Sistemi digitali Sistema digitale

Architettura degli Elaboratori e delle Reti
2. Rappresentazione
dell’Informazione
Sistemi digitali
AA 2000/01
© Rosti/Bettini
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A.d.E.R.
2. Rappresentazione
dell’informazione
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
AA 2000/01
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2. Rappresentazione
dell’informazione
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Architettura degli Elaboratori e delle Reti
2. Rappresentazione
dell’Informazione
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
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2. Rappresentazione
dell’informazione
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 0V e 5V)
• un’altra possibile scelta nelle soglia superiore è 3V
• permette risparmi energetici, e minor dispersione di calore
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2. Rappresentazione
dell’informazione
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2. Rappresentazione
dell’Informazione
Transistore
transistore
Se BASE ha un valore
basso di tensione, il
transistor non conduce
COLLECTOR ha lo stesso
valore dell’altro estremo
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Tensione ⇔ Valore binario
Valori binari
H
Segnale (volt)
L
valori accettati
valori emessi
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5
0
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Architettura degli Elaboratori e delle Reti
2. Rappresentazione
dell’Informazione
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 106 porte
logiche
• veloce
• trasferimenti ed elaborazioni delle informazioni richiedono
tempi brevi (nsec.=10-9 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
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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
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2. Rappresentazione
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Processo di fabbricazione dei chip
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2. Rappresentazione
dell’informazione
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
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2. Rappresentazione
dell’Informazione
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
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2. Rappresentazione
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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
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Architettura degli Elaboratori e delle Reti
3. Logica digitale
Architettura degli Elaboratori e delle
Reti
Logica digitale
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3. Logica digitale
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 NAND
• 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
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3. Logica digitale
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3. Logica digitale
Componenti base
NOT
NAND
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3
NOR
A.d.E.R.
3. Logica digitale
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 2n
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)
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3. Logica digitale
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3. Logica digitale
Porta NOT - complemento (~)
SIMBOLO GRAFICO
A
0
1
U
1
0
A
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U
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Porta NAND
A
0
0
1
1
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B
0
1
0
1
U
1
1
1
0
SIMBOLO GRAFICO
A
U
B
6
A.d.E.R.
3. Logica digitale
3
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3. Logica digitale
Porta NOR
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
U
1
0
0
0
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SIMBOLO GRAFICO
A
U
B
A.d.E.R.
3. Logica digitale
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Porta AND - prodotto logico (*)
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
U
0
0
0
1
SIMBOLO GRAFICO
A
U
B
NOT(A NAND B)
AA 2000/01
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3. Logica digitale
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3. Logica digitale
Porta OR - somma logica (+)
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
U
0
1
1
1
SIMBOLO GRAFICO
A
U
B
NOT (A NOR B)
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A.d.E.R.
3. Logica digitale
Tabelle di verità
• Quali altre funzioni si possono calcolare
oltre a NAND, NOT, NOR, AND, OR?
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
False AND A~B A ~AB B XOR OR NOR XNOR ~B A + ~B
1
1
1
1
0
0
0 0 0 0 0
0
0
0
0
0
1
0
0 0 1 1 1
0
1
1
0
0
1
0
1 1 0 0 1
0
1
0
1
0
1
1
0 1 0 1 0
0
Quali mancano?
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3. Logica digitale
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