Matériel

Un ordinateur polyvalent possède quatre blocs de construction :

• dispositifs d'entrée 输入设备 — font entrer les données (clavier, souris, microphone, scanner, capteurs).
• dispositifs de sortie 输出设备 — affichent les résultats (écran, haut-parleurs, imprimante, actionneurs).
• mémoire primaire 主存储器 — mémoire rapide accessible directement par le processeur 处理器 (CPU). Contient le programme en cours et ses données.
• stockage secondaire 辅助存储器 — plus lent, plus grand, conserve les programmes et les données lorsqu'ils ne sont pas utilisés (disque dur, SSD, disque optique, clé USB).

Le programme demande pourquoi chacun est nécessaire. Les dispositifs d'entrée sont nécessaires car l'ordinateur ne peut traiter que les données et instructions saisies. Les dispositifs de sortie sont nécessaires pour présenter les résultats sous une forme utilisable par les personnes. La mémoire primaire est nécessaire car le processeur ne peut exécuter des instructions et utiliser des données que celles retenues dans la mémoire qu'il peut adresser directement, et il doit y accéder rapidement. Le stockage secondaire est nécessaire car la mémoire primaire est volatile et de capacité limitée : les programmes et données doivent survivre à la coupure d'alimentation, dans un stockage plus grand et moins cher, et le stockage amovible permet de transférer des données entre ordinateurs ou de les conserver en sauvegarde.

Un système embarqué 嵌入式系统 est un ordinateur intégré dans un autre appareil pour effectuer une tâche fixe (lave-linge, micro-ondes, unité de moteur de voiture, thermostat).

• avantages : optimisé pour une seule tâche, donc il est petit, consomme peu d'énergie et est bon marché à produire en série ; fiable, car il exécute un programme fixe avec peu de risques de défaillance ; démarre rapidement et ne nécessite aucune configuration utilisateur ; facile à utiliser grâce à une interface simple.
• inconvénients : limité à sa seule tâche, donc il ne peut pas être mis à niveau pour faire plus ; difficile à mettre à jour (son firmware 固件 peut nécessiter des outils spéciaux ou ne peut pas être modifié du tout) ; difficile à diagnostiquer, et généralement tout l'appareil doit être remplacé en cas de panne ; s'il est connecté à un réseau, il peut représenter une faille de sécurité, car son logiciel est rarement patché.

Une question « décrire les inconvénients » demande que chaque inconvénient soit formulé comme une réponse complète : quelle est la limitation et ce qu'elle signifie pour l'utilisateur, par exemple « le firmware ne peut pas être mis à jour, donc une faille de sécurité découverte ultérieurement ne peut pas être corrigée ».

Imprimante laser

Une imprimante laser 激光打印机 scanne l'image de la page sur un tambour photosensible chargé. Le toner 墨粉 adhère aux zones chargées, se transfère sur le papier, et est fondu par un fuser. Rapide, nette, haute capacité.

Comment ça marche, selon les étapes listées dans la grille de notation :

1. Les données de la page sont envoyées au tampon de l'imprimante.
2. Le tambour reçoit une charge électrostatique uniforme.
3. Un laser, réfléchi par un miroir rotatif, scanne l'image de la page sur le tambour, enlevant la charge là où il frappe, de sorte que la charge restante sur le tambour correspond à l'image.
4. Le toner, une poudre chargée, est attiré uniquement vers les parties chargées du tambour.
5. Le papier reçoit la charge opposée et roule contre le tambour, de sorte que le toner se transfère dessus.
6. Le fuser 定影器, une paire de rouleaux chauffants, fait fondre le toner dans le papier. Le tambour est ensuite déchargé et nettoyé pour la page suivante.

Imprimante 3D

Une imprimante 3D 3D打印机 construit un objet couche par couche : FDM fait fondre un filament plastique via une buse ; stéréolithographie polymérise une résine liquide avec un laser UV. Utilisée pour les prototypes et les pièces médicales personnalisées.

Comment ça marche :

1. Un modèle de l'objet est conçu dans un logiciel CAD (ou numérisé).
2. Un logiciel de tranchage divise le modèle en couches horizontales fines et produit les instructions pour chacune d'elles.
3. L'imprimante construit l'objet couche par couche : une imprimante FDM fait fondre un filament 塑料丝 plastique et le dépose via une buse mobile ; une imprimante à résine polymérise une résine liquide avec un laser ou une lumière UV ; une imprimante à poudre lie une poudre avec un laser.
4. Chaque couche s'agglomère à la couche inférieure, et la plateforme (ou la buse) descend d'une épaisseur de couche.
5. Lorsque la dernière couche est terminée, tout matériau de soutien est retiré. Utilisations incluent les prototypes, les pièces médicales personnalisées telles que les prothèses, et les pièces détachées imprimées à la demande.

Microphone et haut-parleurs

Un microphone 麦克风 convertit le son en signal électrique (un diaphragme vibre, changeant la charge d'un condensateur 电容器 ou la position d'une bobine) ; le signal est numérisé par un convertisseur analogique-numérique 模数转换器 (ADC). Un haut-parleur fait l'inverse : un signal variable actionne une bobine dans un champ magnétique, déplaçant un cône pour produire du son.

Comment fonctionne un microphone : des ondes sonores font vibrer un diaphragme 膜片 ; dans un microphone dynamique, une bobine attachée au diaphragme se déplace dans un champ magnétique, induisant ainsi un courant variable dans celle-ci, et dans un microphone condensateur, le diaphragme est une plaque d'un condensateur dont la capacité change lorsqu'il bouge ; le signal analogique variable est ensuite échantillonné par un ADC et stocké sous forme numérique. Un haut-parleur parcourt la chaîne à l'envers : un convertisseur numérique-analogique 数模转换器 (DAC) produit un courant variable, le courant dans la bobine crée un champ magnétique changeant qui pousse contre l'aimant permanent, la bobine et le cône se déplacent vers l'intérieur et l'extérieur, et le mouvement du cône produit des ondes de pression dans l'air.

Disque dur magnétique (HDD)

Un disque dur 硬盘 stocke des données sur des plateaux tournants recouverts de matériau magnétique. Chaque plateau possède des pistes 磁道 divisées en secteurs 扇区. Une tête de lecture/écriture 读写头 flotte juste au-dessus et magnétise de petites régions (écriture) ou les détecte (lecture). Bon marché par gigaoctet, mais plus lent que les SSD et possédant des pièces mobiles.

Comment ça marche : les plateaux tournent à grande vitesse (milliers de tours par minute) ; chaque surface est divisée en pistes concentriques et chaque piste en secteurs ; les têtes de lecture/écriture sur des bras actionneurs 磁头臂 se déplacent sur les plateaux jusqu'à la bonne piste ; pour écrire, la tête magnétise une petite région avec l'une des deux polarités, représentant 0 ou 1 ; pour lire, elle détecte la polarité alors que la région passe dessous. Les délais, attendant que le bras atteigne la piste et que le secteur tourne, expliquent pourquoi un disque dur est plus lent qu'un SSD.

Mémoire tout solide (flash)

Un disque tout solide 固态硬盘 stocke des données sous forme de charge dans des transistors 晶体管, sans pièces mobiles. Accès aléatoire plus rapide que les HDD, plus robuste, faible consommation, mais plus cher par gigaoctet ; chaque cellule s'use après de nombreuses écritures.

Comment ça marche : chaque cellule est un transistor à grille flottante 浮栅晶体管 ; une charge piégée sur la grille flottante représente un bit et y reste lorsque l'alimentation est coupée ; une puce contrôleur mape chaque adresse vers une cellule et répartit les écritures sur les cellules, car une cellule ne survit qu'à un nombre limité d'écritures.

Une question « pourquoi un serveur utilise-t-il des disques durs plutôt que des SSD » demande la colonne de gauche : moins cher par gigaoctet pour de très grandes capacités, longue durée de vie sous réécriture constante, et récupération de données plus facile.

Disc optique

Un laser détecte les réflexions provenant de petites cavités sur un disc optique 光盘 (CD, DVD, Blu-ray). Le lecteur est un lecteur graveur de disc optiques : l'écriture utilise un laser plus puissant pour modifier la réflectivité de la surface.

Comment ça marche : le disc comporte une longue piste spirale de cavités 凹坑 et de plateaux 平台 (les zones plates entre elles) ; le disc tourne et un laser est focalisé sur la piste ; la lumière réfléchie depuis un plateau diffère de celle réfléchie au bord d'une cavité, et un capteur lumineux lit chaque changement comme un 1 et l'absence de changement comme un 0. L'écriture utilise un laser plus puissant pour changer la réflectivité d'une couche de colorant ou d'alliage. Un Blu-ray utilise un laser bleu à longueur d'onde plus courte, de sorte que ses cavités sont plus petites et rapprochées, ce qui explique pourquoi il contient plus de données qu'un DVD.

Écran tactile

Un écran tactile 触摸屏 détecte le contact. Résistif 电阻式 : deux couches conductrices pressées ensemble ; fonctionne avec n'importe quoi mais est moins précis. Capacitif 电容式 : un doigt perturbe un champ de charge ; précis, multi-touch, utilisé dans les téléphones.

Comment ça marche : un écran résistif a deux couches conductrices fines séparées par des espacements ; appuyer pousse la couche supérieure sur la couche inférieure, fermant un circuit à cet endroit, et le contrôleur lit la tension pour trouver les coordonnées. Un écran capacitif a une couche de verre revêtue d'un conducteur transparent qui retient une charge ; un doigt qui le touche tire un petit courant, le courant est mesuré à chaque coin, et le contrôleur calcule la position du toucher à partir des différences. Les écrans capacitifs répondent à une légère touche et à plusieurs doigts à la fois, mais pas à un doigt ganté ou à un stylet ordinaire.

Casque de réalité virtuelle

Un casque de réalité virtuelle 虚拟现实 (VR) possède deux petits écrans (un par œil) et des capteurs de mouvement (accéléromètre 加速度计, gyroscope 陀螺仪) qui suivent le mouvement de la tête pour que la scène se déplace lorsque vous regardez autour de vous.

Fonctionnement : chaque œil voit son propre écran à travers une lentille, et les deux images diffèrent légèrement, ce qui permet au cerveau de percevoir la profondeur ; des capteurs (accéléromètre, gyroscope, parfois caméras) signalent la position de la tête et sa direction ; l'ordinateur re-rend la scène depuis cet angle de vue plusieurs fois par seconde, donc tourner la tête fait pivoter le champ de vision ; des écouteurs produisent un son qui correspond à la direction. Utilisé pour les jeux vidéo, la formation via des simulateurs de vol ou de chirurgie, et la visualisation de conceptions avant leur fabrication.

Un tampon 缓冲 est une mémoire qui retient temporairement des données pendant qu'elles transitent entre des dispositifs de vitesses différentes. Exemple : le CPU écrit un document dans un tampon d'imprimante rapidement, puis peut effectuer d'autres tâches tandis que l'imprimante imprime depuis le tambon à son propre rythme. Les tampons évitent qu'un dispositif rapide n'attende un dispositif lent (ils sont aussi utilisés dans le streaming, le clavier et l'accès aux disques).

"Expliquez pourquoi une imprimante 3D a besoin d'un tampon" : l'ordinateur envoie les données d'impression beaucoup plus vite que l'imprimante ne peut construire les couches, donc les données sont stockées dans le tampon jusqu'à ce que l'imprimante soit prête à les traiter, libérant ainsi le processeur pour d'autres tâches. Lorsque le tampon est bas, l'imprimante envoie une interruption 中断 pour demander plus de données (sujet 4). Un flux vidéo fonctionne de la même manière : le tampon se remplit à l'avance pour que la lecture continue, afin qu'une brève baisse de la vitesse du réseau n'arrête pas l'image.

• RAM 随机存取存储器 (Mémoire vive) — volatile 易失性 (perd les données sans alimentation). Contient le système d'exploitation, les programmes en cours d'exécution et leurs données ; elle est constamment lue et écrite.
• ROM 只读存储器 (Mémoire morte) — non volatile 非易失性 (conserve les données sans alimentation). Généralement écrite une seule fois ; contient le micrologiciel nécessaire au démarrage (le BIOS / chargeur de démarrage).

La ROM amorce le système ; la RAM contient ensuite le travail actif.

Plus de RAM permet à un ordinateur de contenir plus de programmes et de données simultanément, réduisant ainsi les échanges entre mémoire et disque et améliorant la vitesse ; c'est la réponse à "expliquez pourquoi l'ordinateur avec plus de RAM performe mieux".

Le partage de cette mémoire est important aussi dans un appareil portable : son programme fixe doit rester disponible après la coupure d'alimentation, tandis que ses lectures en direct changent durant l'utilisation.

• SRAM 静态RAM (RAM statique) stocke chaque bit dans un flip-flop 触发器 composé de plusieurs transistors. Rapide, mais coûteuse et peu dense. Utilisée pour le cache 高速缓存 du CPU.
• DRAM 动态RAM (RAM dynamique) stocke chaque bit sous forme de charge sur un condensateur minuscule. Moins chère et plus dense, mais plus lente, et doit être rafraîchie 刷新 (réécrite) des milliers de fois par seconde. Utilisée pour la mémoire vive.

Utilisez la SRAM pour la petite mémoire rapide (cache) ; la DRAM pour la grande mémoire vive.

"Expliquez pourquoi le système embarqué utilise la DRAM" : il a besoin d'une grande quantité de mémoire à faible coût dans un petit espace, et ses exigences de vitesse sont modestes, donc la DRAM, moins chère et plus dense, est le bon choix ; la SRAM est réservée au petit cache où la vitesse prime.

Variantes de ROM programmables après fabrication :

• PROM (ROM programmable) — écrite une seule fois (fusibles grillés par un programmeur) ; ne peut pas être modifiée.
• EPROM (ROM effaçable programmable) — effacée par lumière UV intense à travers une fenêtre, puis réécrite (toute la puce en une fois).
• EEPROM (ROM effaçable programmable électriquement) — effacée et réécrite électriquement, octet par octet, directement dans le circuit. La mémoire Flash est une dérivée optimisée pour l'effacement par blocs.

"Donnez deux différences entre EPROM et EEPROM" demande deux lignes de ce tableau, chacune stated pour les deux types.

Les deux lisent des capteurs ; la différence réside dans ce qu'ils font ensuite.

• surveillance 监控 — collecte et rapporte des données mais ne prend aucune action (une station météo enregistrant des relevés).
• système de contrôle 控制系统 — utilise les données des capteurs pour décider et agir via des actionneurs, généralement dans une boucle de rétroaction (un thermostat allumant/éteignant une chaudière).

La réponse à trois marques « décrivez les différences » : un système de surveillance mesure uniquement, enregistre ou affiche les lectures, et au mieux émet un avertissement ; un système de contrôle compare chaque lecture avec une valeur prédéfinie 预设值 et, si elle est hors plage, envoie des signaux aux actionneurs qui modifient le processus physique ; le changement est ensuite mesuré à nouveau, donc un système de contrôle contient une rétroaction et un système de surveillance n'en a pas. Si un système donné est l'un ou l'autre est décidé par ce test : un système de pont qui mesure la hauteur d'un véhicule et allume un panneau d'avertissement est de la surveillance, car rien de ce qu'il fait ne change le véhicule ; un système qui abaisse une barrière est du contrôle.

Exemple résolu. Décrivez comment un système automatique ouvre une porte quand une personne est à moins de 2 mètres et la ferme quand personne n'est là.

Un capteur infrarouge ou ultrasonore mesure la distance vers tout objet devant la porte ; la lecture analogique est convertie en numérique par un CNA et envoyée au processeur ; le processeur compare la distance aux 2 mètres préréglés ; si elle est inférieure, le processeur envoie un signal à l'actionneur (un moteur) pour ouvrir la porte ; le capteur continue de mesurer, et quand aucune lecture inférieure à 2 mètres n'est reçue, le processeur signale au moteur de fermer la porte. La mesure répétée après chaque action est la rétroaction qui empêche la porte de s'ouvrir et de se fermer aux mauvais moments.

Capteurs et actionneurs

Un capteur 传感器 convertit une grandeur physique en signal : température (une thermistance 热敏电阻 ou thermocouple), pression (jauge de contrainte), infrarouge, son. Les signaux analogiques nécessitent d'abord un CNA. Un actionneur 执行器 fait l'inverse — convertit un signal en action (un moteur, une valve, un chauffage, un buzzer).

Rétroaction

Dans un système de contrôle, l'actionneur modifie l'environnement, que les capteurs mesurent ensuite à nouveau — une boucle de rétroaction 反馈. Sans rétroaction, le système ne peut pas se corriger ni savoir quand s'arrêter (un thermostat sans rétroaction de température chaufferait indéfiniment).

Une porte logique 逻辑门 est un petit circuit effectuant une opération booléenne 布尔 unique. Les entrées et sorties valent 0 (faux, bas) ou 1 (vrai, haut). Connaître le symbole, la fonction et la table de vérité 真值表 pour chaque porte.

NON (inverseur)

ET — sortie 1 seulement si toutes les entrées sont 1

OU — sortie 1 si au moins une entrée est 1

NAND (NON ET) — sortie 0 seulement quand toutes les entrées sont 1

NOR (NON OU) — sortie 1 seulement quand toutes les entrées sont 0

XOR (OU exclusif, aussi appelé EOR) — sortie 1 si les entrées sont différentes

Un circuit logique 逻辑电路 est un réseau de portes exécutant une expression booléenne. Vous devez pouvoir passer d'un énoncé de problème, à une expression logique, à une table de vérité et à un schéma de circuit.

L'énoncé écrit les expressions en mots, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), et accepte la forme algébrique $X = A\overline{B} + BC$ où un point (ou rien) est ET, un signe plus est OU, et une barre est NON. Utilisez celle que pose la question.

De l'expression au circuit

Dessinez une porte par opérateur et câblez-les. Pour $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$ : une porte NON sur $C$, une porte ET sur $A$ et $B$, puis une porte OU sur les deux résultats.

Du circuit à l'expression

Travaillez à partir des entrées, en étiquetant la sortie de chaque porte logique, jusqu'à atteindre la sortie finale.

Exemple résolu. Écrivez l'expression du circuit ci-dessous, puis complétez sa table de vérité.

Étiquetez les sorties des portes : $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, donc $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Ensuite, ajoutez une colonne pour chaque sortie intermédiaire dans la table de vérité, afin que chaque ligne puisse être vérifiée porte par porte :

Dessiner un circuit à partir d'une expression correspond à parcourir le chemin inverse : commencez par les parenthèses intérieures, dessinez une porte par opérateur, placez une porte NON sur le fil de toute entrée apparaissant avec NON, gardez les entrées à gauche et la sortie unique à droite, et étiquetez la sortie avec sa lettre. Chaque ligne doit aboutir à une entrée de porte ou à la sortie ; une ligne qui ne va nulle part perd la note.

Du circuit à la table de vérité

Pour $n$ entrées, il y a $2^{n}$ lignes. Répertoriez toutes les combinaisons d'entrées ; pour chacune, calculez les portes internes puis la sortie.

De la table de vérité à l'expression (somme de produits)

Pour chaque ligne qui produit 1, écrivez un ET des entrées (avec NON sur toute entrée valant 0 dans cette ligne) ; OR ces termes ensemble. Exemple : une table qui vaut 1 uniquement aux $(A=0,B=1)$ et $(A=1,B=0)$ donne $\overline{A}B + A\overline{B}$, ce qui est $A \text{ XOR } B$.

D'un énoncé de problème

Transformez l'anglais en expression booléenne d'abord : "A and B" → A AND B ; "A or B or both" → A OR B ; "exactly one of A and B" → A XOR B ; "neither A nor B" → A NOR B ; "not both" → A NAND B.

Exemple résolu. L'alarme d'une machine $X$ se déclenche lorsque la barrière est ouverte ($A=1$) ET soit le moteur tourne ($B=1$), soit la température est élevée ($C=1$). Écrivez l'expression booléenne et indiquez les lignes où $X=1$. Transformez l'anglais en logique clause par clause : "either B or C" est $B + C$, et "A et that" est $X = A\cdot(B + C)$. Pour les lignes, $X=1$ nécessite $A=1$ ET au moins l'un de $B$, $C$ égal à 1 - donc $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ et $(1,1,1)$, trois lignes sur huit. Remarquez que $A=0$ ne peut jamais déclencher l'alarme, quel que soient $B$ et $C$. Encadrez l'OR avant de faire le ET : $X = A\cdot B + C$ est un circuit entièrement différent, celui qui déclencherait l'alarme à haute température même si la barrière est fermée.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Distinuez RAM (volatile, lecture/écriture) de ROM (non volatile, contient le bootstrap) ; SRAM (cache, plus rapide) de DRAM (mémoire principale, nécessitant un rafraîchissement).
• Pour un circuit logique, construisez l'expression booléenne porte par porte, puis une table de vérité couvrant toutes les combinaisons d'entrées.
• Apprenez le symbole, l'expression et la table de vérité pour chaque porte (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Expliquez un buffer (tampon temporaire reliant deux vitesses différentes) et le rôle d'une interruption.

Erreurs courantes

• Nommer l'appareil au lieu de décrire son fonctionnement. « Il utilise un laser » ne rapporte rien ; les étapes (charger le tambour, le laser retire la charge, le toner est attiré, transféré, fixé) rapportent les points.
• Dire qu'un système de surveillance "contrôle" quelque chose. Si rien ne modifie le processus physique, c'est une surveillance ; ajoutez l'actionneur et le retour d'information et cela devient un contrôle.
• Écrire que la RAM "stocke des fichiers de manière permanente" ou que la ROM "stocke les données de l'utilisateur". La RAM est une mémoire de travail volatile ; la ROM contient les instructions de démarrage fixes.
• Une table de vérité avec moins de $2^{n}$ lignes, ou des lignes dans un ordre aléatoire. Comptez en binaire de 000 à 111 pour ne manquer aucune combinaison.
• Dessiner deux fils sortant d'une même sortie de porte par précaution, ou laisser un fil qui ne termine nulle part. Dessinez exactement les connexions nécessaires à l'expression.