Предисловие ко второму изданию книги «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство» / Хабр

Ранее публиковалась новость о выходе книги в свет. Теперь настало время поговорить о книге более обстоятельно.

И начнем мы с авторов книги, а затем перейдем непосредственно к предисловию.

Авторы книги

Томас Хейс пришел в электронику не прямым путем. Сначала была юридическая школа. Затем были несколько лет работы юристом на Уолл Стрит, которые не приносили морального удовлетворения. В итоге он нашел себя в качестве преподавателя «Лаборатории электроники» «Гарвардского университета», где и работает последние 40 лет. Он также преподавал электронику в «Гарвардской летней школе», «Гарвардской школе дополнительного образования» и в течение 17 лет на «Физическом факультете» «Бостонского университета». Том является соавтором патента на устройство, регистрирующее воздействие лечебной фототерапии. На протяжении своей преподавательской карьеры, он разрабатывал электронные устройства по мере необходимости. К одной из таких разработок относятся дисплей, последовательный интерфейс и программатор для микроконтроллера «8051» из первого издания книги. Совсем недавно, благодаря появлению внуков, он разработал и воплотил систему освещения для кукольного домика. Там есть даже миниатюрные розетки в стенах. А еще, там есть подсвечиваемый вид из окон на задний двор. Подсветка может имитировать наступление сумерек, ночи и последующего постепенного восхода Луны.

После окончания «Массачусетского технологического института» со степенью по электротехнике, Дэвид проектировал аналоговые и цифровые приборы для медицины, образования, и химического анализа. В 1986 году он стал соучредителем фирмы «Galactic Industries Corp.» - разработчика ПО для ПК, внедряющего обработку данных научных экспериментов методом оптимального программирования. В 2001 году он участвовал в продаже своей фирмы корпорации «Thermo Electron», с последующим преобразованием ее в подразделение корпорации. Спустя короткое время он покинул образовавшееся подразделение «Thermo Galactic» и поступил в «Гарвардскую юридическую школу». После юридической школы он сначала работал специалистом по интеллектуальной собственности в юридической фирме «WilmerHale». Затем клерком в «Окружном суде», под руководством судьи Райи Зобель (Rya Zobel). Далее, он стал научным сотрудником «Исследовательского центра Беркмана по проблемам Интернета и общества» («Berkman Center for Internet & Society investigating») при «Гарвардском университете» и исследовал нарушение авторского права в сети Интернет. Дэвид вернулся в «Гарвардскую юридическую школу» чтобы вести там семинар для первокурсников «Решение юридических проблем». До выхода на пенсию в 2024 году Дэвид проводил семинары «Решение юридических проблем» в «Саффолкской юридической школе» Саффолкского университета (город Бостон) и преподавал основы электроники в «Гарвардском университете» (на курсах «ES52» и «PHYS123», «внутренние» названия).

Пол Хоровиц является профессором физики и электротехники в «Гарвардском университете», и его заслуженным деятелем. В 1974 году он на базе «Лаборатории электроники» университета создал учебный курс, который впоследствии материализовался в книгу «Искусство схемотехники». В основном он занимается схемотехникой и приборостроением. Но в сферу его научных интересов также входят наблюдательная астрофизика, рентгеновская микроскопия, микроскопия элементарных частиц и оптическая интерферометрия. Пол является одним из основоположников поиска разумной жизни за пределами Земли (программа «SETI»). На его счету около 200 научных статей и сообщений. В свое время с Полом активно консультировались представители правительства и промышленности. За свою жизнь Пол разработал немало научных и фотографических устройств.

Пол Хоровиц не является автором данной книги и лишь помогал при ее создании (о чем указано на обложке).

Предисловие

В это издание книги «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство» внесены изменения, которые мы сделали на основе опыта применения книги, с момента ее первой публикации в 2016 году.
Основных изменений всего два.
В нашей учебной практике мы начали пробовать новые методики, которым противились несколько десятков лет с запуска курса. Мы распределили цифровую и аналоговую половинки курса по семестрам.
· В цифровой части курса мы заменили лабораторную работу с двухканальным микроконтроллером «8051» (из первого издания) от «Intel» на работу с платой на базе микроконтроллера от «ARM». Кроме того, упражнения из первого издания с ПЛИС типа PLD были заменены на упражнения с ПЛИС типа FPGA.

Более размеренный темп повествования позволяет нам не беспокоиться о том, что мы слишком торопимся. Как говорится: «Тише едешь, дальше будешь!» В рамках двух семестров мы даже нашли время добавить несколько новых лабораторных работ.
В первом издании книги предполагалось затрачивать один день на изучение одной главы. Во втором издании это требование смягчается. Почти на каждую главу отводится более одного дня.
Более медленный темп позволяет нам делать паузы для обсуждения и собирать некоторые схемы, которые упоминались, но не демонстрировались в первом издании. Например, в рамках первого дня мы предлагаем познакомиться с работой цифрового вольтметра. На лабораторной работе (Глава 3L) мы тестируем разные диоды и показываем, как с помощью осциллографа отображаются особенности их работы. Посреди раздела курса, посвященного ОУ, мы делаем паузу и пробуем применить на практике ПТ с p-n-переходом. Данный полупроводниковый прибор исключен из рассмотрения в первом издании книги. Хотя там и рассматриваются МОП ПТ в качестве ключей.

Дополнения в аналоговой части курса

Мы добавили три лабораторные работ��, требующие сборки достаточно сложных схем.
Измерительный усилитель. Это частный случай дифференциального усилителя на основе ОУ. Поэтому, данная лабораторная работа находится посреди главы, посвященной ОУ. Проектирование начинается с простых схем, на основе ОУ. Затем, вам предлагается попробовать две интегральные версии измерительных усилителей. Одна из них производит еще и оцифровку сигнала. Работа с ней предполагает применение платы «Arduino». Слушатели курса (или отдельные читатели), для кого цифровая электроника еще в новинку, могут пропустить часть с применением платы «Arduino».
Синхронный усилитель. В этой лабораторной работе мы собираем свою, дискретную схему синхронного усилителя (не применяем промышленный образец) для получения необходимой информации из зашумленного окружающего пространства. Данная лабораторная работа тоже размещается в главе, посвященной ОУ.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ). Эта лабораторная работа основана на схеме со сложной петлей отрицательной обратной связи и требует прочтения подготовительных материалов о ПТ с p-n-переходом (этот тип полупроводниковых приборов исключен из рассмотрения в первом издании данной книги).

Дополнения и изменения в цифровой части курса

Дополнения, касающиеся программируемой логики
В первом издании книги мы применили ПЛИС для замены ИМС дискретной логики на плате микрокомпьютера «Big Board»^П1. В данном издании ПЛИС типа FPGA занимают равное положение с ИМС дискретной логики.

П1

Дословно переводится как «Большая Плата», название практического проекта.

Сначала мы используем небольшую ПЛИС типа FPGA для воспроизведения работы ИМС комбинационной логики. Затем, делаем то же самое для ИМС последовательной логики: триггеров, счетчиков и сдвиговых регистров. И под конец, воспроизводим работу автоматов с конечным числом состояний, постепенно увеличивая их сложность. В общем, сначала мы рассматриваем работу простых устройств дискретной логики, таких как вентили и счетчики. Потом мы воспроизводим их работу на ПЛИС типа FPGA.
Цифровой раздел курса заканчивается значительно увеличившейся лабораторной работой «Цифровой проект». В ней ПЛИС FPGA применяется для управления дисплеем на семисегментных индикаторах с СИД-сегментами. Управление осуществляется четырехразрядным кодом при помощи мультиплексирования. Этот дисплей вы можете затем использовать в любом другом, собственном проекте, в качестве готового решения. Это могут быть цифровые часы, измеритель емкости конденсаторов, цифровой вольтметр, сейф отеля и любое другое устройство, требующее вывода чисел на дисплей.
Дополнения по микроконтроллерам
В данном издании шесть новых глав, посвященных встроенным микроконтроллерам. За исключением введения к Главе 22 («22N»), посвященного истории компьютеров и знакомящего с микроконтроллерами. Мы с ностальгией попрощались с восьмиразрядным микроконтроллером «8051» от «Intel» (произведенного в 80-х годах прошлого века), с его языком ассемблера и примитивными инструментами разработки. Все ради того, чтобы вступить в современную эру процессоров на архитектуре «RISC».
На наших лабораторных работах по микроконтроллерам пишется код для 32-разрядного микроконтроллера фирмы «ARM» (модель «Cortex-M0+») на языке «C». Для этого применяется фирменная интегрированная среда разработки (ИСР) и плата отладки. Плата отладки давала нам возможность заглядывать в нутро микроконтроллера всякий раз, когда нас посещала эта навязчивая идея. Но обычно это происходило, когда программа должным образом не работала. Мы были в восторге от почти неограниченного доступа к 32-разрядным переменным и наличию 13 регистров общего назначения, которые можно использовать как указатели данных в памяти устройства.¹

Вы будете в неописуемом восторге, если имели дело с ограниченным набором 8-разрядных регистров и единственным регистром указателя данных (DPTR) в контроллере «8051».

Конечно же, за большими возможностями скрывается и большая сложность. Даже самый простой микроконтроллер фирмы «ARM», который мы использовали, имеет встроенные таймеры, счетчики, аналоговые компараторы, ЦАП, АЦП, последовательные интерфейсы связи, интерфейсы для сенсорных экранов и многое другое. Вдобавок, все это многообразие периферии управляется десятками конфигурационных регистров. У контроллера «8051» есть только таймер и интерфейс UART под управлением всего лишь нескольких регистров.
Наш путь начинается с простого желания помигать светодиодом (это аналог известного программистского упражнения «Hello world!», ориентированный на встроенные микроконтроллеры). Затем, мы будем по очереди разбираться в работе внутренних периферийных устройств: сканируя клавиатуру, вводя команды для портов ввода/вывода; используя ЦАП для вывода синтезированных синусоидальных сигналов; создавая прерывания таймера для воспроизведения музыкальных записей, с незначительным привлечением к выполнению задачи ЦП МК; программируя последовательный интерфейс, для вывода текста на ЖК экран. В последней лабораторной работе мы создадим полноценное устройство, работающее на ОС реального времени («RTOS», «Real Time Operating System»). Это будет музыкальный автомат, проигрывающий колыбельные мелодии. Тут нам и пригодится код, написанный на предыдущих лабораторных работах.

Видеодемонстрация с "YouTube".

Структурные нововведения

Онлайн-содержимое
К сожалению, с учетом дополнительного материала во втором издании, книга приобрела объем, едва вмещающийся в формат одного тома. Вместо того, чтобы выпустить двухтомное издание (и ради того, чтобы отдельные читатели не заработали грыжу и не понесли дополнительные расходы), мы перенесли часть редко используемого материала на новую интернет-страницу второго издания: https://learningtheartofelectronics.com/.
Номера онлайн-глав указаны в содержании с добавлением буквы «O» и вы их не найдете в книге. Они размещены на интернет-странице второго издания. В онлайн-главы перенесены не обязательные и редко используемые учебные материалы. Например, в Главе 22O описываются альтернативные варианты платы «SparkFun SAMD21 Mini», для прикладной разработки, которыми мы пользуемся на лабораторных работах по микроконтроллерам. Такой материал может понадобиться всего один раз, а может и вообще не понадобиться.
Подобную манипуляцию мы проделали со второй частью Главы 26N (теперь она называется Глава 28O). Это позволило нам поддерживать актуальность списка интересных датчиков, манипуляторов и устройств, не перегружая книгу дополнительными страницами.

Актуализация гиперссылок
Мы часто, особенно в новых учебных материалах по микроконтроллерам, вынуждены приводить ссылки на интернет-страницы, которыми не владеем. К сожалению, постоянство напечатанного текста плохо уживается с быстро меняющейся конъюнктурой всемирной сети Интернет. Профессор права Джонатан Зиттрейн (Jonathan Zittrain) проанализировал 2 млн. ссылок на интернет-странице газеты «The New York Times»^П2 и выяснил, что 25% из них больше не ведут к оригинальному источнику (их он назвал «протухшими»). Нашим решением проблемы является направить вас на нашу интернет-страницу «LAoE Links Web Site», где находится актуальный список всех гиперссылок из книги. Перейдя по ссылкам из этого списка, вы окажетесь там, где нужно.

П2

Теперь это уже не газета в привычном понимании, а мировой новостной агрегатор.

Например, приведенная выше статистика заимствована из статьи профессора Зиттрейна «Интернет тухнет» («The Internet is Rotting»), которая опубликована на интернет-странице журнала «The Atlantic»^П3 по адресу: https://www.theatlantic.com/technology/archive/2021/06/the-internetis-a-collective-hallucination/619320/. На момент публикации данной книги, наша ссылка перенаправляет туда же: https://LAoE.link/Link_Rot.html. Если у этой статьи сменится адрес или она перестанет быть доступной, мы в свою очередь актуализируем адрес статьи на сайте ссылок или, в худшем случае, заменим на адрес аналогичного источника.

П3

Тоже уже не особо журнал в привычном понимании.

Если вы не желаете вводить ссылки в окно браузера вручную (по каким-либо причинам), то вы можете сразу перейти на нашу интернет-страницу «LAoE Links Web Site» и просмотреть список ссылок. Список структурирован по главам книги и содержит нашу ссылку в связке с оригинальной ссылкой. «Кликнув» нужную ссылку вы перейдете по ней автоматически, без необходимости текстового ввода.
Дорогой читатель, мы надеемся, что вы сообщите нам о неработающих ссылках! Пишите нам о таких случаях на электронную почту BadLink@LAoE.link, указав номер страницы книги и адрес ссылки! Мы постараемся это исправить!

Благодарности тем, кто этого заслуживает

В завершение, мы бы хотели выразить признательность друзьям и коллегам, которые щедро пожертвовали свое время на то, чтобы проверить корректность учебных материалов данного издания и чтобы лабораторные работы правильно функционировали. Спасибо наставнику «Гарвардского университета», Кэтрин Ледбеттер (Kathryn Ledbetter), за независимое тестирование лабораторных работ с применением ПЛИС FPGA. Ее комментарии и критические замечания были неоценимы. Благодаря Кэтрин мы сделали сложный для восприятия материал более понятным. Спасибо профессору Саре Эно (Sarah Eno) из «Университета штата Мэриленд»! Она выполнила предварительную проверку новых учебных материалов по микроконтроллерам, что позволило нашим читателям оптимально и комфортно выполнять соответствующие лабораторные работы. И вот мы в очередной раз благодарим Джима Макартура (Jim MacArthur)! Его эрудиция и опыт во многих областях электроники помогли выявить многие наши ошибки в материалах книги. Во многом благодаря его советам, объяснение материала в книге стало проще и понятнее. Конечно же, ошибки остались и это наше авторское упущение. Если вы нам о них сообщите, то мы постараемся их исправить в следующем издании. Связаться с нами можно по адресу электронной почты: authors@LAoE.link.
Том Хейс
Дэвид Абрамс
февраль 2024 года

Предисловие к первому изданию книги находится тут.