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Dispensa Reti Logiche
Tipologia: Dispense
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Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Nello Scarabottolo
Introduzione
La prima parte dell’insegnamento di Architettura degli Elaboratori I affronta le metodologie di base utilizzabili per la progettazione dei circuiti elettronici digitali, ovvero dei componenti che consentono la realizzazione della parte fondamentale di un qualsiasi elaboratore o calcolatore elettronico.
Scopo di questa introduzione è quello di inquadrare gli argomenti trattati nei capitoli successivi, fornendo una chiave di lettura che consenta sempre di collegare i singoli argomenti all’aspetto realizzativo dei calcolatori cui si vuole fare riferimento.
Per elaboratore o calcolatore intendiamo in questo contesto una macchina progettata per elaborare informazioni in modo automatico , cioè un sistema capace di ricevere informazioni dall’ambiente circostante (o mondo esterno ), di operare trasformazioni su queste informazioni, tese a dedurre o costruire nuove informazioni come risultato delle suddette trasformazioni, di comunicare al mondo esterno l’esito delle proprie elaborazioni.
Va subito detto che le informazioni da elaborare possono essere estremamente varie (grandezze fisiche come temperatura, pressione, peso, valori numerici, parole o frasi di testo, ecc.) e che una loro elaborazione automatica richiede di ricorrere a una opportuna codifica , cioè di:
La scelta del tipo di grandezza fisica rappresentante è guidata da considerazioni di natura prettamente tecnologica: dipende infatti dal livello di maturità industriale di una certa tecnologia realizzativa la possibilità di produrre, a costi ragionevoli, macchine utili. Un esempio per chiarire questo concetto è dato dalle calcolatrici da tavolo meccaniche diffuse diversi anni fa, nelle quali la grandezza fisica rappresentante le informazioni numeriche da elaborare era costituita dalla posizione relativa di vari ingranaggi metallici.
Negli ultimi anni, la scelta della grandezza fisica è stata sempre più indirizzata verso fenomeni di tipo elettrico (tensione e/o corrente elettrica) dal progressivo affermarsi della tecnologia di realizzazione dei circuiti elettronici.
Un dispositivo capace di comportarsi da interruttore comandato (cioè capace di aprire o chiudere un collegamento elettrico sulla base di uno stimolo elettrico) è oggi realizzabile — grazie alla tecnologia di integrazione su silicio, che realizza tali dispositivi trattando opportunamente superfici piane di silicio — in un’area avente dimensioni nell’ordine delle frazioni di micron , quindi con la possibilità di inserire strutture composte da milioni
Introduzione
Questa rappresentazione è detta analogica poiché esiste una chiara analogia fra il comportamento dell’informazione e della sua rappresentazione: ogni possibile valore di temperatura è associato a un diverso valore di tensione, e ogni variazione di temperatura comporta una corrispondente, analoga variazione di tensione.
Numerosi sono i pregi di tale rappresentazione: è una rappresentazione fedele, nel senso che anche piccole variazioni dell’informazione da rappresentare vengono avvertite; è una rappresentazione intuitiva, poiché facilita la comprensione immediata della situazione legata all’informazione rappresentata; basti pensare ad esempio a un orologio a sfere, dove la posizione delle lancette consente un rapido riconoscimento dell’ora, o a un tachimetro a lancetta, dove la posizione viene immediatamente tradotta in indicazione della velocità che si sta tenendo.
Tali pregi, molto utili soprattutto nell’interazione fra uomo e macchina, sono però associati a numerosi difetti, che rendono tale rappresentazione poco adatta all’uso all’interno della macchina: l’elemento elettronico che gestisce la rappresentazione analogica dell’informazione ha — come sempre accade nel mondo reale — un comportamento “non ideale”, dovuto a sia pur minimi difetti di realizzazione, a invecchiamento, a presenza di disturbi di natura elettrica, in generale a fenomeni che introducono un errore di rappresentazione , cioè una differenza fra il valore assunto dalla grandezza elettrica e il valore che “avrebbe dovuto assumere” per rappresentare correttamente l’informazione; ogni elaborazione di rappresentazioni affette da errore comporta un progressivo “aumento dell’errore”: basti pensare al fatto che, dovendo sommare due valori affetti da errore, l’errore risultante è la somma degli errori di partenza; ecco quindi che una rappresentazione poco affidabile mal si presta a elaborazioni complesse (cioè composte da numerose trasformazioni delle informazioni di partenza).
Figura 1.2 — Rappresentazione digitale dell’informazione
Nello Scarabottolo
Per introdurre un comportamento più robusto e affidabile, si può ricorrere a una rappresentazione come quella schematizzata dal diagramma di Figura 1.2, dove la grandezza rappresentante può assumere solo un numero discreto di valori, ciascuno dei quali associato a un sottoinsieme dei possibili aspetti che l’informazione da rappresentare può assumere.
Questa rappresentazione è detta digitale perché definisce un numero discreto di “valori” o “cifre” (in inglese: digit ) che la grandezza rappresentante può assumere. Pregi e difetti di tale rappresentazione sono naturalmente opposti rispetto alla rappresentazione analogica: la rappresentazione è poco fedele: variazioni anche ampie dell’informazione all’interno di un sottoinsieme associato a una stessa “cifra” non vengono avvertite, mentre piccole variazioni a cavallo del confine fra due sottoinsiemi comportano continui cambiamenti della “cifra” rappresentante; la rappresentazione non è altrettanto immediata, perché si tratta di interpretare il significato della cifra per risalire all’informazione codificata (ad esempio, un orologio digitale richiede di interpretare due numeri di due cifre ciascuno come ora e minuti per risalire all’informazione temporale associata); la rappresentazione è robusta, perché è decisamente più difficile che un difetto o un malfunzionamento ci facciano confondere due “cifre” diverse, data la loro significativa differenza; la rappresentazione si presta a elaborazioni anche complesse, poiché la probabilità decisamente inferiore di errori rende affidabile il risultato finale.
I due ultimi vantaggi sono ulteriormente enfatizzati dalla rappresentazione schematizzata in Figura 1.3, detta rappresentazione (digitale) binaria poiché usa solo due possibili valori della grandezza rappresentante, corrispondenti agli estremi 0 e VMAX dell’intervallo utilizzato. Inoltre, il comportamento fisico dei dispositivi elettronici è tale da minimizzare il dispendio di energia quando i dispositivi stessi si trovano agli estremi dell’intervallo di possibili valori di funzionamento, a ulteriore vantaggio di un’impostazione binaria.
Figura 1.3 — Rappresentazione binaria dell’informazione
Nello Scarabottolo
Codifica dell’Informazione
Lo scopo di questa parte è un sommario dei concetti di base della codifica binaria delle informazioni, importante per la natura fisica dei dispositivi elettronici integrati, che presentano vantaggi di immunità al rumore, di minore consumo di energia elettrica e di migliore impaccabilità se utilizzati con valori quantizzati.
Valgono le seguenti relazioni numeriche fondamentali: