.

De lagere transmissieprotocollen worden veelal geïmplementeerd in hardware, zoals netwerkcontrollers, routers en modems, vaak met behulp van een DSP met firmware.Zie ook OSI-model, TCP/IP en User Datagram Protocol.

In de voorbeelden is er sprake van transmissie in één richting (simplex), meer gebruikelijk is een duplexverbinding waarmee transmissie in beide richtingen plaatsvindt.

In de figuur zijn als voorbeeld twee digitale bewerkingslagen onder elkaar aangegeven.Informatie die het blok aan de zendzijde binnenkomt, gaat fysiek naar het blok eronder, maar het lijkt net alsof deze informatie rechtstreeks naar het corresponderende bovenste blok aan de ontvangstzijde gaat.Dit noemt men peer-to-peercommunicatie tussen gelijkwaardige protocol-lagen.Zo worden via het bovenste blok complete bestanden overgezonden, terwijl in werkelijkheid dit blok ieder bestand in frames opdeelt en die frames fysiek doorstuurt naar het eronder gelegen blok, waarbij het weer lijkt alsof die frames rechtstreeks naar het corresponderende blok aan de ontvangstzijde gaan. In het bovenste blok aan de ontvangstzijde worden de frames weer samengevoegd tot complete bestanden.

Fysieke transmissiemedia

Transmissie van een digitaal signaal vindt plaats via een (fysiek) transmissiemedium. Gangbare fysieke media zijn:

  • Telefoonkabel: transmissie door elektrische geleiding; biedt internetverbinding aan particulieren over een kabel die oorspronkelijk bedoeld was voor telefonie.
  • Coaxkabel: geleiding via een 'kern' en een 'mantel'; transmissie door elektrische geleiding met hoge snelheid; biedt internetverbinding aan particulieren over een kabel die oorspronkelijk bedoeld was voor analoge centrale antennesystemen; wordt ook voor globale netwerken toegepast.
  • UTP-kabel: elektrische geleiding van het datasignaal; wordt gebruikt voor bekabelde lokale netwerken.
  • Glasvezel: optische transmissie waarmee de hoogste snelheden bereikt kunnen worden; biedt internetverbinding aan particulieren en wordt ook voor globale netwerken toegepast.
  • Wifi: draadloze transmissie voor lokale netwerken.
  • Bluetooth: draadloze transmissie voor randapparatuur, wordt ook voor lokale netwerken gebruikt.
  • Infrarood: draadloze optische transmissie voor zeer korte afstanden.
  • GSM, 3G of 4G: draadloze transmissie voor mobiele apparatuur.

Voor deze en andere media bestaan specifieke transmissieprotocollen, waarvan er veel gestandaardiseerd zijn om deze algemeen te kunnen gebruiken.

Digitale dataopslag

Dataopslagsysteem

Wordt bij digitale datatransmissie informatie als een tijdfunctie via een transportmedium overgedragen, bij digitale dataopslag wordt de informatie als een adresfunctie op een medium geschreven en later afgelezen, waarbij ieder adres correspondeert met een unieke fysieke plaats op het medium.De schrijffunctie brengt een permanente verandering op het medium aan, de leesfunctie kan later vaststellen wat die verandering inhield.

Voor opslag op een analoog medium wordt in het eenvoudigste geval op ieder adres 1 bit informatie aangebracht, dat wil zeggen na de schrijfbewerking kan de leesfunctie een van twee mogelijke toestanden op dat adres vaststellen.

Er kan echter ook worden gewerkt met symbolen die meer dan twee waarden kunnen hebben, bijvoorbeeld ternaire of quaternaire waarden, waarbij via een DA-convertor een signaal geproduceerd wordt, waarmee door de schrijffunctie op ieder adres een van respectievelijk 3 of 4 mogelijke toestanden wordt aangebracht.Op deze wijze kan, in principe, de informatiedichtheid groter gemaakt worden.

Net als bij digitale bouwstenen is er hier ook voor gezorgd dat een niet te grote verstoring van het medium geen effect heeft op de waarneembaarheid van de gebruikte waarden, zodat fouten worden vermeden.Fouten zijn echter niet altijd te voorkomen, maar door redundantie kunnen deze veelal hersteld worden.Een en ander vereist, behalve het eigenlijke medium, meestal een aanzienlijke hoeveelheid elektronica en vaak ook nogal wat mechanische componenten, in de figuur aangegeven met de digitale en analoge bewerkingsblokken.

Ook dataopslag kent veel protocollen, waarvan de laagste te maken hebben met aansluitingen en fysieke adressering en hogere met bestandssystemen zoals FAT en NTFS; de hoogste met bijvoorbeeld het bestandsformaatEPUB voor e-boeken.

Databases beheren complexe informatie die op een hoog abstractieniveau opgeslagen en weer teruggevonden kan worden. Het meest geavanceerd is de relationele database, die op een gestandaardiseerde wijze benaderd wordt (SQL).

Fysieke opslagmedia

Gangbare voorbeelden van opslagmedia voor de fysieke opslag van data zijn:

  • Processorgeheugen: Dit zijn de snelste geheugens welke berusten op de werking van set-reset-flipflops; processor-registers hebben capaciteiten van bijvoorbeeld 64 bits en een processor cache is bijvoorbeeld 1 MB groot. Kan direct met digitale signalen werken maar zonder elektrische voeding gaat opgeslagen informatie verloren.
  • Hoofdgeheugen van een computer: Eigenschappen vergelijkbaar met processorgeheugen, maar minder snel; grote capaciteit van bijvoorbeeld 4 GB.
  • Flashgeheugen: Een door het digitale signaal bestuurde verzameling elektroden brengt op zekere plaatsen permanente elektrische ladingen aan. Deze geheugens bestaan uit logische bouwstenen, geoptimaliseerd voor grote capaciteit; door genoemde elektrische ladingen wordt opgeslagen informatie ook zonder elektrische voeding behouden. Specifieke uitvoeringen zijn Secure Digital- en CompactFlash-kaarten, welke geoptimaliseerd zijn voor laag energieverbruik. Een vorm van flashgeheugen kan ook in een solid state drive (SSD) worden toegepast, maar in de snelste SSD's wordt hetzelfde type geheugen gebruikt als in het hoofdgeheugen, waarbij een ingebouwde voedingsbron waarborgt dat de opgeslagen gegevens bewaard blijven. SSD's zijn aanzienlijk sneller dan een harde schijf, maar hebben (nog) een kleinere capaciteit. Ze kunnen direct met digitale signalen werken. Zie ook Geheugenkaart.
  • Compact Disc: Een door het digitale signaal bestuurde laser brengt op zekere plaatsen op een plastic schijf putjes met verschillende lengten aan. Capaciteit tot 25 GB, eenvoudig massaal te kopiëren door persen. Zie ook Compact disc.
  • Harde schijf: Een door het digitale signaal bestuurde elektromagneet brengt op zekere plaatsen op een schijf een magnetische polarisatie aan. Geoptimaliseerd voor grote capaciteit, bijvoorbeeld 3 TB en willekeurige toegang.
  • Magnetische tape: Werkt op hetzelfde principe als een harde schijf maar gebruikt een band in plaats van een schijf. Geoptimaliseerd voor betrouwbaarheid, wordt gebruikt als back-upopslag voor professionele doeleinden.
  • Streepjescode, QR-code en BeeTagg: Een door het digitale signaal bestuurde printer drukt op zekere plaatsen op een lichtkleurig materiaal een serie smallere of bredere donkere lijnen aan of een serie donkere bokken.

Zie ook Gegevensdrager.

Digitalisatievarianten bij tekst

Digitale tekst moet worden onderscheiden van een digitale afbeelding van tekst, omdat de laatste niet direct doorzoekbaar is. Beide komen in de praktijk voor als pdf-bestand, dus het onderscheid is niet te zien aan het bestandstype.[1] Ook kunnen beide worden gecombineerd, met een bladspiegel overeenkomstig een bestaand boek, maar met toch doorzoekbare tekst.[2]

Digitaal in het spraakgebruik

In het dagelijkse spraakgebruik wordt 'digitaal' te pas en te onpas gebruikt.

  • digitaal kantoor: kantoor dat hoofdzakelijk gebruikmaakt van computers en het internet.
  • digitaal loket: loketdiensten via internet.

Zie ook

Externe links