Il sistema digitale

Cos’è e come funziona un sistema digitale?

In questo articolo ti parlerò del sistema digitale.

Ti spiegherò cos’è e come funziona.

Inoltre, ti presenterò un esempio classico di sistema digitale.

Iniziamo subito!

Introduzione al sistema digitale

Gli ultimi decenni hanno visto la nascita e lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici.

Smartphone, Tablet, Computer, Console, Smart-tv, Fotocamere, etc…, sono entrati a far parte della nostra vita, sostituendo le vecchie radio, i televisori, i telefoni, i cellulari, i giradischi, le videocamere e i videoregistratori.

In ognuno di questi vecchi dispositivi, le informazioni da elaborare, da controllare, o da trasmettere, erano fisicamente rappresentate da segnali di tensione o corrente.

E in quelli nuovi, invece?

I nuovi dispositivi elaborano le informazioni in modo differente dai vecchi.

Un rapido confronto, per esempio, fra una vecchia tv a tubo catodico ed una nuova tv, ci consente di rilevare notevoli differenze fra i segnali da esse utilizzati.

Si possono distinguere rispettivamente in analogica e digitale.

Ma quali sono queste differenze?

In un sistema analogico, il segnale da elaborare rappresenta, istante per istante, l’informazione in ingresso o in uscita.

Esso può assumere qualsiasi valore, ma poco si presta ad essere memorizzato a lungo nel tempo.

Invece, i sistemi digitali elaborano segnali che possono avere solo due significati logici, 1 o 0, vero o falso.

Tali segnali sono facilmente realizzabili con due livelli di tensione, basso per lo 0 e alto per l’1.

Questo sistema matematico prende il nome di codice binario ed è alla base di tutti i sistemi elettronici digitali.

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Cosa ha di speciale l’elettronica digitale

I sistemi digitali e quelli analogici risultano simili in quanto entrambi usano lo stesso tipo di componenti per elaborare i segnali elettrici :

diodi, transistor, resistenze, condensatori e così via.

Perciò, non sempre basta vedere all’interno di un apparecchio per capire, al primo sguardo, se esso è di tipo digitale o analogico.

La differenza nel modo in cui i segnali sono trattati permette, però, ai sistemi digitali di fare cose incredibilmente complicate, senza risultare particolarmente grossi, o costosi.

Troviamo dispositivi e applicazioni sempre nuove, sia in sostituzione dei vecchi sistemi analogici, sia in nuove realizzazioni, mai sviluppati prima d’ora.

Quindi, per stare dietro al progresso, non è più sufficiente sapere qualcosa su microfoni, altoparlanti, trasformatori, potenziometri, amplificatori, oscillatori, convertitori di frequenza, sintonizzatori, rivelatori, filtri, forme d’onda, adattamento di impedenze, reazione, risposta in frequenza, e tanti altri termini comuni usati nell’elettronica analogica.

Il futuro si muove con l’elettronica digitale, ed i nuovi termini di cui bisogna conoscere il significato sono:

Porte logiche, Flip-Flop, Contatori, Registri, Decodifiche, Numeri binari, TTL, MOS, Microprocessori e così via.

In questo articolo vedremo, attraverso l’esempio di un semplice dispositivo, di capire cosa c’è dentro e come funziona il sistema digitale.

E quando ti dico “semplice“, intendo proprio “semplice“.

Pensa solo che si inizia a parlare di elettronica digitale già da un banale interruttore per la luce di casa, fino poi ad arrivare, ad esempio, ad un computer.

Forse, a questo punto, ti sarai chiesto come sia possibile che un semplicissimo interruttore possa essere un sistema digitale.

Eh sì! Si tratta di un dispositivo digitale, il più elementare : 0 = luce spenta e 1 = luce accesa.

Questo è il codice binario applicato ad un interruttore.

Sappi che l’elettronica digitale opera in una vasta gamma di applicazioni.

Iniziamo con un esempio classico.

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Un esempio familiare di sistema digitale

Prendiamo un apparecchio che ti è familiare.

Una calcolatrice, come questa :

Un esempio familiare di sistema digitale - la calcolatrice
Foto da Pixabay

Ti sei mai chiesto quanto piccolo ed economico sia questo apparecchio, tenuto conto delle cose che è in grado di fare?

Molti anni fa, una calcolatrice elettrica era capace “solo” di sommare, sottrarre, moltiplicare e dividere.

Era però grande quanto una valigia e poteva costare anche qualche centinaia di migliaia di LIRE.

Assurda no!

Beh, vedendola con gli occhi di oggi, probabilmente sì.

Ma quando venne introdotta rappresentò una notevole innovazione, che ha poi aperto la strada allo sviluppo della tecnologia che conosciamo e che diamo per scontata.

Oggi è talmente piccola da stare nel palmo di una mano e costa solo qualche euro.

Questo dimostra come i sistemi digitali, col passare del tempo, siano diventati sempre più sofisticati, più piccoli e più economici.

Che dici, ci avevi mai pensato?

Oggi utilizziamo innumerevoli dispositivi elettronici digitali: Smartphone, Tablet, Pc, Decoder, Televisori, ecc.

È facile intuire che questi dispositivi, rapportati ad una calcolatrice, svolgono milioni di operazioni matematiche in codice binario in più.

Ma riprendiamo come esempio la calcolatrice.

Proviamo a capire quello che fa questo semplice dispositivo.

Cosa è in grado di fare?

Cosa succede, esattamente, quando premi un tasto?

Tastiera calcolatrice
Foto da Pixabay

Come detto in precedenza, oggi diamo per scontata l’esistenza di questi dispositivi e quindi il risultato può apparire non proprio sorprendente.

Insomma, si tratta solo di un tasto premuto che fa apparire un numero su un display.

Ma ti sei mai chiesto cosa succede al suo interno?

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Cosa succede dentro una calcolatrice tascabile

Prova a chiederti “che cosa fa apparire quella cifra?”…

Se dai un’occhiata un po’ più da vicino alla cifra illuminata, noterai che un numero è formato da 7 piccoli segmenti visibili per ogni cifra.

Cosa succede dentro una calcolatrice tascabile - esempio di sistema digitale
Foto da Pixabay

Se sono accesi tutti e sette i segmenti compare un 8.

L’accensione dei vari segmenti formano i numeri da 0 a 9.

I segmenti visualizzati di un display possono avere la forma di :

  • sottili barrette rosse;
  • file di piccoli punti rossi;
  • barre verdi un po’ più grosse;
  • barre scure non illuminate, come in foto.

Sono tutti diversi modi di realizzazione di un display a 7 segmenti.

Ma cosa provoca l’accensione di questi segmenti, per formare un numero?

Apparentemente, la pressione di un tasto invia un qualche tipo d’informazione in qualche punto interno della calcolatrice.

Significa che, alla pressione di un tasto, “diciamo” alla calcolatrice di memorizzare quel numero.

In qualche punto interno della calcolatrice questo numero “memorizzato” provoca l’accensione dei segmenti del display, formando il numero.

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Provando a fare una somma cosa succede?

Premendo in successione il primo numero, poi il tasto “+”, poi il secondo numero, ed infine il tasto “=” esegui una somma generica.

Cosa succede mentre svolgi i vari passaggi per avere la somma dei 2 numeri?

Il primo numero visualizzato viene sostituito dal secondo quando premi “+”.

E dov’è andato a finire il primo numero?

E’ facile intuire che viene memorizzato.

Digitando il tasto “+” la calcolatrice attende il secondo numero, che, una volta inserito, viene visualizzato.

Infine premendo il tasto “=” “qualcosa” provoca l’addizione dei numeri, sul display, viene visualizzato il risultato corretto.

Dalla pressione di un tasto, con questa piccola operazione, si attivano migliaia di processi.

Ma…

  • Come i numeri vengono trasmessi dalla tastiera?
  • In che modo viene interpretato il comando?
  • Come sono memorizzati i dati?
  • E come vengono sommati fra loro?
  • Come viene visualizzato un numero su un display?
  • E come viene svolta un operazione matematica?

Le risposte a tutte queste domande sono legate al funzionamento del sistema digitale.

Come vedi, semplicemente, premendo dei tasti si attivano dei processi non visibili dall’esterno, da chi utilizza un dispositivo, come una calcolatrice.

Mi sono limitato a portarti come esempio una semplice calcolatrice, per mostrarti come sia in realtà molto, ma molto, più complesso tutto quello che succede al suo interno.

Questo vale di più, ed è più evidente, per tutti i dispositivi che utilizziamo oggi.

Come fa una foto una fotocamera digitale, o uno smartphone?

Come viene visualizzata una foto, o un video, in uno smartphone?

… e via così.

Pensa solo ad un Pc che svolge migliaia di operazioni matematiche per fare una qualsiasi cosa, anche quando è “solo” acceso e ti mostra il desktop ed è apparentemente fermo.

In realtà, sta comunque, anche in quel momento, elaborando migliaia di operazioni.

Stesso discorso vale per uno smartphone.

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Che cos’è un circuito integrato

I circuiti integrati sono la chiave che ha permesso ai sistemi digitali di diventare sempre più sofisticati, compatti, ed economici.

circuito integrato
Foto da Pixabay

Ma cos’è un circuito integrato?

Si tratta di un piccolo contenitore, di piccole dimensioni, munito di piedini metallici chiamati pin, che ne costituiscono i terminali elettrici.

piedini metallici
Foto da Pixabay
terminali elettrici
Foto da Pixabay

Tali piedini sono collegati internamente al circuito integrato, fino al suo chip.

Il chip è un materiale semiconduttore, costituito da silicio.

È di forma quadrata, delle dimensioni di qualche millimetro e ha lo spessore pressoché di un foglio.

Ovviamente, esistono chip più e meno complessi.

All’interno dei chip più semplici, sono racchiuse poche decine di transistor fino ad arrivare a chip, molto più complessi, dove ci sono miliardi di transistor.

Esistono tantissimi tipi di circuiti integrati, che svolgono funzioni molto diverse tra loro.

Quali?

Ci sono circuiti integrati che svolgono operazioni semplici, come operazioni logiche binarie, fino ad arrivare a circuiti integrati, come le CPU di un personal computer, che svolgono milioni di operazioni al secondo.

Esistono anche circuiti integrati capaci di memorizzare miliardi di dati come, ad esempio, la memory card che usi nella fotocamera digitale o nello smartphone.

memory card
Foto da Pixabay

L’evoluzione tecnologica ha permesso di sviluppare componenti sempre più evoluti.

Circuiti integrati capaci di memorizzare miliardi di dati e di fare milioni di operazioni matematiche al secondo.

Alla base di un sistema digitale c’è il codice binario, la matematica binaria, i linguaggi di programmazione e i circuiti integrati.

Se vuoi approfondire l’argomento sui circuiti integrati ti invito a leggere:

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