Come spieghereste il funzionamento di una calcolatrice?

[EternoInfinito]

Ciao a tutti
Un mio amico mi ha chiesto come funziona la calcolatrice, chiedendomi i perché dei perché come fanno un po' i bambini e mi ha messo un po' in difficoltà...
Premetto che sono praticamente a zero con l'elettronica, gli ho spiegato un po' così che la calcolatrice si accende perché ha una forma di energia data da una batteria o altra forma di energia...
e da lì: come è fatto un pulsante? Come fa a passare la corrente? E gli ho spiegato che più o meno ci sarà una sorta di lamella che mette in contatto il piedino del pulsante e fa passare la corrente nella pista alla quale è collegato... se non lo premi la corrente rimane in un certo senso ferma lì alla porta in attesa di passare
Quando premo ad esempio "7", lì sotto c'è un pulsante che quando viene premuto fa passare la corrente che va verso un piedino del microcontrollore (che è sempre in ascolto) e quindi rileva una tensione, un passaggio di corrente, e "sa" che quella corrente proviene dalla pista collegata al numero 7
E come lo "sa"??
Perché questi microcontrollori possono essere programmati. Lo programmo in modo tale che se in quel piedino arriva corrente allora deve memorizzare 7
E da lì domande su domande...
Come lo programmi? Vengono utilizzati linguaggi di programmazione e vengono "tradotti" in 1 e 0, assenza o presenza di tensione... e tutto questo viene "scritto" sul microcontrollore
In effetti qua sono entrato nel pallone... e anche io mi chiedo prima di tutto "DOVE" esattamente vengono "scritte" queste cose... (infatti da lì mi sono guardato dei video di processori visti al microscopio per capire come sono fatti e come sono anche prodotti)
Soprattutto però non capisco la memoria, come si conserva.
Perché in effetti io premo 7, la calcolatrice memorizza 7 in attesa dell'operatore, quindi premo "moltiplicazione" e memorizza "moltiplicazione", poi premo 9 memorizza 9.
Ma come e dove tiene questa memoria? Perché io ho letto che c'è questa Ram e questa Rom. Sì, ma se tutto questo "ragiona" in termini solo di presenza e assenza di corrente, come fa a memorizzare? Dove memorizza? E come fa a ritornare lì per "vedere" cosa c'è memorizzato?
E superato il discorso della memorizzazione, come fa realmente a fare il calcolo se ragiona solo in termini di presenza e assenza di corrente?
Per non parlare poi di come fa effettivamente a visualizzare un numero su un display... o meglio, come fa a "colorare" caselle di nero...
Mi sono un po' perso in tutto questo...

[Goofy]

Servirebbero almeno un paio di libri.
Prima c'erano anche le calcolatrici meccaniche, quindi aggiungiamone almeno un altro.

[alev]

Il problema di effettuare i calcoli con precisione e ripetutamente è vecchio quanto la civiltà umana

Molti dei concetti applicati nelle calcolatrici meccaniche e quelle successive elettroniche (ad esempio, la notazione) hanno le proprie radici nei secoli

Ritengo difficile spiegare in un forum anche sommariamente i numerosi "perché" dei fondamenti alla base del calcolo meccanico e/o elettronico

[djnz]

Mi sono un po' perso in tutto questo...

Questa domanda è come voler spiegare nei termini dell'espressione genica come fa il corpo umano a giocare una partita a tennis....

Nei primi anni 80 era uscita l' "enciclopedia dell'elettronica" della Jackson, molto all'acqua di rose rispetto a una qualsiasi trattazione accademica, ma abbastanza descrittiva/intuitiva riguardo i vari aspetti per una semplice "ricerca scolastica", e perfettamente adeguata al livello di "curiosità" di queste domande.

Un volume elettrotecnica di base. Un volume elettronica di base. Due volumi elettronica digitale. Un volume microprocessori. Un volume informatica. Si descriveva appunto il funzionamento di una calcolatrice, realizzata con soli circuiti logici, senza microcontroller e/o programmazione. Ma anche leggendo tutti quei volumi probabilmente non si sarebbe potuta costruire, perché le conoscenze pratiche reali per poterlo fare avrebbero richiesto parecchi approfondimenti.

Soprattutto però non capisco la memoria, come si conserva.

Intanto meglio ragionare per tensioni e non per correnti. Poi a seconda della tecnologia utilizzata, l'implementazione pratica è differente... dai contatti/lamelle dei sistemi elettromeccanici (relé), alla persistenza magnetica (nuclei magnetici), ai latch elettronici (RAM statiche), alle cariche elettriche intrappolate in buche di potenziale (RAM dinamiche, EEPROM/FLASH).

Perché in effetti io premo 7, la calcolatrice memorizza 7

In realtà il 7 non esiste, è un significato umano astratto, esistono solo stati fisici con cui codifichiamo la rappresentazione convenzionale dei nostri significati. E costruiamo i circuiti per manipolare questi stati fisici nel modo che ci interessa, "come se" questi circuiti sapessero cos'è un 7. A tutti gli effetti pratici una volta fatto questo possiamo "fare finta" che li dentro sia davvero memorizzato un 7.

Ma come e dove tiene questa memoria? Perché io ho letto che c'è questa Ram e questa Rom.

Nella ROM ci sono le "informazioni" che non si devono mai cancellare, quindi le istruzioni del programma e i dati costanti. Nella RAM ci sono i dati di lavoro temporanei, la famose "variabili" dei linguaggi di programmazione. Poi in realtà la CPU dispone anche di registri interni più veloci della RAM, con cui svolgere le singole operazioni elementari sui dati di lavoro.

Sì, ma se tutto questo "ragiona" in termini solo di presenza e assenza di corrente, come fa a memorizzare? Dove memorizza? E come fa a ritornare lì per "vedere" cosa c'è memorizzato?

La memoria è una lunga fila di celle ciascuna col suo indirizzo, la CPU ha un bus (un gruppo di fili) con cui indirizza la cella desiderata, e di volta in volta solo quella cella è fisicamente abilitata per una scrittura o una lettura. La CPU ha degli appositi registri interni che contengono l'indirizzo delle celle esterne a cui deve accedere, primo fra tutti il program counter che contiene l'indirizzo dell'istruzione da eseguire.

E superato il discorso della memorizzazione, come fa realmente a fare il calcolo se ragiona solo in termini di presenza e assenza di corrente?

Circuiti logici -> rappresentazione binaria -> addizionatori -> ecc ecc, l'argomento è: ALU (unità aritmetico logica), quella parte della CPU che manipola le rappresentazioni numeriche binarie tirando fuori somme, sottrazioni, operazioni logiche and or xor not, shift ecc.

Per non parlare poi di come fa effettivamente a visualizzare un numero su un display... o meglio, come fa a "colorare" caselle di nero...

Argomento: porte di ingresso/uscita. Fondamentalmente delle celle di memoria o dei registri con un lato "elettricamente esposto" verso il mondo esterno. I bit che scrivi all'ingresso di una porta di uscita diventano tensioni sui terminali in uscita. Allo stesso modo le tensioni che applichi agli ingressi di una porta di ingresso diventano bit sulle sue uscite (collegate al bus dati della CPU). Nota: anche i bit e i livelli logici 1/0 sono astrazioni umane. Nella macchina ci sono sempre e solo presenza e assenza di tensione, a cui diamo il nome di bit o livelli logici.

Per le caselle colorate di nero, piuttosto che LED accesi/spenti o lampadine, o relé, o transistor, anche qui dipende dalla tecnologia utilizzata. Un display LCD tecnicamente non è statico, per motivi chimico/fisici le polarità devono continuamente invertirsi e spesso i segmenti sono multiplexati (accesi e spenti in rapida rotazione) per ridurre la quantità di collegamenti necessari. Questo lavoro di multiplex può essere realizzato direttamente dall'hardware, o in circuiti più semplici se ne occupa il software.

[ThEnGi]

Servirebbero almeno un paio di libri.

Un paio di Dizionari magari ? O meglio un paio di enciclopedie

Quel livello di astrazione che richiedi probabilmente è trattato a livello Universitario, è complesso e molto specifico.

djnz Ha dato un infarinatura (scusa il termine) più che esaustiva.

Secondo me hai due strade: Ti accontenti di qualcosa di più superficiale (nella ALU entra X + Y esce Z.) o segmenti e definisci "la calcolatrice", in questo caso serve un indicazione precisa di che modello/componenti stiamo parlando.

Si potrebbe iniziare da Link, ma anche qui bisogna prima studiarsi il funzionamento HW (Elettronica base + Arduino + LCD + Tastiera) e poi il SW (IDE Arduino + Funzioni + Programma). Ovviamente lasciando molte cose alla "magia". es. Librerie

[djnz]

djnz Ha dato un infarinatura (scusa il termine) più che esaustiva

Perché "scusa il termine"? È esattamente così. Un breve e per nulla completo accenno ad alcuni "sottosistemi". Il problema è capire a quale livello di astrazione (e quindi di conoscenza sottostante) si vuole parlare. Una calcolatrice è un sistema completo, ottenuto dalla composizione di moltissimi sottosistemi, a loro volta formati da "meccanismi" più elementari, fino alle giunzioni dei singoli transistor, da cui si passa alla fisica dei semiconduttori. Oggi le cose sono ulteriormente complicate (o semplificate a seconda del punto di vista) dal fatto che parte dei sistemi è costruita via software, e per comprendere come può essere "eseguito" un software bisogna studiare come funziona una CPU.

[ThEnGi]

Perché "scusa il termine"? È esattamente così.

Pensavo che ti offendessi dopo tutto l'impegno che ci hai messo

[MarcoD]

Trovo difficile rispondere adeguatamente in assenza di un contesto.

Pongo altre domande simili:
Quanto una calcolatrice è diversa da un calcolatore ?
Cosa hanno in comune un calcolatore e il comando di un semaforo stradale?
Cosa hanno in comune un calcolatore e un carillon (scatola musicale)?
Un calcolatore può svolgere le funzioni di una calcolatrice?
Come funziona una radio ? Si intende solo un radioricevitore
o la spiegazione deve comprendere il radiotrasmettitore e il ricevitore?

[djnz]

Si potrebbe iniziare da Link

Il che da un certo punto di vista è fuorviante, o meglio apre un interessante dibattito filosofico, perché quella arducalcolatrice in pratica è interamente software. L'hardware (Arduino, keypad, display) sono solo gli elementi che permettono al software di essere eseguito e di comunicare con l'esterno. Bisogna spiegare il processo software, o l'hardware? È una calcolatrice? Cos'è una calcolatrice?

[g.schgor]

Il funzionamento di una unità di calcolo
è illustrato nel video Cirelab3
(ma occorre aver capito i precedenti).