Введение к книге «Искусство схемотехники: практическое руководство»

Книга и курс

Эта книга для непосед. Она для тех, кто стремится заставить электронику работать непринужденно и изящно. Данный курс обучения организован так, чтобы изучить «всю электронику» (ироничная фраза) за 25 дней групповых занятий. Конечно же, это далеко не вся электроника. Но мы надеемся, что этого будет достаточно для пытливого читателя. В конечном итоге, он сможет проектировать и запускать в работу схемы, добиваясь от них нужного результата.

Хотелось бы отметить, что данный том является одновременно и книгой, и курсом обучения. Это потому, что в книге воплотились групповые занятия, которые мы с Полом Хоровицем ведем в Гарвардском университете уже более 25 лет. Курс занятий разработан на ежедневной систематической основе.

ПЛИС (Programmable Logic Devices [PLD] или Programmable Array Logic [PAL]) которые программируются при помощи высокоуровневых языков HDL (от англ. hardware description language, язык описания аппаратной части) и Verilog.

– Переход от применения микропроцессора к применению микроконтроллера в разделе курса, посвященному компьютеру. Микроконтроллер способен управлять непосредственно или с незначительными схемными доработками, в отличие от микропроцессора. Поэтому он лучше походит для проектирования широкого круга практических устройств.

• Интернет-страница. На интернет-странице learningtheartofelectronics.com, посвященной книге, есть много интересного. Например, машинный код. Это показано в «Приложении H».

Это был Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek). Обычно он тихо сидел в конце зала, надеясь на определенные озарения в умозрительной модели, которую он перед собой воображал. Если ему и приходили такие озарения, то, скорее всего, не от нас. .

Мы считаем, что некоторые практические рекомендации поразят вас своей простотой. Другие же напротив, покажутся особенно сложными. В любом случае, ваше суждение будет основано на разном уровне личного опыта по рассматриваемым нами темам. Те из вас, кто является опытным программистом, легко «проскочат» программирование на ассемблере почти в конце курса. Другим же это дастся с трудом. И это логично. Курс, на основе которого возникла эта книга, имеет неоднозначную репутацию. Он одновременно и прост, и сложен, благодаря простоте идей и минимуму абстракций. Мы даем своим слушателям достаточный объем информации за короткий срок и рассчитываем, что они его усвоят также быстро. Данный курс во многом похож на любой ознакомительный, языковой курс. И мы предполагали использование в своей педагогической практике «метода погружения». Он проявляется в лабораторных работах, которые обладают лучшими обучающими свойствами. Мы надеемся, что данная книга сделает выполнение этих лабораторных работ еще более понятным. Спешу добавить напоминание (в рамках современного правового регулирования) о необходимости прочитать юридическое уведомление к данному предисловию! .

О базовой книге: «Искусстве схемотехники» Хоровица и Хилла .

Пол Хоровиц запустил этот курс сорок с лишним лет назад. Он и Уинфилд Хилл написали книгу, которая в различных изданиях послужила учебным пособием для данного курса. На третье издание «Искусства схемотехники» мы будем опираться в своей работе. Мы больше не требуем от студентов нашего курса покупать эту книгу. Она богата и одновременно кратка по содержанию. Не все студенты, только начинающие изучать электронику, ее поймут. Но нам известно, что среди наших студентов и среди читателей нашей книги, найдутся те, кто захочет изучить более детально обсуждаемые темы. Для них мы сделали перекрестные ссылки на книгу «Искусство схемотехники» по всему тексту. Счастливые обладатели книги «Искусство схемотехники» получат гораздо больше того, что может предложить книга, которую вы читаете сейчас. .

Аналоговая и цифровая электроники: возможность раздельного изучения .

В курсе колледжа мы проходим весь материал данной книги за один семестр, что по времени составляет около 13 недель. В ночном курсе, занятия которого проводятся раз в неделю, тот же материал преподается за два семестра. Первый семестр посвящен аналоговой электронике (Занятия с 1 по 13). Второй семестр посвящен цифровой электронике (Занятия с 14 по 26). Нам известно, что некоторые университеты практикуют такое тематическое разделение на «аналоговую электронику» и «цифровую электронику». Вполне возможно и преподавать «цифровую электронику» раньше «аналоговой электроники». Только в первый же день занятий по «цифровой электронике» (когда мы просим слушателей составить логический вентиль на основе МОП-ключей), людям без подготовки в «аналоговой электронике» понадобится небольшое дополнительное руководство. По большей части, в «цифровой электронике» устройства представляются в виде «черных ящиков». Последние не требуется вскрывать и понимать природу их работы. Нам нужно знать входные и выходные свойства, не задаваясь мелкими вопросами из области «аналоговой электроники».

При необходимости курс можно сократить. Мы не приветствуем, если какая-либо лабораторная работа выпадает из учебного процесса. Но наша летняя версия групповых занятий втиснута во временные рамки немногим более шести недель. Поэтому, десятая лабораторная работа является необязательной (Занятие 10 знакомит с PID-регулятором для электродвигателя). И в летнем курсе отсутствует приятная, но необязательная лабораторная работа 20L по «цифровой электронике». На ней слушатели курса проектируют устройство по
собственному усмотрению.

О тех, кто помогал в работе над книгой

Во-первых, это Пол Хоровиц (что вполне очевидно). Он является моим учителем на протяжении длительного времени и коллегой-преподавателем уже много лет. По мере развития данной книги, он был важным и неумолимым критиком. Большая часть иллюстраций в книге выведена его рукой. Без Пола и его поддержки этой книги бы не было.

Во-вторых, я хочу выразить признательность узкому кругу друзей и коллег. Они тщательно прочитали черновики книги, попутно внося предложения и исправления. Двое друзей когда-то преподавали со мною вместе. Поэтому, они не только отлично знакомы с электроникой, но и с самим курсом. Это Стив Морсс (Steve Morss) и Джейсон Галликкио (Jason Gallicchio).

Мы со Стивом вместе преподавали почти тридцать лет назад. Тогда он помогал мне тестировать и анализировать новые схемы. Затем, он ушел и основал свою коммерческую компанию. Но мы не перестали общаться. Когда мы стали применять в курсе логический компилятор языка Verilog, я воспользовался его знаниями. Стив оказался щедрым советчиком. Еще, он внимательно прочитал наши практические рекомендации по данной теме. Было очень приятно иметь возможность проконсультироваться (словно пациент у опытного врача), впервые столкнувшись с невероятным диапазоном возможностей языка Verilog.

Джейсон особенно помог с подбором практических примеров в наших практических рекомендациях. У него есть привлекательное, но пугающее качество: “легкая критика” без какого-либо смягчения. Я в этом убедился воочию. Черновик с моими практическими рекомендациями вернулся обратно, весь пылая красным от его хитроумных пометок. Я получил явно больше того, на что рассчитывал. Но это было только на пользу данной книге.

Приятной особенностью места моей работы является возможность обратиться за помощью к окружающим людям с заслуженным авторитетом. Особенно в моменты затруднений. Джим Макартур (Jim MacArthur) заведует у нас магазином электроники, и он всегда завален работой. Я всегда мог рассчитывать встретиться с ним в его лаборатории почти каждые выходные. И если я пользовался этой возможностью, то он готов был прервать свою работу для обсуждения любых практических, или серьезных вопросов. Дэвид Абрамс (David Abrams) – не менее авторитетный мой коллега. Он дважды помог мне объяснить обучающимся полученные результаты, природу которых я и многие из нас не поняли. У него имеется опыт промышленного производства и преподавания нашего курса. Поэтому, это еще один наш ценный актив.

Кертис Мид (Curtis Mead), один из аспирантов Пола Хоровица, щедро поделился с нами своими знаниями в области изготовления печатных плат. Он помог нам создать плату с ЖК-экраном, которую мы используем при изучении цифровой электроники на нашем курсе. Джейк Коннорс (Jake Connors), наш верный помощник преподавателя, принимал активное участие в изготовлении копий платы с ЖК-экраном (той, что спроектировал Кертис Мид). Рэндалл Бриггс (Randall Briggs), наш бывший помощник преподавателя, вдумчиво и внимательно изучил черновики данной книги.

Может не стоит об этом говорить, но я все же скажу. Любые оплошности, допущенные в данной книге (не смотря на помощь со стороны) я считаю своими ответственностью и виной. Наши мудрые советчики тут не причем.

В процессе непростой подготовки к печати более тысячи диаграмм данной книги, особенно отличились двое. Мой сын, Джейми Хейс (Jamie Hayes), их рисовал, оцифровывал (сканировал) и дорабатывал в графическом редакторе. Рэй Крейгхед (Ray Craighead), опытный иллюстратор, которого мы нашли во «всемирной паутине»². Он искусно восстановил рисунки с цифровых копий наших потрепанных временем рукописей. Причем сделал это так, чтобы они не сильно выделялись на фоне остальных рисунков. Нет никого, кто бы справился с этой работой лучше.

Когда весь материал книги был уже скомпонован, за свое непростое дело взялся наш редактор, Дэвид Трана (David Tranah). Он состыковал части в единое целое, находил несоответствия и повторы, удалял лишние ссылки на рисунки и пытался соблюсти последовательность изложения в книге. Ему пришлось преодолеть разрозненность отдельных частей книги и мириться с постоянными мелкими правками практически до самого конца издательского процесса. И все это он умудрился сделать после того, как закончил изнурительное редактирование основной книги «Искусство схемотехники». Я выражаю ему восхищение и признательность за его старания.

И последнее! Я должен поблагодарить за терпение свою жену, Дэбби Миллс (Debbie Mills). Ей часто приходилось наблюдать тоскливую картину, когда я отрешенно сидел в различных местах (на заднем крыльце дома, отдыхая на террасе в Италии, в кресле у камина) и копошился в различных редактурах книги. Она будет рада тому, что книга наконец-то закончена.

Том Хейс