דלג לתוכן

חומרה

מדעי המחשב A-Level · נושא 3

שיעור וידאו לנושא זה פתח את עמוד הוידאו
22:36

מחשבים ומרכיבים

פתחו כל מחשב – מעבר לקונסולה, מעבר לשבבים, עד למעמק הסיליקון – ותמצאו מתגים. לא אלפי. מיליארדים. וכל אחד מהם עושה…

קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון

3.1

מחשבים ומרכיביהם

סיילבוס
המועמדים צריכים להיות מסוגלים: הערות והנחיות
הצג הבנה של הצורך בקלט, פלט, זיכרון ראשוני ואחסון משני (כולל נשלף)
הצג הבנה של מערכות מובנות כולל: יתרונות וחסרונות של מערכות מובנות
תיאור הפעולות העיקריות של התקני חומרה כולל: מדפסת לייזר, מדפסת 3D, מיקרופון, רמקולים, דיסק קשיח מגנטי, זיכרון מצב מוצק ( Flash ), קורא/כותר דיסק אופטי, מסך מגע, משקפת מציאות וירטואלית
הצג הבנה של שימוש בבופרים
הסבר ההבדלים בין זיכרון גישה אקראית (RAM) לזיכרון קריאה בלבד (ROM) כולל השימוש שלהם בטווח רחב של התקנים ומערכות
הסבר ההבדלים בין SRAM (זיכרון גישה אקראי סטטי) ל-DRAM (זיכרון גישה אקראי דינמי) כולל השימוש ב-SRAM ו-DRAM בטווח רחב של התקנים ומערכות והסיבות לשימוש באחד מהם במקום השני בהתאם להתקן ולשימוש שלו
הסבר ההבדל בין PROM (ROM תכנית-קריאה בלבד), EPROM (ROM תכנית-קריאה בלבד נמחית) ל-EEPROM (ROM תכנית-קריאה בלבד נמחית חשמלית)
הצג הבנה של מערכות ניטור ושליטה כולל: • ההבדל בין ניטור לשליטה • שימוש בחיישנים (כולל טמפרטורה, לחץ, אינפרא-אדום, קול) ובמפעילים • חשיבות משוב

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

מחשב רב-שימושי מכיל ארבעה בלוקים בונים:

  • התקני קלט — מקבלים נתונים לתוך המערכת (מקלדת, עכבר, מיקרופון, סורק, חיישנים).
  • התקני פלט — מציגים תוצאות מחוץ למערכת (מסך, רמקולים, מדפסת, מערכות פעולה).
  • זיכרון ראשוני — זיכרון מהיר אליו הגישה הישירה של מעבד (CPU) (RAM ו-ROM). מאחסן את התוכנית הפועלת ואת הנתונים שלה.
  • אחסון משני — איטי יותר, בעל קיבולת גדולה יותר, ושומר תוכניות ונתונים כאשר הם אינם בשימוש (דיסק קשיח, SSD, דיסק אופטי, דיסק USB).

המסלול הדורש ידע למה כל אחד מהחלקים נדרש. התקני קלט נדרשים כי המחשב יכול לעבד רק נתונים והוראות שנכנסו אליו. התקני פלט נדרשים כדי להציג את התוצאות בצורה שיכולה לשמש אנשים. הזיכרון הראשוני נדרש כי המעבד יכול לבצע הוראות ולהשתמש בנתונים הנמצאים בזיכרון אליו הוא מגיש ישירות, ועלינו לגשת אליהם במהירות. האחסון המשני נדרש כי הזיכרון הראשוני הוא לא-שמרתי ובעל קיבולת מוגבלת: תוכניות ונתונים חייבים להישמר לאחר כיבוי החשמל, באחסון גדול וזול יותר, ואחסון נייד מאפשר העברת נתונים בין מחשבים או שמירתם כגיבוי.

מקלדת מחשב אלחוטית מלאה בגודל תקן QWERTY בצבע לב על רקע לבן
מקלדת: התקן קלט נפוץ להקלדת טקסט והוראות
עכבר אלחוטי מודרני על רקע לבן, עם שני כפתורים וגלגלת גלילה
עכבר: התקן קלט לכיוון ומיקום
סורק מיטתי על רקע לבן, עם תמונה יוצאת מקדמה לאחר הסריקה
סורק מיטבית: התקן קלט הממיר דף נייר לתמונה דיגיטלית
מסך מחשב שטוח בצבע כסף על בסיס עגול, עם מסך כהה
מסך: התקן פלט נפוץ המציג את תמונת המסך
חקור

הקש על בלוקי מערכת המחשב

חקור את ארבעת בלוקי הבניין ואת מעבד האותות. נתונים זורמים מכניסה → עיבוד → יציאה, בעוד זיכרון ראשי שומר את התוכנית הפועלת ואחסון משני שומר אותו לעתיד.

חקור

מעבדת נתיבי רשת

עקבו אחרי נתונים ממכשיר דרך ציוד רשת ופרוטוקולים.

מילון מונחים אימון
English עברית
RAM/ræm/ RAM
ROM/rɒm/ ROM
secondary storage/ˈsekəndəri ˈstɔːrɪdʒ/ אחסון משני
hard disk/hɑːd dɪsk/ דיסק קשיח
3.1

מערכות מובנות

מערכת מובנית היא מחשב המובנה בתוך מכשיר אחר כדי לבצע משימה אחת קבועה (מכונת כביסה, מיקרוגל, יחידת מנוע רכב, תרמוסטט).

  • יתרונות: מותאם למשימה אחת, ולכן הוא קטן, צורך מעט חשמל וזול לייצור בכמות גדולה; אמין, משום שהוא מפעיל תוכנית קבועה אחת עם סיכון נמוך לשגיאות; נדלק במהירות ואינו דורש הגדרות מהמשתמש; קל לשימוש באמצעות ממשק פשוט.
  • drawbacks: limited to its one task, so it cannot be upgraded to do more; hard to update (its firmware may need special tools or cannot be changed at all); difficult to troubleshoot, and usually the whole device must be replaced when it fails; if it is connected to a network it can be a security weakness, because its software is rarely patched.

שאלת "תאר את החסרונות" דורשת שכל חסרון יהיה נקודה מלאה: מהי ההגבלה ומה המשמעות עבור המשתמש, לדוגמה "ה- firmware אינו ניתן לעדכון, ולכן תקלת אבטחה התגלתה מאוחר יותר לא תוכל לתוקן".

מילון מונחים אימון
English עברית
firmware/ˈfɜːmweə/ תוכנת קשיחה (Firmware)
3.1

התקני חומרה ראשיים

מדפסת לייזר

מדפסת לייזר סורקת את תמונת הדף על גבי תוף רגיש לאור טעון. טונה נדבקת לאזורים הטעונים, עוברת לנייר, ומותכת על ידי מצמדת. מהירה, חדה, לייצור בכמות גדולה.

מדפסת שולחנית שחורה מסוג לייזר על רקע לבן, עם דף מודפס יוצא מהחלק העליון
מדפסת לייזר: הדפסה מהירה וחדה המשתמשת בתוף טעון ובטונה

איך זה עובד, בשלבים שמפורטים בתוכנית הבחינה:

  1. הנתונים עבור הדף נשלחים לממסר של המדפסת.
  2. ה-תוף מקבל מטען אלקטרוסטטי אחיד.
  3. לייזר, המשתקף ממראת מסתובבת, סורק את תמונת הדף על גבי התוף, ומסיר את המטען במקום בו הוא פוגע, כך שהמטען שנותר על התוף תואם לתמונה.
  4. טונה, אבקה טעונה, נמשכת רק אל האזורים הטעונים של התוף.
  5. לנייר נעשה מטען הפוך ונעלה נגד התוף, כך שהטונה עוברת אליו.
  6. ה-מצמדת, זוג גלילים מחממים, ממיסה את הטונה לתוך הנייר. לאחר מכן התוף מופרך ומנוקה לדף הבא.

מדפסת 3D

A 3D printer 3D builds an object layer by layer: FDM melts plastic filament through a nozzle; stereolithography cures liquid resin with a UV laser. Used for prototypes and custom medical parts.

A black enclosed desktop FDM 3D printer with a glass front panel, a part being printed inside, on a white background
מדפסת FDM 3D בונה אובייקט שכבה על ידי שכבה על ידי להמסת חוט פלסטיק

כיצד זה עובד:

  1. דגם של האובייקט מעוצב בתוכנת CAD (או סרוק).
  2. תוכנת חיתוך מחלקת את הדגם לשכבות אופקיות דקות ומפיקה את ההוראות לכל אחת מהן.
  3. המדפסת בונה את האובייקט שכבה אחר שכבה: מדפסת FDM ממיסה חוט פלסטיק ומניחה אותו דרך פייה נעה; מדפסת שרף מארגה שרף נוזלי באמצעות לייזר או אור UV; מדפסת אבקה מצמדת אבקה בלייזר.
  4. כל שכבה נאחבת לשכבה שמ underneath, והפלטפורמה (או הפייה) זזה במרחק העובי של שכבה אחת.
  5. כאשר השכבה האחרונה מוגמרת, חומר התמיכה מוסר. שימושים כוללים דגימות ראשוניות, חלקים רפואיים מותאמים אישית כמו פרותזות, וחלקי גיבוי שהודפס לפי דרישה.

מיקרופון ורמקולים

מיקרופון ממיר קול למספר חשמלי (דיאפרגמה רועדת, משנה מטען קבל או מיקום סליל); המספר דיגיטלי על ידי ממיר אנלוג-דיגיטלי (ADC). רמקול עושה את ההפך — מספר משתנה מניע סליל בשדה מגנטי, מזיז קונוס ליצירת קול.

מיקרופון שולחני USB שחור עומד על בסיסו, ברקע לבן
מיקרופון ממיר קול למספר חשמלי

חתך של מיקרופון: גלי קול פוגעים בדיאפרגמה הקשורה לסליל סביב מגנט קבוע, ומייצרים זרם יציאה *בתוך מיקרופון: קול מרתיע את הדיאפרגמה והסליל ליצירת זרם

חתך של רמקול: זרם בסליל סביב ליבת ברזל ליד מגנט קבוע מזיז קונוס נייר כדי לייצר גלי קול
בתוך רמקול: זרם משתנה בסליל מזיז את הקונוס ליצירת קול

כיצד מיקרופון עובד: גלי קול גורמים לדיאפרגמה להרהד; במיקרופון דינמי סליל הקשור לדיאפרגמה זז בשדה מגנטי, כך שנובע בו זרם משתנה, ובמיקרופון קונדנסורי הדיאפרגמה היא אחד מקטבי קבל whose קיבול משתנה כשהיא זזה; המספר האנלוגי המשתנה נדגם לאחר מכן על ידי ADC ומוגדר כנתונים דיגיטליים. רמקול מפעיל את התהליך הפוך: ממיר דיגיטל-אנלוגי (DAC) מייצר זרם משתנה, הזרם בסליל יוצר שדה מגנטי משתנה הדוחף נגד המגנט הקבוע, הסליל והקונוס זזים פנים-חוץ, ותנועת הקונוס יוצרת גלי לחץ באוויר.

דיסק קשיח מגנטי (HDD)

דיסק קשיח מאחסן נתונים על צלחות מסתובבות מצופות בחומר מגנטי. לכל צלחה ישמסלולים המחולקים לסקטורים. ראש קריאה/כתיבה צף מעט מעל הצלחה וממגנטי אזורים קטנים (כתיבה) או מזהה אותם (קריאה). זול לגיגהיבייט, אך איטי יותר מ-SSD ויש לו חלקים נעים.

דיסק קשיח פתוח בגודל 3.5 אינץ': צלחה עגולה מבריקה עם זרוע האקטואטור וראש הקריאה/כתיבה מונחים מעליה
דיסק קשיח פתוח: זרוע האקטואטור נושאת את ראש הקריאה/כתיבה מעל צלחה
צלחת דיסק קשיח המוצרת כמעגלים של מסלולים רציפים, מסלול אחד מסומן, מחולק לסקטורים
מסלולים וסקטורים על צלחת דיסק קשיח

כיצד זה עובד: הצלחתות מסתובבות במהירות גבוהה (אלפי סיבובים לדקה); כל פני השטח מחולקים למסלולים מרוכזים, וכל מסלול לחלקים; ראשי קריאה/כתיבה על זרועות מעמס נעים על פני הצלחתות אל המסלול הנכון; לכתיבה, הראש מגנטיזא אזור זעיר באחת משתי הקוטבים, המייצג 0 או 1; לקריאה, הוא מזהה את הקוטב כאשר האזור עובר מתחתיו. השהיות, ההמתנה לזרוע להגיע למסלול ולחלק לסובב סביבו, הן הסיבה שהדיסק הקשיח איטי יותר מאשר SSD.

זיכרון מצב מוצק (Flash)

כונן מצב מוצק מאחסן נתונים כמטען בטרנזיסטורים, ללא חלקים נעים. גישה אקראית מהירה יותר מ-HDDs, עמיד יותר, צורך פחות חשמל, אך יקר יותר לגיגה-בייט; כל תא נשחק לאחר כתיבות רבות.

לוח מעגלי פתוח של כונן מצב מוצק על רקע לבן: שבב זיכרון Flash גדול בצד שמאל, שבב בקר קטן יותר, הרבה רכיבים זעירים ומחבר SATA שטוח לאורך השפה התחתונה – ללא צלחתות או חלקים נעים
בתוך SSD: נתונים מאוחסנים בשבבי זיכרון Flash, ללא חלקים נעים (השווה עם הדיסק הקשיח למעלה)

כיצד זה עובד: כל תא הוא טרנזיסטור בעל שער צף; מטען שנכלא בשער הצף מייצג ביט ונשאר שם גם כשהמכונה כבויה; שבב הבקר ממפה כתובת כל אחת לתא ומפזר כתיבות על פני התאים, כי תא ישרד רק מספר מוגבל של כתיבות.

דיסק קשיח מגנטי כונן מצב מוצק
חלקים נעים צלחתות וראשים אין
מהירות איטי יותר: השהיות חיפוש וסיבוב גישה אקראית מהירה הרבה יותר
עלות לגיגה-בייט נמוכה גבוהה
עמידות ניזוק מנפילות; רועש; צריך חשמל רב עמיד בפני זעזועים; שקט; צריך פחות חשמל
אורך חיים כתיבות חוזרות רבות; שחיקה מכנית מספר מוגבל של מחזורי כתיבה לתא

שאלה "למה שרת משתמש בדיסקים קשיחים במקום SSD" דורשת את העמודה השמאלית: עלות נמוכה יותר לגיגה-בייט עבור קיבולת גדולה מאוד, אורך חיים ארוך תחת כתיבה מתמדת, והשבת נתונים קלה יותר.

דיסק אופטי

לייזר מזהה השברים מפני דיסק אופטי (CD, DVD, Blu-ray). הכונן הוא קורא/כותר דיסק אופטי: הכתיבה משתמשת בלייזר חזק יותר כדי לשנות את החזר האור של הפני השטח.

כונן דיסק אופטי חיצוני על רקע לבן, מגש הפתוח שלו עם דיסק בצבעי קשת מטעון
כונן דיסק אופטי: לייזר קורא חריצים זעירים בדיסק CD, DVD או Blu-ray

כיצד זה עובד: הדיסק נושא מסלול ספירלי אחד של חריצים ושטחים חלקים (האזורים השטוחים ביניהם); הדיסק מסתובב ולייזר ממוקד על המסלול; אור בהשתקפות משטח חלק שונה מאור בהשתקפות בקצה חריץ, וחיישן אור קורא כל שינוי כ-1 ואין שינוי כ-0. הכתיבה משתמשת בלייזר חזק יותר כדי לשנות את החזר האור של שכבת צבע או סגסוגת. Blu-ray משתמש בלייזר כחול עם אורך גל קצר יותר, כך שהחריצים שלו קטנים וקרובים יותר, ולכן הוא מכיל יותר נתונים מאשר DVD.

מסך מגע

מסך מגע מזהה מגע. התנגדותי: שתי שכבות מוליכות בלחץ אחת על השנייה; עובד עם הכל אך פחות מדויק. קיבולתי: אצבע מפרעת שדה מטען; מדויק, מגע מרובה, משמש בטלפונים.

אנשים משתמשים במסך מגע טאבלט ובמחשב נייד
מסך מגחש את המקום בו האצבע נוגעת בזכוכית

איך זה עובד: למסך התנגדותי ישנם שתי שכבות מוליכות דקות המופרדות על ידי בלוקים; לחיצה דוחסת את השכבה העליונה אל תחתונה, וסוגרת מעגל בנקודה זו, והבקר קורא את המתח כדי למצוא את הקואורדינטות. למסך קיבולית ישנו שכבת זכוכית מצופה במוליך שקוף שמחזיק מטען; אצבע הנוגעת בו גוררת זרם מינימלי, הזרם נמדד בכל פינה, והבקר מחשב את מיקום המגע מההפרשים. מסכי קיבול מתגבים ללחיצה קלה ולמספר אצבעות בו-זמנית, אך לא לאצבע בכפפה או לעט רגיל.

משקפת מציאות וירטואלית

משקפת מציאות וירטואלית (VR) כוללת שני תצוגות קטנות (אחת לכל עין) וחיישני תנועה (אקסלרומטר, גירוסקופ) המעקבים אחר תנועת הראש כך שהסצנה משתנה בעת צפייה סביב.

משקפת מציאות וירטואלית לבנה עם רצועת הראש ומצלמות קדמיות, על רקע לבן
משקפת מציאות וירטואלית: שתי תצוגות קטנות וחיישני תנועה מעקבים אחר הראש

איך זה עובד: כל עין רואה את התצוגה שלה דרך עדשה, ושתי התמונות שונות מעט, כך שהמוח רואה עומק; חיישנים (אקסלרומטר, גירוסקופ, לעיתים מצלמות) מדווחים היכן הראש נמצא ואילו כיוון הוא מכוון; המחשב משרטט מחדש את הסצנה מבית הנוף הזה מספר פעמים בשנייה, כך שסיבוב הראש מסובב גם את הצפייה; האוזניות מספקות צלילים המותאמים לכיוון. משמשת למשחקים, לאימונים כמו סימולטורים של טיסה או ניתוחים, ולצפייה בעיצובים לפני ביצועם.

מילון מונחים אימון
English עברית
input devices/ˈɪnpʊt dɪˈvaɪsɪz/ מכשירי כניסה
microphone/ˈmaɪkrəfəʊn/ מיקרופון
optical disc/ˈɒptɪkl dɪsk/ דיסק אופטי
volatile/ˈvɒlətaɪl/ נדיף
laser printer/ˈleɪzə ˈprɪntə/ מדפסת לייזר
drum/drʌm/ תוף
toner/ˈtəʊnə/ טונר
fuser/ˈfjuːsə/ מכשיר חימום (פיזר)
3D printer/ˌθriː ˈdiː ˈprɪntə/ מדפסת 3D
filament/ˈfɪləmənt/ חוט הדפסה
diaphragm/ˈdaɪəfræm/ ממברנה
capacitor/kəˈpæsɪtə/ קבל
analogue-to-digital converter/ˈænəlɒɡ tə ˈdɪdʒɪtl kənˈvɜːtə/ ממיר אנלוגי-דיגיטלי
digital-to-analogue converter/ˈdɪdʒɪtl tʊ ˈænəlɒɡ kənˈvɜːtə/ ממיר דיגיטלי-אנלוגי
tracks/træks/ מסילות
sectors/ˈsektəz/ מגזרים
read/write head/riːd raɪt hed/ ראש קריאה/כתיבה
actuator arms/ˈæktʃuːeɪtə ɑːmz/ זרועות אקטואטור
solid-state drive/ˈsɒlɪd steɪt draɪv/ כונן מצב מוצק
transistors/trænˈzɪstəz/ טרנזיסטורים
floating-gate transistor/ˈfləʊtɪŋ ɡeɪt trænˈzɪstə/ טרנזיסטור גריל מרחף
pits/pɪts/ חריצים
lands/lændz/ שטחים שטוחים
touchscreen/ˈtʌtʃskriːn/ מסך מגע
resistive/rɪˈzɪstɪv/ התנגדותי
capacitive/kəˈpæsɪtɪv/ קיבולתי
virtual reality/ˈvɜːtʃuːəl rɪˈælɪti/ מציאות וירטואלית
accelerometer/əkˌseləˈrɒmɪtə/ אקסלרומטר
gyroscope/ˈdʒaɪrəskəʊp/ גירוסקופ
3.1

בופרים

בופר הוא זיכרון ששומר נתונים באופן זמני בזמן מעברם בין מכשירים במהירויות שונות. לדוגמה: המעבד כותב מסמך לבופר ההדפסה במהירות, ולאחר מכן חופשי לבצע עבודות אחרות בעוד שההדפסה מודפסת מהבופר בקצבו המשלו. הבופרים מונעים ממכשיר מהיר לחכות למכשיר איטי (שימוש נוסף בזרימת מדיה, במקלדת ובגישה לדיסק).

"הסבר מדוע מדפסת 3 דורשת בופר": המחשב שולח את נתוני ההדפסה מהר הרבה יותר מאשר המדפסת יכולה לבנות את השכבות, ולכן הנתונים נשמרים בבופר עד שהמדפסת מוכנה להם, ומעבד החופשי לעבוד על משימות אחרות. כאשר הבופר מתרוקן, המדפסת שולחת הפרעה (interrupt) כדי לבקש עוד נתונים (נושא 4). זרימת וידאו עובדת באותו אופן: הבופר מתמלא מראש לפני ההפעלה כך שאימה קצרה במהירות הרשת לא תעצור את התמונה.

מילון מונחים אימון
English עברית
interrupt/ˈɪntərʌpt/ הפרעה
non-volatile/nɒn ˈvɒlətaɪl/ לא נדלית
3.1

RAM ו-ROM

  • RAM (Random Access Memory) — נדיף (מאבד נתונים ללא חשמל). מכיל את מערכת ההפעלה, התוכניות הפועלות ואת הנתונים שלהן; קריאה וכתיבה מתמשכות.
  • ROM (Read-Only Memory) — בלתי נדיף (שומר נתונים ללא חשמל). כתוב בדרך כלל פעם אחת; מכיל את ה-firmware הנדרש בהפעלה (ה-BIOS / Boot loader).
RAM היא נדיפה וקריאה/כתיבה; ROM היא לא נדיפה וקריאה בלבד
RAM היא נדיפה וקריאה/כתיבה; ROM היא לא נדיפה וקריאה בלבד

ה-ROM מפעיל את המערכת; לאחר מכן ה-RAM מכיל את העבודה הפעילה.

RAM ROM
נדיף? כן: התוכן מאבד כשהחשמל נכבה לא: התוכן שמר ללא חשמל
קריאה/כתיבה? קריאה וכתיבה מתמשכות קריאה בלבד בשימוש רגיל
מכיל מערכת ההפעלה, תוכניות הפועלות ונתונן ה-firmware ותוכנית ההפעלה שמתחילות את המחשב
גודל גדול, וניתן להגדיל בדרך כלל קטן וקבוע
שימוש נפוץ הזיכרון הראשי של מחשב או טלפון קוד ההפעלה של מחשב אישי; התוכנה כולה במערכת מובנית כמו מכונת כביסה

RAM גדול יותר מאפשר למחשב להחזיק יותר תוכניות ונתונים בו-זמנית, כך שהוא מבצע פחות החלפות בין זיכרון לדיסק ומספק ביצועים טובים יותר; זהו התשובה לשאלה "הסבר מדוע המחשב עם RAM גדול יותר מספק ביצועים טובים יותר".

מודול RAM (DIMM): לוח מעגלי בצורת מקל עם רדיאטור שחור על גבי שבבי הזיכרון ומחבר עם קצה זהב המותקן בתושבת על הלוח האם
מודול RAM (DIMM) מתחבר ללוח האם כזיכרון ראשי מהיר במחשב

החלוקה באותו זיכרון משנה גם במכשיר נייד: התוכנה הקבועה שלו חייבת להישאר זמינה לאחר כיבוי, בעוד שהקריאות החיות משתנות במהלך השימוש.

מדד דופק שנענד על פרק כף יד של רץ
מדד דופק הנענד על פרק כף היד
חקור

מעבדת מכשירים ואחסון

מיינו פלטפורמות מחשוב לפי העבודה שהן מבצעות במערכת.

3.1

SRAM לעומת DRAM

  • SRAM (RAM סטטי) מאחסן כל ביט ב-פליפ-פלופ המורכב ממספר טרנזיסטורים. מהיר, אך יקר ולא צפוף. משמש ל-Cache של מעבד.
  • DRAM (RAM דינמי) מאחסן כל ביט כמטען על קבל מיניאטורי. זול וצפוף יותר אך איטי יותר, ועליו להתחדש (להיכתב מחדש) אלפי פעמים בשנייה. משמש לזיכרון ראשי.

השתמש ב-SRAM לזיכרון קטן ומהיר (Cache); ב-DRAM לזיכרון ראשי גדול.

SRAM DRAM
אופן אחסון כל ביט פליפ-פלופ של מספר טרנזיסטורים קבל אחד וטרנזיסטור אחד
זקוק להתחדשות? לא כן, אלפי פעמים בשנייה
מהירות מהיר יותר איטי יותר
צפיפות ועלות פחות ביטים לכל שבב, יקר יותר יותר ביטים לכל שבב, זול יותר
צריכת חשמל צורך פחות חשמל במצב עומד צורך יותר, בגלל ההתחדשות
שימוש Cache של מעבד זיכרון ראשי, כולל במערכות מובנות

"הסבר מדוע המערכת המובנית משתמשת ב-DAM": היא זקוקה לכמות גדולה של זיכרון בעלות נמוכה ובמרחב קטן, והדרישה שלה למהירות היא צנועה, ולכן ה-DAM הזול והצפוף הוא הבחירה הנכונה; ה-SRAM שמור ל-Cache הקטן שבו מהירות היא הקריטית ביותר.

מילון מונחים אימון
English עברית
SRAM/ˈesræm/ SRAM סטטי
DRAM/ˈdiːræm/ DRAM דינמי
flip-flop/flɪp flɒp/ פליפ-פלופ
cache/kæʃ/ מטמון (Cache)
refreshed/rɪˈfreʃt/ רענון
3.1

PROM, EPROM ו-EERP

סוגי ROM שניתן לתכנות לאחר הייצור:

  • PROM (זיכרון קריא-כתוב מתכנת) — נכתב פעם אחת (נשרפים פיוזים על ידי מתכנת); אינו ניתן לשינוי.
  • EPROM (זיכרון קריא-כתוב מחק באור אולטרה סגול) — נמחק על ידי אור UV חזק דרך חלון, ולאחר מכן נכתב מחדש (כל השבב בו זמנית).
  • EEPROM (זיכרון קריא-כתוב מחק בחשמל) — נמחק ונכתב מחדש חשמלית, בייט בייט, בתוך המעגל. זיכרון Flash הוא גרסה משופרת המותאמת למחיקה בבלוקים.
שבב EPROM שחור עם חלון קוורץ עגול החושף את שבב הסיליקון שלו
שבב EPROM עם חלון למחיקה באולטרה סגול
PROM EPROM EEPROM
כתיבה פעם אחת, על ידי המשתמש בעזרת מתכנת מספר רב של פעמים מספר רב של פעמים
מחיקה על ידי לא ניתן למחוק אור אולטרה סגול דרך חלון קוורץ אות חשמלי
מה נמחק אין דבר כל השבב בו זמנית בייט או בלוק בכל פעם
האם יש להוציא מהמעגל כדי לכתוב מחדש? לא רלוונטי כן לא

"תן שני הבדלים בין EPROM ל-EERPOM" דורש שני שורות בטבלה זו, כאשר כל סוג מתואר בשניהם.

3.1

מערכות ניטור ושליטה

שתי המערכות קוראות חיישנים; ההבדל הוא במעשה שאותו הן מבצעות לאחר מכן.

  • ניטור — איסוף ועדכון נתונים אך אינו נוטל פעולה (תחנת מזג אוויר המקליטה קריאות).
  • מערכת שליטה — משתמשת בנתוני החיישן כדי לקבל החלטות ולפעול באמצעות מנגנוני פעולה, לרוב במעגל משוב (תרמוסטט מדליק/מכבה דוד).

התשובה לשאלת 3 ניקוד "תיאר את ההבדלים": מערכת ניטור מדדת, מקליטה או מציגה קריאות, ומקסימום מופעת אזהרה; מערכת בקרת משווה כל קריאה עם ערך מוגדר מראש, ואם היא מחוץ לטווח, שולחת אותות למפעילים שיבצעו שינוי בתהליך הפיזי; השינוי נמדד שוב, ולכן למערכת בקרה יש משוב (feedback) ולא למערכת ניטור. האם מערכת נתונה היא אחת או השנייה נקבע לפי מבחן זה: מערכת גשר שמודדת גובה של רכב ומדליקה תמרור היא ניטור, כי מה שהיא עושה אינו משנה את הרכב; מערכת שהורידה מכשול היא בקרה.

דוגמה מפורטת. תאר כיצד מערכת אוטומטית פותחת דלת כאשר אדם נמצא בתוך 2 מטרים וסוגרת אותה כאשר אין אדם.

חיישן אינפרא אדום או אולטרסוניק מודד את המרחק לכל אובייקט מול הדלת; הקריאה האנלוגית מומרת דיגיטלית על ידי ממיר A/D ונשלחת למעבד; המעבד מקרין את המרחק ל-2 המטרים המוגדרים מראש; אם הוא קטן יותר, המעבד שולח אות למנגנון הפעולה (מנוע) לפתוח את הדלת; החיישן ממשיך למדוד, וכאשר לא מתקבלת קריאה מתחת ל-2 מטרים, המעבד שולח אות למנוע לסגור את הדלת. המדידה החוזרת לאחר כל פעולה היא המשוב המונע מהדלת להיפתח ולהיסגר בזמנים שגויים.

תרשים זרימה: חיישנים שולחים אותות דרך ADC למעבד, שמדווח על אזהרה לניטור או שולח אותות למערכות הפעלה במעגל משוב לבקרה
ניטור מדווח על נתונים; מערכת שליטה פועלת באמצעות מעגל משוב

חיישנים ומפעילים

חיישן ממיר גודל פיזיקלי לסמנל: טמפרטורה (תרמיסטור או זוג תרמו-אלקטרי), לחץ (מד מתיחה), אינפרא אדום, קול. סמנלים אנלוגיים דורשים ADC בתחילה. מפעיל מבצע את ההפך — ממיר סמנל לפעולה (מנוע, שסתום, מחמם, צ'יפס).

חרוזים קטנים עם תרמיסטורים ורגלי חוט כפולות כל אחד, על רקע לבן
תרמיסטור: חיישן טמפרטורה שההתנגדות שלו משתנה בהתאם לחום
מנוע צעד מתכת קטן עם ציר מרכזי וחוט צבעוניים, על רקע סטודיו כהה
מנוע חשמלי קטן: מפעיל שממיר סמנל לתנועה

משוב

במערכת בקרה המפעיל משנה את הסביבה, אותה החיישנים מודדים שוב — לולאת משוב. ללא משוב מערכת לא יכולה לתקן עצמה או לדעת מתי לעצור (תרמוסטט ללא משוב טמפרטורה יחמם לנצח).

חקור

לולאת הפידבק בשליטה

הקישור בסביבת הלולאה הוא תרמוסטט או טייוס אוטומטי. מערכת שליטה לא רק קוראת את העולם — היא פועלת, ואז מודדת מחדש, ומתקנת את עצמה שוב ושוב.

מילון מונחים אימון
English עברית
actuator/ˈæktʃuːeɪtə/ מעביר פעולה (Actuator)
primary memory/ˈpraɪməri ˈmeməri/ זיכרון ראשוני
processor/ˈprəʊsesə/ מעבד
monitoring/ˈmɒnɪtərɪŋ/ ניטור
feedback/ˈfiːdbæk/ משוב
preset value/ˈpriːset ˈvæljuː/ ערך ברירת מחדל
thermistor/ˈθɜːmɪstə/ תרמיסטור
3.2

שערים לוגיים

סיילבוס
המועמדים צריכים להיות מסוגלים: הערות והנחיות
השתמש בסמלי שערי לוגיקה הבאים: [NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR]
הבן והגדר את פונקציות: שערי NOT, AND, OR, NAND, NOR ו-XOR (EOR) כל שערי הלוגיקה למעט NOT יהיו עם שני כניסות בלבד.
בנה טבלת אמת עבור כל אחד משערי הלוגיקה לעיל
בנה מעגן לוגי מ: • ניסוח בעיה • ביטוי לוגי • טבלת אמת
בנה טבלת אמת מתוך: • ניסוח בעיה • מעגל לוגי • ביטוי לוגי
בנה ביטוי לוגי מתוך: • ניסוח בעיה • מעגל לוגי • טבלת אמת

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

הוסף למחצה: XOR + AND מחברים שני ביטים

שער לוגי הוא מעגל קטן שמבצע פעולה בולית אחת. קלטות ויציאות הן 0 (שקר, נמוך) או 1 (אמת, גבוה). יש להכיר את הסמל, הפונקציה והטבלת אמת של כל שער.

סמלי המעגלים עבור שערי NOT, AND, OR, NAND, NOR ו-XOR ברשת של שניים בשלושה
הסמלים של שישה שערים לוגיים

NOT (מפוך)

A NOT A
0 1
1 0

AND — יציאה 1 רק אם כל הקלטות הם 1

A B A AND B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

OR — יציאה 1 אם לפחות אחד מהקלטות הוא 1

A B A OR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

NAND (NOT AND) — יציאה 0 רק כאשר כל הקלטות הם 1

A B A NAND B
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

NOR (NOT OR) — תוצאה 1 רק כאשר כל הקלטים הם 0

A B A NOR B
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

XOR (OR בלעדי, גם נקרא EOR) — תוצאה 1 אם הקלטים שונים

A B A XOR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
חקור

שער לוגיקי

החלף את הקלטות ובחר בדלת. לכל דלת יש כלל משלה — אלו הבניינים היסודיים של כל מעגל דיגיטלי.

מילון מונחים אימון
English עברית
logic gate/ˈlɒdʒɪk ɡeɪt/ שער לוגי
3.2

מעגלים לוגיים

מעגל לוגי הוא רשת של שערים המבצעים ביטוי בוליאני. עליך להיות מסוגל לעבור בין ניסוח בעיה, ביטוי לוגי, טבלת אמת ותרשים מעגל.

המבחן כותב ביטויים במילים, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), ומקבל את הצורה האלגברית $X = A\overline{B} + BC$ שבה נקודה (או עדר) היא AND, סימן פלוס הוא OR, וקו עליון הוא NOT. השתמש במה שהשאלה משתמשת בו.

מביטוי למעגל

צייר שער אחד לכל אופרטור וחבר אותם בחוטים. עבור $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: שער NOT על $C$, שער AND על $A$ ועל $B$, ולאחר מכן שער OR על שתי התוצאות.

מעגל לוגי: שערי AND על הקלט A ו-B, שערי NOT על הקלט C, שניהם מחוברים לשער OR המניב את הפלט X
שערים מחוברים זה לזה כדי לבצע ביטוי בוליאני

ממעגל לביטוי

עבוד קדימה מהקלטים, ומספר את יציאת כל שער, עד שתגיע ליציאה הסופית.

דוגמא פותרת. כתוב את הביטוי עבור המעגל למטה, ולאחר מכן השלם את טבלת האמת שלו.

A logic circuit with inputs A, B and C. B passes through a NOT gate; A and NOT B feed an AND gate whose output is labelled P; B and C feed a second AND gate whose output is labelled Q; P and Q feed an OR gate whose output is X
תווץ כל יציאה ביניים: כאן P היא A AND NOT B ו-Q היא B AND C, ולכן X היא P OR Q

תווץ את יציאות השערים: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, ולכן $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. לאחר מכן הוסף לעמוד טבלת האמת עמוד לכל יציאה ביניים, כך שכל שורה תוכל להיות נבדקת שער אחת אחת:

A B C NOT B P Q X
0 0 0 1 0 0 0
0 0 1 1 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 1 1
1 0 0 1 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1
1 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 1 1

ציור מעגל מביטוי הוא אותו הליך הפוך: התחל מהסוגריים הפנימיים ביותר, צייר שער אחד לכל אופרטור, צייר שער NOT על החוט של כל קלט המופיע עם NOT, שמור על הקלטים בצד שמאל והיציאה היחידה בצד ימין, ותווץ את היציאה באות שלה. כל קו חייב להסתיים בקלט שער או ביציאה; קו שלא הולך לאף מקום מאבד את הנקודות.

ממעגל לטבלת אמת

עבור $n$ קלטים ישנם $2^{n}$ שורות. ספר כל שילוב קלט; עבור כל אחד, חשב את השערים הפנימיים ולאחר מכן את היציאה.

מטבלת אמת לביטוי (סכום מכפלות)

עבור כל שורה שמציאה 1, כתוב AND של הקלטות (עם NOT על כל קלט שהוא 0 בשורה זו); OR אותן יחד. דוגמה: טבלה שהיא 1 רק ב$(A=0,B=1)$ וב$(A=1,B=0)$ נותנת $\overline{A}B + A\overline{B}$, שהיא $A \text{ XOR } B$.

מניסוח בעיה

המיר את האנגלית לביטוי בוליאני תחילה: "A ו-B" → A AND B; "A או B או שניהם" → A OR B; "אחד בדיוק מ-A ו-B" → A XOR B; "לא A ולא B" → A NOR B; "לא שניהם" → A NAND B.

Worked example. A machine's alarm $X$ sounds when the guard is open ($A=1$) and either the motor is running ($B=1$) or the temperature is high ($C=1$). Write the Boolean expression, and give the rows where $X=1$. Turn the English into logic one clause at a time: "either B or C" is $B + C$, and "A and that" is $X = A\cdot(B + C)$. For the rows, $X=1$ needs $A=1$ and at least one of $B$, $C$ equal to 1 - so $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ and $(1,1,1)$, three rows out of eight. Notice $A=0$ can never sound the alarm, whatever $B$ and $C$ do. Bracket the OR before ANDing it: $X = A\cdot B + C$ is a different circuit altogether, one that would sound the alarm on a high temperature even with the guard closed.

תאי Flash וחיישני אור

בתא Flash בעל שער צף מבודד, שער צף מבודד שומר מטען ללא ספק כוח רציף. מתח על השער הבוקע משמש לתכנות או לקריאת התא; המטען השמור משנה את מתח הסף בו הטרנזיסטור מעביר זרם, כך שמעגל הקריאה מבדיל בין מצבים מאוחסנים. מחיקה מסירה את המטען השמור. NAND flash מחבר תאים ברצועות ומתאים לאחסון בלוקים צפוף; NOR flash מאפשר גישה ישירה למיקומים בודדים, שימושי עבור קושחה. לשניהם אין חלקים נעים.

חיישן אור מדד את עוצמת האור, לדוגמה כדי לשלוט במנורת רחוב כאשר חורף. האות האנלוגי שלו יכול לעבור דרך ADC לפני שהמעבד ישווה אותו לסף. צין את הכמות הפיזית הנמדדת, ההמרה אם נדרשת, והפעולת הבקרה resulting.

חקור

מחשב חצי

חבר את XOR ו-AND לשני הקלטים זהים: XOR ייתן את ביט הסכום, AND ייתן את הביט הנשאף. לחץ על A ועל B.

חקור

מעגלים לוגיים

שערים משתלבים למעגלים

לכל שער יש חוק קבוע; חיבורם בסדרה בונה כל מעגל — התחל בשער אחד.

מילון מונחים אימון
English עברית
Boolean/ˈbuːlɪən/ בוליאני
logic circuit/ˈlɒdʒɪk ˈsɜːkɪt/ מעגל לוגי
3.2

הגדרות מקובלות בקורס

שאלת הגדרה מוקדמת לפי טקסט קבוע. לימודן במדויק, ותן תשובה אחת בלבד.

מונח הגדרה
embedded system מערכת מחשב עם פונקציה ייעודית שנבנתה בתוך התקן גדול יותר
buffer אזור בזיכרון שאחסון זמנית נתונים בזמן העברתם בין התקנים הפועלים במהירויות שונות
RAM זיכרון נדיף שניתן לקרוא ממנו ולכתוב בו, מאחסן את התוכניות והנתונים בשימוש
ROM זיכרון לא נדיף שאת תכולתו אי אפשר לשנות בשימוש רגיל, מאחסן את הוראות ההפעלה
SRAM RAM סטטית שאחסנה כל ביט בפליפ-פלופ ואינה זקוקה לרענון
DRAM RAM דינמית שאחסנה כל ביט כעומסה על קבל וחייבת להיות מרוענת ברצף
monitoring system מערכת המשמשת חיישנים למדידה ולדיווח על תהליך פיזיקלי מבלי לשנות אותו
control system מערכת המשמשת קריאות חיישנים כדי לקבל החלטות ולבצע פעולות, דרך מוצרים, שמשנות תהליך פיזיקלי
sensor מכשיר שממד כמות פיזיקלית וממיר אותה לאות למחשב
actuator מכשיר שממיר אות ממחשב לפעולה פיזיקלית
feedback הפלט של מערכת בקרה שנמדדת ומוזרק חזרה כקלט כדי שהמערכת תוכל לתקן את עצמה
logic gate מעגל אלקטרוני שמבצע פעולה בוליאנית על קלט בוליאני אחד או יותר כדי לתת פלט בוליאני אחד
truth table טבלה המפרטת כל שילוב של קלטות למעגל לוגיקי עם הפלט עבור כל אחד מהם
מילון מונחים אימון
English עברית
sensor/ˈsensə/ חיישן
output devices/ˈaʊtpʊt dɪˈvaɪsɪz/ מכשירי יציאה
embedded system/emˈbedɪd ˈsɪstəm/ מערכת מובנית
buffer/ˈbʌfə/ חוםץ (Buffer)
control system/kənˈtrəʊl ˈsɪstəm/ מערכת בקרה
truth table/truːθ ˈteɪbl/ טבלת אמת
3.2

טיפים לבחינות

  • הבדל בין RAM (נדיף, קריאה/כתיבה) לבין ROM (לא נדיף, אחסון הפעלה); SRAM (מטמון, מהירה יותר) מ-D RAM (זיכרון ראשי, זקוק לרענון).
  • עבור מעגל לוגיקי, בנה את הביטוי הבוליאני שעל ידי שער, ולאחר מכן טבלת אמת המכסה כל שילוב קלט.
  • ללמוד את הסמל, הביטוי וטבלת האמת עבור כל שערי לוגיקה (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
  • להסביר מגבר (Buffer: אחסון זמני המקשר בין שני קצבי פעולה שונים) ותפקיד ההפרעה.

טעויות נפוצות

  • ציין את שם המכשיר במקום לתאר את תהליך הפעולה שלו. ביטוי כמו "הוא משתמש בלייזר" לא יזכה בנקודות; לעומת זאת, פירוט השלבים (טעינת התוף, הסרת מטען על ידי הלייזר, משיכת הטונר, העברה והדבקה) יזכו בנקודות.
  • טענה שמערכת ניטור "שולטת" במשהו. אם אין שינוי בתהליך הפיזי, מדובר בניטור; הוספת מערך ביצוע (actuator) ומשוב הופכת את המערכת לשלט.
  • כתיבה כי RAM "אוחסן קבצים לצמיתות" או כי ROM "אוחסן את הנתונים של המשתמש". RAM הוא זיכרון עבודה סחף; ROM מכיל את הוראות ההפעלה הקבועות.
  • טבלת אמת עם פחות מ-$2^{n}$ שורות, או שורות בסדר אקראי. ספור במערכת ספירה דו-ספרתית מ-000 עד 111 כדי לוודא שלא נעבר על שום קומבינציה.
  • למשוך שני קווים ממכנס יציאה אחד של שער כדי להיות בטוח, או להשאיר חוט שנגמר במקום כלשהו. שרטט בדיוק את החיבורים שהביטוי דורש.

שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה

לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.

מבחני עבר

נושאים נוספים במדעי המחשב A-Level

היכנס או צור חשבון

IGCSE, A-Level & AP