Esercizio 18quiz su livelli di astrazione, segnali digitali e unità di misura (temi d'esame 2022-2026)

Esame

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Testo (domande a risposta multipla dei temi d'esame giugno 2022, luglio 2022, settembre 2022, febbraio 2023, settembre 2025 e giugno 2026). Nelle prove scritte una ventina di quiz a risposta multipla precede gli esercizi (risposta esatta $+1$ , errata $-0{,}3$ , non data $0$ ). Qui le domande sull'introduzione ai sistemi digitali, con la risposta e il motivo. Le risposte sono ricavate dalla teoria del corso.

Teoria usata: Sistemi digitali, segnali binari e livelli di astrazione.

Precisione e livelli di astrazione

tema	domanda	risposta	motivo
giu 2022 (1), giu 2026 (1)	La precisione di un sistema digitale si può migliorare/è determinata:	aumentando il numero di bit per rappresentare le informazioni elaborate	con più bit i passi di quantizzazione sono più piccoli ( $2^n$ valori); non dipende dall'ampiezza della tensione del bit (che regola il rumore) né dal clock (che regola la velocità)
giu 2022 (2)	In un approccio top-down:	si parte dalle specifiche di alto livello e si scompone il sistema in blocchi sempre più piccoli	top-down = dall'alto (specifiche) al basso (blocchi realizzabili); l'opposto è il bottom-up
lug 2022 (1)	Livello di astrazione più elevato tra porte logiche, microarchitettura, RTL:	microarchitettura	ordine dal basso: transistor, porte logiche, trasferimento tra registri (RTL), microarchitettura, ISA, sistema operativo, linguaggio, algoritmo
giu 2026 (2)	Livello di astrazione meno elevato tra transistor, porte, ISA:	livello del transistor	è il più vicino alla fisica
set 2025 (4)	Ordine dal livello più basso al più alto:	transistor / porte logiche / trasferimento tra registri / microarchitetture / sistemi operativi / algoritmi	gli algoritmi sono il livello più astratto, i sistemi operativi stanno sotto

Tensioni, rumore e quantità di dati

tema	domanda	risposta	motivo
set 2022 (1)	In un sistema digitale ben progettato l'intervallo di tensione ammesso in ingresso:	maggiore di quello ammesso in uscita	l'uscita è "pulita" (intervallo stretto), l'ingresso accetta anche segnali disturbati: margini di rumore
feb 2023 (1)	L'intervallo ammesso in uscita:	minore di quello ammesso in ingresso	stessa regola, vista dall'altro lato
set 2025 (2)	Relazione tra gli intervalli di ingresso e di uscita:	l'intervallo all'ingresso è più ampio di quello in uscita	le porte rigenerano il segnale: proprietà rigenerativa
feb 2023 (2)	Un sistema a 10 cifre rispetto a uno a 2 cifre:	meno tollerante al rumore	a parità di intervallo di tensione, 10 livelli sono più vicini tra loro, quindi il rumore li scambia più facilmente
set 2025 (1)	1 terabyte corrisponde a:	$10^{12}$ byte	kilo $10^3$ , mega $10^6$ , giga $10^9$ , tera $10^{12}$ , peta $10^{15}$

Esempio numerico che sta dietro alle due domande sulle tensioni. Con ingresso alto accettato in $0{,}6$ – $1\,\mathrm V$ e uscita alta prodotta in $0{,}9$ – $1{,}1\,\mathrm V$ , il margine di rumore è $0{,}9-0{,}6=0{,}3$ V.

Domande di cultura che compaiono tra gli esempi del corso

Il primo transistor funzionante è del 1948 (Bell Laboratories), il primo circuito integrato del 1958 (Texas Instruments, germanio, Jack Kilby), il primo microprocessore commerciale del 1971 (Intel 4004).
CPU e GPU: la CPU coordina operazioni complesse con una singola unità di controllo; la GPU esegue operazioni semplici su grandi quantità di dati con l'unità di controllo frazionata in più blocchi.
Nelle applicazioni (un'automobile contiene decine o centinaia di microcontrollori) i sistemi digitali sono quasi sempre embedded.

Errori comuni

Dire che la precisione dipende dall'ampiezza della tensione o dal clock.
Scambiare ingresso e uscita nella relazione tra gli intervalli di tensione.
Confondere kilo/mega/giga decimali ( $10^3$ ...) con le potenze di 2 ( $2^{10}$ ...).
Confondere top-down e bottom-up.

Versione ripasso

Precisione: dipende dal numero di bit: con più bit i passi di quantizzazione sono più piccoli. Non dipendono dall'ampiezza della tensione (regola il rumore) né dal clock (regola la velocità).
Top-down: si parte dalle specifiche di alto livello e si scompone in blocchi sempre più piccoli; l'opposto è il bottom-up (Sistemi digitali, segnali binari e livelli di astrazione).
Livelli dal più basso: transistor, porte logiche, trasferimento tra registri (RTL), microarchitettura, ISA, sistema operativo, linguaggi, algoritmi. Il transistor è il livello più vicino alla fisica; la microarchitettura è più in alto dell'RTL.
Intervalli di tensione: l'ingresso ammette un intervallo più ampio dell'uscita, perché le porte rigenerano il segnale. Esempio: ingresso alto da $0{,}6$ a $1$ V, uscita alta da $0{,}9$ a $1{,}1$ V, margine $0{,}9-0{,}6=0{,}3$ V.
Rumore e numero di livelli: a parità di intervallo, 10 livelli sono più vicini tra loro di 2 livelli, quindi un sistema a 10 cifre è meno tollerante al rumore.
Unità decimali: kilo $10^3$ , mega $10^6$ , giga $10^9$ , tera $10^{12}$ , peta $10^{15}$ ; quindi 1 TB $=10^{12}$ byte.
Date: primo transistor nel 1948 (Bell Laboratories), primo circuito integrato nel 1958 (Texas Instruments), primo microprocessore commerciale nel 1971 (Intel 4004).
Errori: precisione legata alla tensione o al clock; intervalli di ingresso e uscita scambiati; kilo, mega e giga decimali confusi con le potenze di 2; top-down e bottom-up confusi.

Teoria collegata

Sistemi digitali, segnali binari e livelli di astrazione