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href="/w/index.php?title=Elettronica_digitale&action=history"><span>Cronologia</span></a></li> </ul> </div> </div> <div id="p-tb" class="vector-menu mw-portlet mw-portlet-tb" > <div class="vector-menu-heading"> Generale </div> <div class="vector-menu-content"> <ul class="vector-menu-content-list"> <li id="t-whatlinkshere" class="mw-list-item"><a href="/wiki/Speciale:PuntanoQui/Elettronica_digitale" title="Elenco di tutte le pagine che sono collegate a questa [j]" accesskey="j"><span>Puntano qui</span></a></li><li id="t-recentchangeslinked" class="mw-list-item"><a href="/wiki/Speciale:ModificheCorrelate/Elettronica_digitale" rel="nofollow" title="Elenco delle ultime modifiche alle pagine collegate a questa [k]" accesskey="k"><span>Modifiche correlate</span></a></li><li id="t-specialpages" class="mw-list-item"><a href="/wiki/Speciale:PagineSpeciali" title="Elenco di tutte le pagine speciali [q]" accesskey="q"><span>Pagine speciali</span></a></li><li id="t-info" class="mw-list-item"><a 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</p> <div class="permissions-errors"><div class="mw-permissionerror-globalblocking-blockedtext-range"><b>Il tuo indirizzo IP è in un intervallo che è stato <a href="https://meta.wikimedia.org/wiki/Special:MyLanguage/Global_blocks" class="extiw" title="m:Special:MyLanguage/Global blocks">bloccato su tutti i wiki della Wikimedia Foundation</a>.</b> <p>Il blocco è stato eseguito da <a href="/wiki/Utente:Jon_Kolbert" title="Utente:Jon Kolbert">‪Jon Kolbert‬</a>. 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Il termine [[Digitale (informatica)|digitale]] deriva dal termine inglese ''digit'' (cifra), per il fatto che i [[computer|calcolatori]] elettronici operano mediante l'elaborazione di quantità numeriche elementari, i ''[[bit]]''. Il termine è una contrazione dell'espressione inglese ''binary'' ''digit'', che significa ''cifra/numero binario''. Questo termine, a sua volta, deriva dal latino ''digitus'' che, nell'italiano corrente, viene tradotto con ''numero'', per questo motivo viene definita impropriamente anche ''elettronica numerica''. == Storia == [[File:Glen Beck and Betty Snyder program the ENIAC in building 328 at the Ballistic Research Laboratory.jpg|thumb|L'[[ENIAC]]]] L'elettronica digitale ebbe inizio praticamente nel [[1946]], con un [[computer|calcolatore elettronico]] digitale chiamato [[ENIAC]], realizzato con circuiti a [[valvola termoionica|valvole]]. Tuttavia, l'idea che sta alla base di un computer digitale può risalire a [[Charles Babbage]], che costruì un dispositivo meccanico di calcolo. Il primo computer digitale venne costruito nel [[1944]] alla [[Università di Harvard|Harvard University]], ma era ancora di tipo elettromeccanico, non elettronico. Anche se per molti anni il digitale rimase confinato nel settore dei computer, oggi le tecniche digitali trovano impiego in moltissime altre aree, dalla telefonia, all'elaborazione dei dati, dal [[radar]], ai sistemi militari, dagli strumenti di uso medico, fino a prodotti di ampio mercato. A partire dalla seconda metà del [[XX secolo]] la tecnologia digitale ha fatto grandi passi avanti, evolvendosi dalle [[valvola termoionica|valvole]] ai [[circuito integrato|circuiti integrati]] e ai [[microprocessore|microprocessori]]. Inoltre si è diffusa anche nel settore televisivo, con il digitale terrestre. == Concetti chiave == L'elettronica digitale ha a che fare con circuiti e sistemi che funzionano gestendo due soli possibili stati di funzionamento, ad esempio due livelli di tensione, oppure due diversi livelli di corrente. Nei sistemi digitali i due diversi stati servono a rappresentare numeri, simboli, caratteri, colori, immagini, suoni e altre informazioni. Nei sistemi numerici a due stati, detti sistemi binari, le due cifre sono 0 e 1, e ciascuna di esse costituisce ciò che viene appunto chiamato ''bit''. === Segnali logici === [[File:segnaliandi.jpg|thumb|Esempio di segnale analogico in alto e di segnale digitale in basso]] Come si vede in figura un [[segnale (fisica)|segnale]] analogico può assumere, in un determinato istante, tutti i valori continui appartenenti ad un certo intervallo di [[Numero reale|R]]. Un segnale digitale invece può assumere solo determinati valori, ad esempio uno alto e uno basso, come nella figura a lato, che riporta un segnale binario. La differenza fondamentale tra i due tipi di segnale è che mentre nei segnali analogici l'informazione è contenuta nella "forma" stessa del segnale, nei segnali digitali l'informazione da elaborare è codificata in serie di simboli (0 e 1). La forma del segnale non ha quindi importanza: basta che sia possibile discernere in ogni istante a quale valore logico corrisponde il segnale. Anche un segnale digitale è fisicamente un segnale analogico. L'[[onda quadra]] perfetta mostrata in figura è in realtà un'idealizzazione matematica che nella realtà non esiste poiché il [[Rumore (elettronica)|rumore]] la farà "fluttuare". Inoltre la [[relatività speciale]] di Einstein impedisce alle transizioni da uno stato fisico (o valore logico) all'altro di essere istantanee, ovvero con velocità di transizione infinita. Tuttavia quello che conta è che le fluttuazioni si mantengano entro un certo margine, in modo che non si perda l'informazione, ovvero si evidenzino due diversi stati fisici possibili (alto e basso) su cui costruire la logica binaria d'interesse (ad es. l'[[Algebra di Boole]]). === Perché si preferisce l'elettronica digitale a quella analogica === [[File:Intel_80286_68pin_plastic_10mhz_2007_03_27.jpg|thumb|[[Microprocessore]]]] Come detto in precedenza i segnali digitali sono anch'essi in realtà dei segnali analogici, ma ad essi sono assegnati solo i 2 livelli logici che il segnale può assumere. Tutti i segnali sono soggetti al rumore che può alterarne i valori, ma una caratteristica che distingue i circuiti digitali da quelli analogici è l'alta capacità di reiezione ai disturbi, che però, come detto prima, devono mantenersi entro un certo margine. Questa caratteristica è dovuta ad una proprietà intrinseca dei circuiti digitali, che è quella di ripristino dei livelli logici 0 e 1 dei segnali che li attraversano, pur distorto da rumore o effetti inattesi. L'operazione di ripristino è effettuata utilizzando un circuito con funzione di trasferimento a soglia: al di sopra della soglia viene riconosciuto il bit alto, al di sotto il bit basso; in questo modo un segnale inizialmente distorto in ingresso nel passaggio attraverso questo circuito, detto interfaccia o [[buffer]], viene ripristinato ai suoi livelli logici primitivi. L'elemento base dell'elettronica digitale è l'invertitore, che oltre a godere della proprietà di ripristino dei livelli logici, implementa la funzione logica NOT di negazione. Tramite questa configurazione, e opportune modifiche circuitali applicate ad essa, è possibile realizzare le funzioni base dell'[[algebra booleana]] ed implementare, quindi, tutte le porte e le funzioni logiche. Nelle [[trasmissioni digitali]] inoltre l'introduzione di tecniche di [[codifica di canale|codifica/decodifica di canale]], possibili solo per segnali digitali, migliora ulteriormente le prestazioni rispetto agli errori. Inoltre nelle stesse trasmissioni tecniche di [[codifica di sorgente|codifica/decodifica di sorgente]] riescono a diminuire la ridondanza del messaggio informativo a vantaggio della compressione di banda. == I livelli di astrazione == [[File:Strati 2005.jpg|thumb|I livelli di astrazione]] Un sistema elettronico digitale può essere visto a diversi livelli di astrazione: * A '''livello di sistema''' è noto ciò che il sistema deve fare ma non la sua struttura fisica. Il sistema è composto da vari elementi di processo (processing elements) che interagiscono tra di loro (utilizzando [[protocollo di comunicazione|protocolli di comunicazione]]). A questo livello un linguaggio formale per descrivere i sistemi è il [[SystemC]]: una serie di librerie [[C++]] open source per la modellazione e simulazione di sistemi elettronici HW/SW (https://web.archive.org/web/20081006172519/http://systemc.org/). * A '''livello architetturale''' il sistema elettronico è un insieme di componenti più o meno standard (registri, ALU, multiplexer) connessi fra di loro. A questo livello si utilizzano linguaggi detti HDL (hardware description language) come il [[VHDL]] o il [[Verilog]]. * A '''livello logico''' ogni componente dell'architettura è una [[rete logica]] che svolge il compito previsto. Una rete logica è un insieme di connessioni di [[porta logica|porte logiche]] (AND, OR, XOR NOT, ecc.). * A '''livello circuitale''' ogni [[porta logica]] viene realizzata tramite un circuito (il cui elemento base è il [[transistor]]). Si possono avere vari stili di realizzazione delle porte logiche a seconda del tipo di transistori che vengono usati. * Il livello più basso è il '''livello di layout''', in cui vengono specificate nel dettaglio le dimensioni di ogni singolo transistor e di ogni connessione. === Livello di sistema === [[File:Vhdl_signed_adder_source.svg|thumb|[[VHDL]]]] {{vedi anche|SystemC}} === Livello architetturale === {{vedi anche|VHDL}} === Livello logico === Si distinguono due categorie di reti logiche: '''reti combinatorie''' e '''reti sequenziali'''. Le reti combinatorie sono reti per cui le uscite dipendono solo dagli ingressi. Le reti sequenziali sono invece reti per cui le uscite dipendono sia dagli ingressi che dalla "storia" del sistema. Il sistema ha uno stato, che è un elemento di memoria e tiene conto dell'evoluzione passata del sistema. ==== Reti combinatorie ==== {{vedi anche|Circuito combinatorio}} {| class="wikitable" style="text-align:center; float:right; margin:1em;" |- ! A || B || C || X || Y |- | 0 || 0 || 0 || 0 || 1 |- | 0 || 0 || 1 || 0 || 0 |- | 0 || 1 || 0 || 1 || 1 |- | 0 || 1 || 1 || 0 || 1 |- | 1 || 0 || 0 || 1 || 0 |- | 1 || 0 || 1 || 1 || 1 |- | 1 || 1 || 0 || 0 || 1 |- | 1 || 1 || 1 || 0 || 1 |- | colspan="5" |Funzione logica a 3 ingressi e 2 uscite |} Si vogliono sintetizzare delle '''funzioni logiche'''. Utilizzando un linguaggio informale, le funzioni logiche sono delle funzioni matematiche aventi come "ingressi" e come "uscite" dei segnali logici. Le funzioni logiche possono essere espresse mediante le tavole di verità. Esiste un teorema ([[teorema di Shannon (elettronica)|teorema di Shannon]]) abbastanza intuitivo che permette di affermare che qualsiasi funzione logica può essere espressa come somma di prodotti degli ingressi, intendendo per somma l'operazione logica elementare OR e con prodotto l'operazione logica AND. Ad esempio, nella figura basta vedere le combinazioni di ingressi per cui si ha Y=1: <math>Y=(not(A))*(not(B))*(not(C))+(not(A) * B *(not(C))+ (not(A)*B*C)+ (A*(not(B))*C)+ (A*B*not(C))+(A*B*C)</math> È possibile quindi ridurre funzioni logiche complesse a combinazioni di funzioni logiche elementari. Esistono poi dei metodi (ad esempio basati sulla [[Mappa di Karnaugh]]) che permettono di minimizzare questa scomposizione, in modo da avere una rete logica più semplice possibile. Questo tipo di sintesi si chiama AND-OR. Per le [[teoremi di De Morgan|leggi di De Morgan]], è possibile fare sintesi OR-AND, NAND NAND ecc. ===== Componenti combinatori standard ===== [[File:ALU_symbol.svg|thumb|[[Arithmetic Logic Unit|ALU]]]] * [[Encoder (elettronica)|encoder]] * [[Decoder (elettronica)|decoder]] * [[multiplexer|multiplexer / demultiplexer]] * [[parity checker]] * [[majority gate]] * [[full-adder]] * [[half-adder]] * [[comparatore (elettronica)|comparatore]] * [[Arithmetic Logic Unit]] * [[Amplificatore tri-state]] ==== Reti sequenziali ==== {{vedi anche|Circuito sequenziale}} [[File:T-Type_Flip-flop.svg|thumb|[[Flip-flop]]]] Le reti sequenziali possono essere realizzate dalle cosiddette [[automa a stati finiti|macchine a stati]]. La struttura più semplice delle macchine a stati è quella delle macchine a stati di Moore. Queste sono composte da una rete combinatoria, seguita da un [[registro (informatica)|registro]] che è seguito da un'altra rete combinatoria. La prima rete combinatoria oltre agli ingressi esterni ha come ingressi le uscite del registro: si realizza così una retroazione. La macchina a stati è quindi un sistema le cui uscite dipendono sia dagli ingressi sia dallo stato del sistema stesso (rappresentato dal registro). Le reti sequenziali rappresentano quindi dispositivi con memoria. Essi sono costituiti da una opportuna combinazione di un circuito a logica combinatoria e una memoria. La memoria può essere dotata di un ingresso di [[clock]] o meno. Nel caso in cui il clock sia presente, la rete è un dispositivo sincrono, viceversa è un dispositivo asincrono. ===== Componenti sequenziali standard ===== * [[latch]] (ne esistono di vari tipi tipo-D, tipo-SR) * [[flip-flop]] (tipo-D, tipo-SR, tipo-JK, tipo-T) * [[contatore]] * [[registro a scorrimento]] === Livello circuitale === {{vedi anche|Porta logica}} [[File:TexasInstruments_7400_chip,_view_and_element_placement.jpg|thumb|[[Porta logica]] e microchip]] ==== Scale d'integrazione ==== La necessità di creare funzioni logiche sempre più elaborate in spazi sempre più ridotti ha portato alla realizzazione dei circuiti integrati (''IC = Integrated Circuits''). Si tratta di circuiti complessi, che svolgono le funzioni elettriche di molti componenti discreti (in massima parte resistori, diodi e [[transistor]]), realizzati su singole piastrine di [[silicio]]. In relazione al livello di integrazione è possibile fare la seguente classificazione: * ''piccola scala di integrazione SSI'' (''Small Scale Integration''), se il numero di porte logiche è inferiore a 12 e non sono presenti più di 100 [[transistor]]; * ''media scala di integrazione MSI'' (''Medium Scale Integration''), se il numero di porte logiche è compreso tra 12 e 100 e non sono presenti più di 1000 [[transistor]]; * ''larga scala di integrazione LSI'' (''Large Scale Integration''), tra le 100 e le 1000 porte e fino a 10000 [[transistor]]; * ''molto larga scala di integrazione VLSI'' (''Very Large Scale Integration''), oltre le 1000 porte e più di 100000 [[transistor]]. Attualmente si considera anche la '''ULSI''' (''Ultra Large Scale Integration'') per gli integrati con più di 10000 porte. Per integrati non digitali la scala d'integrazione è valutata considerando situazioni circuitali di complessità equivalente a quelle delle porte logiche. Questi dispositivi integrati sono realizzati in contenitori di diverso tipo, in relazione alle diverse esigenze. === Livello di layout === {{vedi anche|Componente elettronico}} == Bibliografia == *{{Cita testo|titolo=Introduzione pratica all'impiego dei circuiti integrati digitali|url=https://archive.org/details/introduzionepraticaallimpiegodeicircuitiintegratidigitali|autore=F. Huré|editore=Gruppo Editoriale Jackson|anno=1981|ISBN=}} *{{Cita testo|titolo=Elettronica digitale con esperimenti – Dalle porte logiche ai flip-flop|url=https://archive.org/details/elettronicadigitaleconesperimenti|autore=|editore=Gruppo Editoriale Jackson|anno=1989|ISBN=}} *{{Cita testo|titolo=Tecniche di elettronica digitale|url=https://archive.org/details/tecnichedielettronicadigitale|autore=Umberto Pellegrini|editore=La Viscontea|anno=1979|ISBN=}} *{{Cita testo|titolo=Elementi di elettronica digitale|url=https://archive.org/details/elementidielettronicadigitale|autore=Noel M. Morris|editore=Ulrico Hoepli|anno=1981|ISBN=}} == Voci correlate == * [[Circuito digitale]] * [[Elettronica]] * [[Elettronica analogica]] * [[Sistemi digitali]] * [[Sistema embedded]] == Altri progetti == {{interprogetto|preposizione=sull'|wikt=elettronica digitale}} {{Elettronica digitale}} {{Controllo di autorità}} {{portale|elettronica|elettrotecnica|scienza e tecnica}} [[Categoria:Elettronica digitale| ]] </textarea><div class="templatesUsed"><div class="mw-templatesUsedExplanation"><p>Template utilizzati in questa pagina: </p></div><ul> <li><a href="/wiki/Circuito_combinatorio" title="Circuito combinatorio">Circuito combinatorio</a> (<a href="/w/index.php?title=Circuito_combinatorio&action=edit" title="Circuito combinatorio">modifica</a>) </li><li><a href="/wiki/Circuito_sequenziale" title="Circuito sequenziale">Circuito sequenziale</a> (<a href="/w/index.php?title=Circuito_sequenziale&action=edit" title="Circuito sequenziale">modifica</a>) </li><li><a 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