Sistemi digitali. Sistema digitale
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- Guido Marino
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1 Sistemi digitali 2/ 7 Sistema digitale In un sistema digitale le informazioni vengono rappresentate, elaborate e trasmesse mediante grandezze fisiche (segnali) che si considerano assumere solo valori discreti Ogni valore è associato a una cifra (digit) della rappresentazione in un sistema analogico le informazioni vengono rappresentate (elaborate e trasmesse) mediante grandezze che possono assumere con continuità tutti gli infiniti valori in un dato intervallo 2/ 8 9
2 Grandezze fisiche Grandezze fisiche utilizzate in un sistema digitale per la rappresentazione dell'informazione segnali elettrici (tensione, corrente) grandezze di tipo magnetico (stato di magnetizzazione) segnali ottici 2/ 9 Segnali digitali binari La grandezza fisica che si utilizza (segnale elettrico di tensione) assume solo due valori discreti (binaria) elemento tecnologico base per la realizzazione di circuiti digitali è il transistore il funzionamento di un transistore può essere modellato (in modo molto semplice) come il funzionamento di un interruttore, aperto o chiuso due stati fisici, cui corrispondono 2 opportune tensioni (in genere V e 5V) un altra possibile scelta nelle soglia superiore è 3V permette risparmi energetici, e minor dispersione di calore 2/ 2
3 Transistore transistore Se BSE ha un valore basso di tensione, il transistor non conduce COLLECTOR ha lo stesso valore dell altro estremo 2/ 2 Tensione Valore binario H Valori binari valori accettati valori emessi L 5 Segnale (volt) 2/ 22
4 Proprietà dell elettronica digitale La tecnologia elettronica digitale presenta buone proprietà per manipolare l'informazione miniaturizzabile "ci stanno tanti bit" (porte e bistabili) in poco spazio in un circuito integrato a larga scala si arriva a più di 6 porte logiche veloce trasferimenti ed elaborazioni delle informazioni richiedono tempi brevi (nsec.= -9 secondi) buona immunità ai disturbi due soli livelli di segnale sono facilmente riconoscibili anche se generati da dispositivi "vecchi" e in un ambiente che introduce disturbi elettrici 2/ 23 Proprietà... (continua) senza parti in movimento non si consuma e quindi è affidabile e dura a lungo bassi livelli energetici consuma poca energia e dissipa poco calore economia di produzione in larga scala il costo maggiore è il progetto la produzione di ogni singolo dispositivo costa poche lire 2/ 24 2
5 Processo di fabbricazione dei chip 2/ 25 Elementi di sistemi digitali Gli elementi base (realizzati utilizzando uno o più transistori opportunamente collegati) sono di pochi tipi e relativamente semplici, e sono dotati di ingressi e uscite porte logiche (gate) realizzano gli operatori e consentono le elaborazioni circuiti combinatori elementi di memoria (flip-flop o bistabile) consenteono il mantenimento di una singola unità di informazione binaria circuiti sequenziali 2/ 26 3
6 Elementi complessi Gli elementi complessi si ottengono con una "costruzione" incrementale e ripetitiva degli elementi base aggregando anche numerosi elementi base con opportune interconnessioni le interconnessioni consentono la propagazione dei segnali, e quindi delle informazioni associate, dall'uscita di un elemento all'ingresso di uno o più altri elementi 2/ 27 Elementi complessi La tecnologia e il processo costruttivo dei circuiti integrati consentono di realizzare circuiti molto complessi in poco spazio e con un buon rapporto costo/prestazioni 2/ 28 4
7 rchitettura degli Elaboratori e delle Reti Logica digitale 2/ Componenti base Transistor con ingresso basso l uscita è alta e viceversa calcola la funzione NOT sul segnale in ingresso Due transistor in serie se entrambi hanno ingresso alto il risultato è basso se almeno uno ha ingresso basso, il risultato è alto calcolano la funzione NND Due transistor in parallelo se entrambi hanno ingresso basso il risultato è alto se almeno uno ha ingresso alto, il risultato è basso calcolano la funzione NOR 2/ 2
8 Componenti base NOT NND NOR 2/ 3 Porte logiche Porte logiche rappresentano circuiti che forniscono in uscita il risultato di operazioni logiche elementari sui valori delle variabili in ingresso le variabili in ingesso possono essere n la funzione calcolata da un circuito con n ingressi può essere descritta per ciascuna delle 2 n combinazioni degli ingressi il valore della funzione può essere tabellato tabelle che elencano tutte le combinazioni dei valori di ingresso e il corrispondente valore del risultato delle operazioni logiche si chiamano tabelle di verità (Truth Table, TT) 2/ 4 2
9 Porta NOT - complemento (~) SIMBOLO GRFICO U U 2/ 5 Porta NND B U B SIMBOLO GRFICO U 2/ 6 3
10 Porta NOR B U B SIMBOLO GRFICO U 2/ 7 Porta ND - prodotto logico (*) B U B SIMBOLO GRFICO NOT( NND B) U 2/ 8 4
11 Porta OR - somma logica (+) B U B SIMBOLO GRFICO U NOT ( NOR B) 2/ 9 Tabelle di verità Quali altre funzioni si possono calcolare oltre a NND, NOT, NOR, ND, OR? B False ND ~B ~B B XOR OR NOR XNOR ~B + ~B Quali mancano? 2/ 5
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