COMPLEMENTI - secondo modulo

Nell’affrontare lo studio di metodologie informatiche noi useremo vari elaboratori digitali quali calcolatrici tascabili, PC, ...

Per seguire meglio il percorso dei dati faremo spesso uso di termini quali tastiera, memoria, bus dei dati, interfaccia, ecc.

Spesso questi termini collocano l’elettronica in un mondo quasi magico dove solo gli “esperti” possono orientarsi e provocano un senso di disagio in chi “esperto” non è.

Nel tentativo di attenuare questa sensazion, si cercherà di fare qui di seguito qualche cenno alla tecnologia elettronica per poter arrivare ad una pur vaga conoscenza della struttura di un computer e smitizzare le sue presunte “magie”.

Ci si potrà così fare un’idea più precisa su quello che si può e quello che non si può ottenere da una qualsiasi delle macchine di elaborazione a nostra disposizione.

Per saperlo cominciamo con l’osservare che ogni macchina elettronica fa parte della ben più vasta famiglia dei sistemi elettrici.

Dal frullatore al sistema antifurto della nostra auto, possiamo constatare che ogni sistema elettrico manipola dati, o svolge un lavoro, o fa entrambe le cose sempre sfruttando i suoi tre fondamentali elementi di organizzazione:

I dati che vengono introdotti nel sistema dall’esterno spesso non sono di tipo elettrico (es. la posizione delle lancette per la sveglia, la temperatura ambiente in un sistema di riscaldamento …)

Essi vengono in qualche modo interpretate ed incanalate attraverso il sistema stesso che, in base al proprio schema decisionale, le converte in azione.

In ingresso vi sono vari tipi di dati: quelli derivanti dal comando manuale del volume, del tono, ecc., quelli contenuti in un nastro magnetico o nelle tracce di un CD, quelli provenienti dall’esterno attraverso l’antenna.

I corrispettivi dispositivi di ingresso (potenziometri, testine magnetiche, rilevatori ottici, …) trasformano tali dati in segnali elettrici. È la fase del sentire.

In base ai segnali ottenuti un dispositivo amplificatore regola il segnale destinato all’altoparlante.

Alla fine, il segnale elettrico amplificato viene trasformato nella vibrazione meccanica di una membrana che produce il suono. È la fase dell’agire.

Il rilevamento e la risposta sono stati effettuati attraverso dispositivi che, per questa loro proprietà di mettere in comunicazione il sistema elettrico o con in mondo esterno, o con un altro sistema elettrico, si dicono “interfacce”.

È importante notare che l’elaborazione dei segnali elettrici provenienti dalle interfacce (e quindi la decisione) dipende dal circuito elettrico (o logico) predisposto all’interno dell’amplificatore.

Ora, visto che anche il computer rientra in questi sistemi elettrici e visto che a noi interesserà avere qualche idea sulla relativa parte “decisionale”, sarà utile, nel seguito, apprendere alcuni elementi sulle reti logiche e la loro applicazione.

Gli ultimi anni hanno visto la nascita e lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici. Calcolatrici tascabili, giochi elettronici, computer sono entrati a far parte della nostra vita affiancando radio, televisione, stereo e registratore.

In ognuno di questi dispositivi i dati da elaborare, controllare o trasmettere sono fisicamente rappresentati da segnali di tensione o corrente.

Un rapido confronto per esempio fra una radio ed una calcolatrice permette di rilevare notevoli differenze fra i segnali da esse utilizzati: le due forme in cui questi si presentano si possono distinguere in analogica e digitale.

In un sistema analogico il segnale da elaborare rappresenta istante per istante il dato in ingresso: esso può assumere qualsiasi valore nel suo campo di variazione e poco si presta ad essere memorizzato a lungo nel tempo. La precisione con cui il segnale può essere elaborato in modo analogico è comunque limitata. Un esempio interessante di elaboratore analogico è la decodifica del segnale in modulazione di frequenza all’interno del sintonizzatore della radio, nella quale anche il comando di selezione effettuato mediante la manopola è di tipo analogico.

I sistemi digitali elaborano invece segnali che possono avere solo due valori logici: 1 o 0 ; vero o falso. Tali segnali sono facilmente realizzati con due livelli di tensione (basso per lo 0, alto per l’1) e i circuiti occorrenti risultano semplici, affidabili e pressoché immuni dal rumore. La memorizzazione di tali segnali non costituisce un problema di difficile soluzione.

Proprio questa possibilità di memorizzare dati in modo rapido e conveniente ha determinato il successo dell’elettronica digitale.

Se guardiamo la nostra calcolatrice potremo ritrovare i vecchi concetti del sentire, decidere, agire:

ma questa volta sia in ingresso sia in uscita potremo avere, oltre ai dati provenienti dal mondo esterno o destinati ad esso, dati ed istruzioni memorizzate all'interno.

Questi sistemi quindi sentono, (rilevano, o accettano) i dati di vario formato che provengono dal mondo esterno e li convertono in una forma che può essere elaborata entro il sistema.

Poi prendono decisioni basandosi su questi dati di ingresso, ossia li elaborano.

Nel fare ciò possono memorizzare o “ricordare” per un certo tempo o stabilmente alcuni dati o elaborarli assieme ad altri memorizzati al proprio interno.

Per finire, prendono i dati risultanti da tali elaborazioni ed agiscono sul mondo esterno, convertendoli nuovamente in una forma fruibile all’esterno, oppure esercitando un controllo su operazioni o macchine.

La tastiera ed il codificatore della nostra calcolatrice sentono il dato e lo convertono in una adatta forma interna.

La decodifica dei segmenti e il sistema di display, infine, convertono il dato risultante dalle elaborazioni eseguite nell’azione richiesta e cioè di visualizzare la cifre e i segni del risultato sul display.

Noi cercheremo ora di seguire il flusso di questi dati dall’entrata da tastiera all’uscita sul display. Sarà poi più facile, attraverso semplici analogie, immaginare gli analoghi percorsi all’interno di un computer.

Per il laboratorio sono state realizzati cinque contenitori. All’interno dei primi tre sono state alloggiate rispettivamente tre porte logiche AND, tre OR, quattro NOT. Gli altri due contenitori sono stati utilizzati per il collegamento alla rete elettrica e per l’alloggiamento di quattro Led.

La correttezza dei collegamenti viene visualizzata attraverso l’accensione di un Led.

Il metodo precedentemente descritto, che negli esercizi per casa viene applicato ad esempi alquanto semplici, diventa improponibile se aumenta il numero di variabili. quindi si preferisce progettare la rete partendo da una tabella che riassuma i risultati preventivati

Esempio: data la tabella seguente che riassume le richieste all’esecutore (in questo caso la macchina) dove A, B, C sono gli ingressi e U l’uscita desiderata

A	B	C	U
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	1

si può scrivere in corrispondenza l'espressione:

che corrisponde alla rete:

(in effetti esistono porte logiche a più ingressi ma si è preferito non aggiungere ulteriori complicazioni e usare esclusivamente porte binarie).

Se l’espressione e la corrispondente rete logica sono troppo complessi si può ricorrere al calcolo proposizionale per semplificarli.

Dal che si deduce che l’unico input interessante è A e che B e C sono indifferenti.