I mattoni elementari dei computer

Come abbiamo visto, la tecnologia che ha permesso di giungere alla realizzazione dei calcolatori programmabili non è stata quella meccanica, secondo la strada intrapresa da Babbage, ma bensì quella elettronica. Un problema importante che si presentò nella realizzazione dei moderni calcolatori elettronici fu quello relativo alla scelta di un'opportuna rappresentazione delle informazioni numeriche: metodo analogico o digitale? La scelta decisiva fu quella di tipo digitale con la rappresentazione dei numeri e più in generale di tutte le informazioni in forma binaria.

Studiando la struttura di un moderno computer può sorprendere che i componenti elementari con cui vengono realizzate queste macchine siano costituiti da semplicissimi circuiti, denominati porte logiche, facilmente realizzati con alcuni interruttori e pochi fili di collegamento. Il segreto dell'enorme potenza di calcolo dei moderni calcolatori è invece affidato a due fattori: l'altissimo numero di circuiti elementari che combinati insieme consentono di realizzare enormi reti di calcolo (le cosiddette reti logiche) dalle funzionalità via via più complesse; la straordinaria velocità con cui vengono aperti e chiusi gli interruttori di tali circuiti.

La chiave del successo delle reti logiche è legata alla loro capacità di implementare ed unificare il calcolo aritmetico in notazione binaria e il calcolo logico basato sulla logica binaria; quest'ultima fu introdotta dal matematico inglese G. Boole (1815-1864) intorno alla metà del secolo scorso.

Fig. 73. Una stazione del telegrafo Morse. Nel telegrafo, i caratteri di scrittura sono codificati mediante segnali elettrici di tipo digitale. L’invenzione del telegrafo risale a Samuel Morse nel 1837.

Fig. 74. Codice Morse usato in telegrafia. Il telegrafo codifica le lettere dell’alfabeto mediante una tecnica per certi versi simile al codice binario. Ciascuna lettera dell'alfabeto viene rappresentata mediante una sequenza composta da due tipi di segnali, "punto" (segnale elettrico di breve durata) e "linea" (segnale elettrico di lunga durata).

a) circuito chiuso, corrispondente a 1.

b) circuito aperto, corrispondente a 0.

c) i due stati elementari

Fig. 75 a, b, c. Circuito elementare per la rappresentazione di un bit. Il bit è la più piccola unità di informazione e designa uno dei due stati che codificano le informazioni all'interno dei computer: la presenza oppure l’assenza di un segnale elettrico. Il passaggio della corrente elettrica con l'interruttore chiuso e la lampadina accesa rappresenta il simbolo 1, mentre il non passaggio di corrente elettrica con l'interruttore aperto e la lampadina spenta rappresenta il simbolo 0. Il funzionamento dei circuiti elettrici di tutti i calcolatori moderni è basato su questi due stati elementari. Ovviamente, la rappresentazione di informazioni più complesse richiede l'uso di un insieme di bit.

a) Circuito dimostrativo: porta AND. Solo quando entrambi gli interruttori sono chiusi (cioè nello stato 1), la lampadina si accende.

b) Cicuito dimostrativo: porta OR. Quando almeno uno dei due interrutori è chiuso (cioè nello stato 1), allora la lampadina si accende.

Fig. 76 a, b. Le porte logiche possono essere realizzate mediante circuiti elettrici molto semplici combinando in modo opportuno diversi interruttori. Nella figura sono illustrate le porte logiche AND e OR realizzate con semplici interruttori e lampadine. Ogni porta logica elabora uno o più bit secondo una determinata operazione logica.

Fig. 77. Circuito dimostrativo: addizionatore binario (half-adder) realizzato con un relè. Un aspetto implementativo importante che è emerso fin dalla costruzione dei primi calcolatori è il fatto che tutti i diversi componenti della CPU possono essere realizzati mediante lo stesso tipo di circuiti: le reti logiche. Questi reti sono formate da più porte logiche connesse tra loro e permettono di elaborare informazioni anche molto complesse.

Fig. 78. Claude Shannon. Alla fine degli anni ‘30, il fisico e matematico americano Claude Shannon (1916-) del MIT, studiando i circuiti elettrici a relè comunemente utilizzati nelle telecomunicazioni, si rese conto che il loro funzionamento può essere descritto in termini logici utilizzando il calcolo proposizionale. In tale lavoro Shannon trasferì le idee di Boole al mondo dei circuiti digitali facendo comprendere la superiorità dell'approccio digitale rispetto a quello analogico.