Nel capitolo p recedente abbiamo svi l u ppato u n baby com puter e p recisato che q u esto addizionatore completo a quattro bit è conten uto in u n u n ico c i rcu ito in teg rato, I'SN 7483 .
Figura 4.1
La Fig u ra 4.1 rappresenta questo circu ito i nteg rato. N oi sappiamo ora che esso può prendere delle decisioni e q u i ndi risolvere dei sem p l i c i p roblemi matematici
Le risposte che esso può dare hanno u n a p recisione i n fa l l i bi le, malgrado la fantastica velocità d i funzionamento. T uttavia, i n se stesso, ha u n aspetto estrema mente i n nocuo e sem p l ice - cosa che corrisponde a l l a realtà.
Esso non ha modo di ri cevere istruz i o n i dal mondo esterno. Come g l i si può di re quali n u meri sommare? Come può com u n i care le risposte? Come può ricordare
C O N V E R T I T O R E A D D I Z I O N AT O R E
TAST I E RA M E M O R I A CONVERT I T O R E I N D I CATO R E
., ., ., 4 5 6 ., ., ., 7 8 9 M E M O R I A S E NT I R E D E C I D E R E Figura 4.2 AG I R E
(o i m m agazzinare) i n u meri i n i n g resso, abbastanza a l u ngo per sommarli? Q u esto c i rc u ito i nteg rato asso m i g l i a molto a un cervello senza corpo. Per poter addi rittu ra fu nzionare, questo organo dest i n ato a prendere del le decisioni deve ven i r i n co rpo rato in un sistema comp leto. Ved iamo un momento cosa occore per farlo fu nzio na re. La fi g u ra 4.2 presenta u n sistema completo, com p rendente l'addizionatore che abbiamo descritto i n dettag l i o nel capitol o precedente. Si tratta d i un sistema molto sem p l i ce e tutto ciò che esso può fare è di sommare due cifre dec i m al i . Ma i pri ncipi i m piegati sono g l i stessi che stanno a l l a base d i u n calcolatore elettronico complesso. D'altra parte, la figura potrebbe sem brarvi molto complessa - per c u i l'abbiamo sudd ivisa nei suoi sem plici blocc h i costitutivi.
Il rettangolo den o m i n ato "add izionatore" è i l c i rcu ito i nteg rato che abbiamo svi l l u pato nel l ' u lt i m a lezione. Esso accetta, i n i n g resso, dei n u meri bi nari, l i som ma e dà, in uscita, la som m a, sotto fo rma d i un n u mero bi nario.
COME S I PUO' DIRE AL SISTEMA QUALI NUMERI SOMMARE?
Partiamo dal l ' i n g resso del sistema e proced iamo attraverso quest' u ltimo. La prima cosa che ci occorre è qualcosa che permetta d i rilevare i n u m eri che devono essere som m at i . Cosi, facciamo uso d i u n a tastiera, con un tasto (o chi avetta) per og n u na delle cifre da 1 a 9. 1 tasti sono dei sem plici i n terruttori. Premete uno dei tasti e trasmetterete un seg nale "sì" per il n u mero scelto. R icordate, però, che og n u no d i q u esti tasti è contrasseg nato c o n u n n u mero decimale e c h e la tastiera sente i l vo stro co mando dec i m ale. Ma l'addizionatore fa uso di n u meri binari.
Così , la prima cosa che i l sistema deve fare è di convert i re il vostro n u m ero de ci aie in un n u mero bi nario. S u ppo n i amo di azionare il tasto 6. Q u esta azione produ ce un seg nale "sì" - cioè u n 'alta tensione nel filo n u mero 6, che va al blocco seg uente.
Q uesto blocco è chiamato "convertitore deci male- b i n ario".Come i l nostro ad dizionatore, è com posto da gate logici. Esso trasforma l ' i nformazione che rice ve, attraverso i nove fi l i p roven ienti dalla tastiera, mettendola nel l a forma b i naria usata dallo stad io dec i m ale. l seg nali uscenti dal convertitore vengono convog l i ati da q u attro fi l i , che trasmettono la versione bi naria dei n u meri i n i n g resso.Come ri corderete, i l fi lo più alto corrisponde a 1 , i l secondo filo a 2 , i l terzo a 4 e l ' u ltimo a 8. Così , quando i m mettiamo nel l a tastiera u n 6, trasmettiamo dei seg nali "sì " attraver so i fi l i 2 e 4. O anche, i n forma bi naria, l'uscita è 0 , 1 , 1 ,0. S u pponiamo d i voler som mare 8 a q u esto 6. L'8 verrà convertito nella parola bi nario 1 ,0,0,0 (è consuetud i ne leggere nell'ord i ne "8-4-2-1 ") .
COME PUO' ESSERE M E M O R IZZATA QUESTA I N FO R MAZI O N E?
S i presenta ora i l q u esito: dove va q uesta i nformazione? Essa va ad u n blocco chiamato " memoria", cioé in un posto dove l ' i nformazione può ven i r i m magazz i n a ta. Perché dobbiamo i m magazzi narla?
Perc hé n o n tutti i n u meri possono ven i re i m messi nel lo stesso istante; per c u i , dobbiamo conservare i l 6, finché non arrivi d a l l a tastiera 1 ' 8 e, s o l o allora, i due n u meri potra n n o ven i r sommati. Nel n ostro sem p l i ce sistema, q u esta memoria è costi tu ita da solo q u attro blocc h i costitutiv i , c h iamati " reg istri a t rasferimento" od a
"scorri mento". S i n oti che o g n i registro è d iviso i n d ue parti o scom parti menti. Q ue sti due sco m parti menti sono suffi cienti per i m m agazz i n are i due n u meri da somma re. Prima che i n u meri vengano real mente som mati, le q u attro cifre del nostro primo n u mero vengono memorizzate neg l i sco m parti menti più a destra, contrasseg nati con la lettera "A". I l secondo nu mero da sommare verrà memorizzato neg l i scom parti menti più a s i n i stra, contraddistinti con la lettera " B " . Ma poss iamo introdu rre i n u meri solo u n o alla volta.
Ved iamo come avviene questa memorizzazione. l reg istri a trasferi m ento, co me dice il loro nome, reg istrano o trattengono l ' i nformazione e poi la trasferiscono. Le due parti del reg istro a trasferi mento, che abbiamo chiamato sco m parti menti, sono, i n realtà, dei c i rc u iti a comm utazione, chiamati "fl i p-fl op".
V i sono diverse specie di fi i p-flop e i l part i co lare tipo che abbiamo qui è chia mato "tipo D". l fl i p-flop ven gono usati nei sistemi d i g ital i per u n a funzione molto i m J:}ortante - quella di immagazzinare o memorizzare dei dati . O g n i fii p-flop può me morizzare un bit d'informazione - u n 1 od u n o O .
C O M E FUNZIONANO l FLI P-FLOP I N UN R E GISTRO A SCO R R I M ENTO? O g n i fii p-flop, nel nostro sistema, ha un i n g resso ed u n ' uscita per le i nforma zioni d i g ita l i , più u n i n g resso d i clock, che fornisce u n segnale d i comando, i l q uale dice al f l i p-flop q uando deve scattare (Vedi Fig. 4.3) . I l comando p roven iente dal clock ( ritmatore) è u n seg nale d i tensione bi nario prodotto dal pu lsante portante la scritta " memorizza" (store) , s u l l a tastiera. Q uando si preme m omentaneamente questo p u l sante, esso i nvia u n i m p u lso d i clock ( la tensione d i clock sale e poi scen de n u ovamente) a tutti i f i i p-flop. Un i m pu lso di clock fa sì che l ' uscita di un fi i p-flop salti (fl i ps) a uno o cada (flops) a O, a seconda d i quale bit si p resenta in i n g resso. Quando un fl i p-fl op del tipo D ri ceve un i m p u l so di clock, esso " ricorda" il bit che viene ri cevuto a l l ' i n g resso in q u el momento, memorizzando lo sotto forma d i 1 o di O e prevedendolo i n uscita, s i n o a che non arrivi l ' i m pulso di clock su ccessivo. COSA SUCCEDE QUANDO I L FLIP-FLOP VA SU?
La F i g u ra 4.3 i n d i ca l a successione di eventi in uno dei reg istri a scorri mento, quando vengono memorizzati due n u meri . Consideriamo il registro a scorri mento che memorizza l ' i nformazione proveniente dal fi l o 4. S u pponiamo che q u esto filo stia ora convog l iando u n 1 . Appena arriva un i m p u lso dal clock, l a tensione uscente dal primo fii p-flop sale a l l o stato logico 1 . Q uesta co ndizione permane - ci oè l' uscita rimane a 1 - fi ntantoché non cambia la tensione i n i n g resso e il clock non i nvia un altro i m p u lso di comando.
La n u ova tensione in i n g resso è uno O logico. A l l ' i m m i ssione d i q u esto seg na le, viene premuto i l p u l sante " memorizza", che trasmette u n altro i m pu lso d i c l ock. E' a q u esto pu nto che avviene i l trasferi mento. Il seg nale in i n g resso al pri mo fl i p flop è u n o O . L'ingresso del secondo fii p-flop e u n 1 , perché è q uesto valore che è memorizzato a l l ' uscita del pri mo fii p-fl op. Così , su comando del l ' i m pu lso d i clock 1'1 viene trasferito a l l ' uscita del primo fl i p-flop. l n q uesto m odo, entram be le cifre desi derate vengono " m emorizzate" al loro posto.
Non c'è n u l la di m i sterioso nel funzionamento dei fii p-flop. Essi sono sem pl i cemente dei c i rcu iti comm utatori riu n iti nella com b i n azione g i usta. L'i nformazione conservata n el l a memoria viene cont i n uamente trasmessa al l'addizionatore, che è
stato spiegato nel capitolo precedente; l'addizionatore decide q uant'è la somma e la risposta appare q u asi istantan eamente alle sue c i n q ue uscite. M a l'i nformazione al le cinque uscite è i n fo rma binaria e a noi occo rre u n' uscita decimale.
A I N G R ESSO B A o o CLOCK B I N G R ESSO B A 1 o CLOCK c I N G R ESSO B A o 1 o CLOCK D I N G R ESSO B A o o 1 CLOCK Figura 4.3
Così , l a pross i m a cosa che dobbiamo fare è d i riconverti re l a risposta binaria a 5 bit i n forma deci male. Perciò i m pieghiamo u n altro complesso d i gate logici c h i a mato, abbastanza p ropriamente,. "convertitore bi nario-dec i male". Q u esto, a sua volta, comanda i dispositivi d i visual izzazione.
COM E VENGONO VISUALIZZATE LE DECIS I O N I?
I l compito del lo stad io attivo d i q uesto sistema è d i visual izzare l a risposta pro ven iente dall' uscita del lo stadio decisionale. Vi sono, nat u ra l mente, molti modi di presentare vis i b i l mente u n ' i nformazione; così i l n ostro sistem a può azionare delle stampanti che reg istrano le risposte su carta o far uso di tubi a scarica di gas che dan no u n a presentazione l u m i nosa dei n u meri. M a, nel nostro sistema campione, fac ciamo uso, diciamo, di d iodi a em issione l u m i n osa - cioè di p i ccole lampad i ne a se m i cond uttori - d isposti i n una matrice, i n modo da poter ven i r acces i selettivamente a formare del le cifre. Essi vengono inseriti al momento g i usto dal co nvertitore di uscita e la risposta appare s u l frontale del l ' i n d i catore - nel nostro caso si ha u n 1 4, somma di 6 e d i 8.
Così , i n F i g u ra 4.2, abbiamo uno schema a blocc h i relativo a u n sistema com pleto costru ito i ntorno a l l 'elemento decisionale che abbiamo anal izzato nel capitolo precedente. Come potete vedere, è u n sistema com pleto, con stadi sensori , decisio nal i e attivi. N atura l mente, si tratta di u n sistema picco l o - u n progetto potrebbe pro bab i l mente metterl o tutto i n u n contenitore dal le d i mens i o n i di u n pacc hetto di siga rette - ma adesso potete d i re d i avere analizzato u n sistema elettro n i co completo. E i n q u esto sem p l ice sistema abbiamo visto tutte le parti essenziali che ent �ano anche nel calcolatore p i ù g rande del mondo - i n g resso, uscita, elaborazione e memoria. Q uesto è i l mass i m o a c u i ci spin geremo nel l a nostra d iscussione s u l l'organ izzazio ne dei siste m i . Adesso, siamo pronti a vedere come i sem i cond uttori si possono in seri re nei siste m i .
I N CHE MODO D I FFERISCONO l S ISTE M I UNO DALL'ALTRO?
Abbiamo i n d i cato le caratteristi che fondamenta l i com u n i a tutti i sistemi elet tro n i c i . M a, dopotutto, i sistemi non sono tutti s i m i l i . E' vero che tutti i sistemi posso no ven i r suddivisi neg l i stad i sen sori , decisionali e attivi . E tutti i siste m i o manipola
no le i nformaz i o n i o lavorano. Ciononostante, f sistem i differisco no u n o dal i'altro e
queste differenze han no u n i nfl usso ben defi n ito s u l l a scelta dei tipi d i sem icond ut tori che entrano i n ess i .
P e r chiarire q u este differenze, confrontiamo i l nostro sistema addizionatore di F i g u ra 4.2 con i l sistema radar rappresentato i n F i g u ra 4.4.
Il funzionamento del radar viene contro l l ato da u n ' u n ità centrale, che possia mo chiam are l o stad io decisionale. Esso risponde ag l i ord i n i p roven ienti dalla cen trale d i contro l l o, che ha una funzione rivelatrice - i n altre parole si ha u n' i m m issione
di i nformaz i o n i . Ed abbiamo un i n d i catore radar, un visual izzatore dell'i nformazio ne n e l l a forma desiderata. Lo stadio attivo contiene poi u n trasm ettitore rad io con u n 'ante n n a d i rezionale, p e r trasm ettere deg l i i m pu lsi d i onde rad io su comando del l o stad io decisionale.
Potete rapidamente riconoscere le som i g l ianze fra i due siste m i . M a potete an che rico noscere le differenze fra essi . Elenchiamo le differenze; la differenza più evi dente è una di c u i abbiamo g i à parlato: la macc h i n a add izionatrice fa uso di i nfor mazio n i d i g ita l i e i l radar, come la g ran parte delle apparecc h i atu re rad io, usa
i nformaz i o n i analog iche. E, a causa di q u esta d ifferenza nel m odo di usare l ' i nfor mazione, n oterete anche che i l radar contiene principal mente dei c i rcu iti a m p l ifica tori e dei semicond uttori d i tipo a m p l ificatore, mentre l'addizionatore i m p iega dei c i rcuiti a com m utazione e dei sem i cond uttori di tipo comm utatori.
Per d i p i ù , la trasm issione rad io, come abbiamo visto, si basa su dei seg n a l i d i freq uenza relativamente elevata - mentre i siste m i d i g ital i fu nzionano molto bene a freq uenze relativamente basse. l nfi ne la magg ior d ifferenza è che i sistemi d i g ital i ri ch iedono solo abbastanza potenza per co m m utare i c i rcuiti; per contro, il sistema
\ \ \ \ \ \ l
DECIDERE (S ENTIRE) INDICATOR E RADAR (AGIRE) Figura 4.4radar necessita d i u n fo rte i m pu lso radio, capace d i propagarsi a molti c h i l o m etri di distanza e d i p rod u rre una riflessione abbastanza forte per ritornare i n d i etro e ven i r rivelato. N e i modern i siste m i radar, c i ò s i g n ifica sem icond uttori d i potenza nello stad io trasmettitore.
R iassu miamo q u este d i fferenze:
Addizionatrice Sistema radar
- Fa uso di i nformazion i d i g ital i - Fa uso d i i nformazioni analogiche
- Fa uso d i c i rcu iti d i com m utazione e di - Fa uso d i c i rcuiti ampl ificatori
sem icond uttori di tipo com m utatori
- Bassa freq ue nza - Alta freq uenza
- Bassa potenza - Alta potenza
Dovremo i noltre tener presente che l e differenze q u i elencate posson o esiste re entro lo stesso sistema. Consi deriamo di n u ovo il radar. Benchè il rad iori cevitore e i l rad iotrasmettitore facciano uso d i i nfo rmazioni analog iche, altre parti del siste ma, come lo stadio decisionale, possono i m p iegare i nformazioni d i g ital i . Per d i p i ù , si trovera n n o c i rc u iti a d alta freq uenza s o l o n e l l e d u e sezioni rad io. E non tutte le parti d i q u esto sistema ric h i edono potenza elevata; la sezione decisionale, certa mente, non la rich iede e la console di comando p roba b i l m ente neppure.
E' q u i n d i evide nte che le funzion i , variabi l i da u n sistema all'altro ed anche en tro uno stesso sistema, richiedono d iverse specie d i semicond uttori. E vi sono, natu ral mente, molte prescrizioni parti colari, ma i m portanti, che i n d ucono un progettista a sceg l iere un d ispositivo piuttosto di un altro, per og n i fu nzione. Malgrado ciò, è uti l e divi dere tutti i semicond uttori in poche ma estese categ orie per ch iarirci le idee.
Q U ALI SONO LE P R I N C I PALI CATEGO R I E D I S E M I CON DUTTO RI?
La Fig u ra 4.5 presenta u n "al be ro genealog ico" che abbraccia tutti i sem icon d uttori. La base per la loro suddivisione nelle diverse categorie è data dalle loro ap-
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