Circuiti elettronici digitali

Circuiti Sequenziali e Combinatori: Caratteristiche e Differenze

I circuiti elettronici digitali si classificano in due categorie principali: sequenziali e combinatori. I circuiti sequenziali sono caratterizzati dalla presenza di elementi di memoria che consentono di conservare uno stato interno. Questo stato, insieme agli ingressi, determina le uscite e il successivo stato interno. I circuiti sequenziali possono essere sincroni, se regolati da un segnale di clock, o asincroni, se non dipendono da tale segnale. I circuiti combinatori, invece, non possiedono memoria e le loro uscite sono unicamente funzione degli ingressi attuali, senza alcuna dipendenza da stati precedenti.

Sincronizzazione e Parallelismo in Informatica

La sincronizzazione è essenziale in informatica per coordinare le operazioni in sistemi che utilizzano il parallelismo, ovvero l'esecuzione contemporanea di più processi o thread. Il parallelismo, quando ben gestito, può aumentare significativamente l'efficienza di un sistema. Il segnale di clock, un'onda quadra che oscilla a intervalli regolari, è fondamentale per sincronizzare i componenti elettronici digitali, garantendo che le operazioni siano eseguite in maniera ordinata e coerente nel tempo.

Il Flip-Flop: Elemento Base dei Circuiti Sequenziali

Il flip-flop è un dispositivo elettronico che funge da elemento di memoria base nei circuiti sequenziali, capace di memorizzare un singolo bit di informazione. Esistono diversi tipi di flip-flop, tra cui il flip-flop Set-Reset (SR), che è il più elementare. Il flip-flop SR ha due ingressi, Set (S) e Reset (R), e due uscite complementari, Q e Q'. Il comportamento del flip-flop è determinato dalla combinazione degli ingressi: se S è alto e R è basso, Q sarà alto; se S è basso e R è alto, Q sarà basso; se entrambi sono bassi, il flip-flop mantiene il suo stato precedente. La condizione in cui entrambi gli ingressi sono alti è da evitare poiché porta a uno stato indeterminato.

Registri a Scorrimento e Memorie

I registri a scorrimento sono aggregazioni di flip-flop configurati in modo tale da trasferire i bit in sequenza ad ogni impulso di clock. Questi dispositivi sono utilizzati per operazioni di manipolazione dei dati come la serializzazione e la deserializzazione. Le memorie, d'altra parte, sono classificate in base alla loro tecnologia costruttiva (ad esempio, elettronica, magnetica, ottica) e al metodo di accesso ai dati (sequenziale, diretto, casuale). Le memorie RAM (Random Access Memory) permettono la lettura e la scrittura dei dati, mentre le ROM (Read-Only Memory) sono memorie non volatili utilizzate per conservare dati permanenti.

Gerarchia delle Memorie e Architettura di Von Neumann

La gerarchia delle memorie in un sistema informatico è strutturata in modo che i livelli superiori (come i registri e le cache) siano più veloci ma con capacità minori, mentre i livelli inferiori (come i dischi rigidi) abbiano maggiore capacità ma siano più lenti. L'architettura di Von Neumann, che rappresenta il modello di riferimento per la maggior parte dei computer moderni, prevede una CPU che esegue istruzioni memorizzate nella memoria. Il linguaggio assembly è specifico per l'architettura del processore e permette di scrivere programmi che interagiscono direttamente con l'hardware.

Tipologie di Memorie RAM: SRAM e DRAM

Le memorie RAM si suddividono in Static RAM (SRAM) e Dynamic RAM (DRAM). Le SRAM utilizzano circuiti basati su flip-flop per memorizzare i bit, risultando veloci e con basso consumo energetico, ma con costi più elevati. Sono quindi impiegate principalmente nelle memorie cache. Le DRAM, al contrario, utilizzano un transistor e un condensatore per ciascun bit e richiedono cicli di refresh periodici per mantenere l'informazione memorizzata. Pur essendo più lente e meno efficienti in termini energetici rispetto alle SRAM, le DRAM hanno costi inferiori e capacità maggiori, rendendole la scelta prevalente per la memoria principale dei computer.