Perangkat Keras

Komputer serbaguna memiliki empat blok pembangun:

• perangkat input — memasukkan data (keyboard, mouse, mikrofon, scanner, sensor).
• perangkat output — menampilkan hasil (monitor, speaker, printer, aktuator).
• memori primer — memori cepat yang diakses langsung oleh prosesor (CPU) (RAM dan ROM). Menyimpan program yang sedang berjalan dan datanya.
• penyimpanan sekunder — lebih lambat, berkapasitas besar, menyimpan program dan data saat tidak digunakan (hard disk, SSD, cakram optik, stik USB).

Syllabus meminta alasan mengapa masing-masing dibutuhkan. Perangkat input dibutuhkan karena komputer hanya dapat memproses data dan instruksi yang telah dimasukkan. Perangkat output dibutuhkan untuk menyajikan hasil dalam bentuk yang dapat digunakan orang. Memori primer dibutuhkan karena prosesor hanya dapat mengeksekusi instruksi dan menggunakan data yang disimpan dalam memori yang dapat ia akses secara langsung, dan harus mencapainya dengan cepat. Penyimpanan sekunder dibutuhkan karena memori primer bersifat volatil dan berkapasitas kecil: program dan data harus bertahan saat listrik dimatikan, dalam tempat penyimpanan yang lebih besar dan murah, dan penyimpanan dapat dilepas memungkinkan data dipindahkan antar komputer atau disimpan sebagai cadangan.

Sebuah sistem tertanam adalah komputer yang dibangun di dalam perangkat lain untuk melakukan satu tugas tetap (mesin cuci, microwave, unit mesin mobil, termostat).

• manfaat: dioptimalkan untuk satu tugas, sehingga ukurannya kecil, hemat daya dan murah diproduksi dalam jumlah besar; andal, karena menjalankan satu program tetap dengan sedikit peluang error; mulai dengan cepat dan tidak memerlukan pengaturan pengguna; mudah digunakan melalui antarmuka sederhana.
• kelemahan: terbatas pada satu tugas, sehingga tidak dapat ditingkatkan untuk melakukan lebih banyak hal; sulit diperbarui (firmware-nya mungkin memerlukan alat khusus atau sama sekali tidak dapat diubah); sulit dalam pemecahan masalah, dan biasanya seluruh perangkat harus diganti jika rusak; jika terhubung ke jaringan, dapat menjadi celah keamanan, karena software-nya jarang diperbaiki.

Pertanyaan "jelaskan kelemahan" meminta setiap kelemahan sebagai poin penuh: apa keterbatasannya dan apa artinya bagi pengguna, misalnya "firmware tidak dapat diperbarui, sehingga kesalahan keamanan yang ditemukan kemudian tidak dapat diperbaiki".

Printer laser

Sebuah printer laser memindai gambar halaman ke atas drum fotosensitif yang bermuatan. Toner menempel pada area yang bermuatan, ditransfer ke kertas, dan dilebur dengan fuser. Cepat, tajam, volume tinggi.

Cara kerjanya, dalam langkah-langkah yang terdaftar dalam skema nilai:

1. Data untuk halaman dikirim ke buffer printer.
2. Drum diberikan muatan elektrostatis seragam.
3. Laser, dipantulkan oleh cermin berputar, memindai gambar halaman ke drum, menghilangkan muatan di tempat ia mengenai, sehingga muatan yang tersisa di drum sesuai dengan gambar.
4. Toner, bubuk bermuatan, hanya tertarik pada bagian-bagian drum yang bermuatan.
5. Kertas diberi muatan berlawanan dan digulung terhadap drum, sehingga toner berpindah ke atasnya.
6. Fuser, sepasang rol pemanas, meleburkan toner ke dalam kertas. Drum kemudian dibersihkan dan dikosongkan muatannya untuk halaman berikutnya.

Printer 3D

Pencetak 3D 3D membina objek lapis demi lapis: FDM melebur filamen plastik melalui muncung; stereolithography mengeraskan resin cecair dengan laser UV. Digunakan untuk prototaip dan bahagian perubatan tersuai.

Cara kerjanya:

1. Model objek dirancang dalam perangkat lunak CAD (atau dipindai).
2. Perangkat lunak slicing membagi model menjadi lapisan horizontal tipis dan menghasilkan instruksi untuk masing-masing.
3. Printer membangun objek satu lapis demi satu lapis: printer FDM melebur filamen plastik dan menurunkannya melalui nosel bergerak; printer resin mengerasikan resin cair dengan laser atau cahaya UV; printer serbuk menyatukan serbuk dengan laser.
4. Setiap lapis menempel pada lapis di bawahnya, dan platform (atau nosel) bergerak sepanjang ketebalan satu lapis.
5. Ketika lapisan terakhir selesai, semua material penyangga dihapus. Penggunaannya meliputi prototipe, bagian medis kustom seperti prostetik, dan suku cadang yang dicetak sesuai permintaan.

Mikrofon dan speaker

Sebuah mikrofon mengubah suara menjadi sinyal listrik (diafragma bergetar, mengubah muatan kapasitor atau posisi kumparan); sinyal tersebut didigitalkan oleh konverter analog-ke-digital (ADC). Speaker melakukan sebaliknya — sinyal bervariasi menggerakkan kumparan dalam medan magnet, menggerakkan kerucut untuk menghasilkan suara.

Cara mikrofon bekerja: gelombang suara membuat diafragma bergetar; pada mikrofon dinamis, kumparan yang terpasang pada diafragma bergerak dalam medan magnet, sehingga arus bervariasi diinduksikan di dalamnya, dan pada mikrofon kondensor, diafragma adalah salah satu pelat kapasitor yang kapasitasnya berubah saat bergerak; sinyal analog yang bervariasi kemudian diambil sampelnya oleh ADC dan disimpan sebagai data digital. Speaker menjalankan rantai ini terbalik: konverter digital-ke-analog (DAC) menghasilkan arus bervariasi, arus dalam kumparan menciptakan medan magnet yang berubah yang mendorong magnet permanen, kumparan dan kerucut bergerak masuk dan keluar, dan gerakan kerucut menghasilkan gelombang tekanan di udara.

Hard disk magnetik (HDD)

Sebuah hard disk menyimpan data pada piringan berputar yang dilapisi bahan magnetik. Setiap piringan memiliki lintasan yang dibagi menjadi sektor. Kepala baca/tulis melayang tepat di atasnya dan memagnetisasi wilayah kecil (menulis) atau mendeteksinya (membaca). Murah per gigabyte, tetapi lebih lambat daripada SSD dan memiliki bagian bergerak.

Cara kerjanya: piringan berputar dengan kecepatan tinggi (ribuan putaran per menit); setiap permukaan dibagi menjadi lintasan konsentris dan setiap lintasan menjadi sektor; kepala baca/tulis pada lengan aktuator bergerak melintasi piringan menuju lintasan yang benar; untuk menulis, kepala memagnetisasi wilayah kecil dengan salah satu dari dua polaritas, mewakili 0 atau 1; untuk membaca, ia mendeteksi polaritas saat wilayah itu melewati di bawahnya. Penundaan, menunggu lengan mencapai lintasan dan sektor berputar lengkap, adalah alasan mengapa hard disk lebih lambat daripada SSD.

Memori solid-state (flash)

Sebuah solid-state drive menyimpan data sebagai muatan dalam transistor, tanpa bagian bergerak. Akses acak lebih cepat daripada HDD, lebih tangguh, konsumsi daya lebih rendah, namun lebih mahal per gigabyte; setiap sel akan aus setelah banyak kali penulisan.

Cara kerjanya: setiap sel adalah transistor gerbang terapung; muatan yang terperangkap pada gerbang terapung merepresentasikan bit dan tetap ada di sana saat daya dimatikan; chip pengontrol memetakan setiap alamat ke sel dan menyebarkan penulisan melintasi sel-sel tersebut, karena sebuah sel hanya bertahan untuk jumlah penulisan yang terbatas.

Pertanyaan "mengapa server menggunakan hard disk daripada SSD" menginginkan kolom kiri: lebih murah per gigabyte untuk kapasitas yang sangat besar, umur panjang di bawah penulisan konstan, dan pemulihan data yang lebih mudah.

Piringan optik

Laser mendeteksi pantulan dari celah-celah kecil pada piringan optik (CD, DVD, Blu-ray). Drive ini adalah pembaca/penulis piringan optik: penulisan menggunakan laser yang lebih kuat untuk mengubah reflektivitas permukaan.

Cara kerjanya: piringan membawa satu lintasan spiral panjang berisi celah dan lapangan (area datar di antaranya); piringan berputar dan laser difokuskan pada lintasan; cahaya yang dipantulkan dari lapangan berbeda dengan cahaya yang dipantulkan di tepi celah, dan sensor cahaya membaca setiap perubahan sebagai 1 dan tidak adanya perubahan sebagai 0. Penulisan menggunakan laser yang lebih kuat untuk mengubah reflektivitas lapisan pewarna atau paduan. Blu-ray menggunakan laser biru dengan panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga celahnya lebih kecil dan lebih rapat, yang menjadi alasan mengapa ia menampung lebih banyak data daripada DVD.

Layar sentuh

Layar sentuh mendeteksi kontak. Resistif: dua lapisan konduktif ditekan bersama; bekerja dengan apa saja tetapi kurang akurat. Kapasitif: jari mengganggu medan muatan; akurat, multi-sentuh, digunakan di ponsel.

Cara kerjanya: layar resistif memiliki dua lapisan konduktif tipis yang dipisahkan oleh spacer; menekan mendorong lapisan atas ke lapisan bawah, menutup rangkaian pada titik tersebut, dan pengontrol membaca tegangan untuk menemukan koordinatnya. Layar kapasitif memiliki lapisan kaca yang dilapisi konduktor transparan yang menahan muatan; jari yang menyentuhnya menarik arus kecil, arus diukur di setiap sudut, dan pengkontrol menentukan posisi sentuhan berdasarkan perbedaan tersebut. Layar kapasitif merespons sentuhan ringan dan beberapa jari sekaligus, tetapi tidak pada jari berkemeja atau stylus biasa.

Headset realitas virtual

Headset realitas virtual (VR) memiliki dua layar kecil (satu untuk masing-masing mata) dan sensor gerakan (akselerometer, giroskop) yang melacak pergerakan kepala sehingga adegan bergeser saat Anda melihat sekeliling.

Cara kerjanya: setiap mata melihat layarnya sendiri melalui lensa, dan kedua gambar sedikit berbeda, sehingga otak melihat kedalaman; sensor (akselerometer, giroskop, kadang-kadang kamera) melaporkan di mana kepala berada dan ke arah mana mengarah; komputer merender ulang adegan dari pandangan tersebut berkali-kali per detik, sehingga memutar kepala memutar pandangan; headphone memberikan suara yang sesuai dengan arahnya. Digunakan untuk permainan, pelatihan seperti simulator penerbangan atau operasi bedah, dan untuk melihat desain sebelum dibangun.

Buffer adalah memori yang menahan data sementara saat data berpindah antar perangkat dengan kecepatan berbeda. Contoh: CPU menulis dokumen ke buffer printer dengan cepat, lalu bebas melakukan pekerjaan lain sementara printer mencetak dari buffer dengan kecepatannya sendiri. Buffer mencegah perangkat cepat menunggu perangkat lambat (juga digunakan dalam streaming, keyboard, dan akses disk).

"Jelaskan mengapa printer 3D membutuhkan buffer": komputer mengirim data pencetakan jauh lebih cepat daripada kemampuan printer membangun lapisan, sehingga data disimpan dalam buffer hingga printer siap untuk itu, dan pemroses dibebaskan untuk melakukan pekerjaan lain. Ketika buffer hampir habis, printer mengirimkan interupsi untuk meminta lebih banyak (topik 4). Aliran video bekerja sama: buffer diisi terlebih dahulu sebelum pemutaran agar penurunan singkat pada kecepatan jaringan tidak menghentikan gambar.

• RAM (Random Access Memory) — volatil (kehilangan data tanpa daya). Menahan OS, program yang berjalan, dan data mereka; dibaca dan ditulis terus-menerus.
• ROM (Read-Only Memory) — non-volatil (menjaga data tanpa daya). Biasanya ditulis sekali; memegang firmware yang dibutuhkan saat startup (BIOS / boot loader).

ROM memulai sistem; kemudian RAM menahan pekerjaan aktif.

RAM yang lebih besar memungkinkan komputer menyimpan lebih banyak program dan data sekaligus, sehingga mengurangi pertukaran antara memori dan disk serta menjalankan proses lebih cepat; inilah jawaban untuk "jelaskan mengapa komputer dengan RAM lebih besar berkinerja lebih baik".

Pembagian memori yang sama juga berlaku pada perangkat wearables: program tetapnya harus tetap tersedia setelah daya dimatikan, sementara pembacaan langsungnya berubah selama penggunaan.

• SRAM RAM Statis menyimpan setiap bit dalam flip-flop dari beberapa transistor. Cepat, tetapi mahal dan tidak padat. Digunakan untuk cache CPU.
• DRAM RAM Dinamis menyimpan setiap bit sebagai muatan pada kapasitor kecil. Lebih murah dan padat tetapi lebih lambat, dan harus diperbarui (ditulis ulang) ribuan kali per detik. Digunakan untuk memori utama.

Gunakan SRAM untuk memori kecil yang cepat (cache); DRAM untuk memori utama yang besar.

"Jelaskan mengapa sistem tertanam menggunakan DRAM": sistem ini membutuhkan kapasitas memori besar dengan biaya rendah dalam ruang kecil, dan persyaratan kecepatannya sederhana, sehingga DRAM yang lebih murah dan padat adalah pilihan tepat; SRAM dipertahankan untuk cache kecil di mana kecepatan paling penting.

Varian ROM yang dapat diprogram setelah produksi:

• PROM (Programmable ROM) — ditulis sekali (fuses dibakar oleh programmer); tidak dapat diubah.
• EPROM (Erasable Programmable ROM) — dihapus oleh cahaya UV kuat melalui jendela, lalu ditulis ulang (seluruh chip sekaligus).
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) — dihapus dan ditulis ulang secara listrik, byte demi byte, langsung dalam rangkaian. Flash memory adalah turunan yang dioptimalkan untuk penghapusan blok.

"Berikan dua perbedaan antara EPROM dan EEPROM" meminta dua baris dari tabel ini, masing-masing dijelaskan untuk kedua jenis tersebut.

Keduanya membaca sensor; perbedaannya terletak pada apa yang dilakukan selanjutnya.

• pemantauan — mengumpulkan dan melaporkan data tetapi tidak mengambil tindakan (stasiun cuaca yang mencatat pembacaan).
• sistem kontrol — menggunakan data sensor untuk memutuskan dan bertindak melalui aktuator, biasanya dalam umpan balik (termostat yang menyalakan/mematikan boiler).

Jawaban "uraikan perbedaannya" bernilai tiga poin: sistem pemantauan hanya mengukur, merekam, atau menampilkan pembacaan, dan maksimal hanya memunculkan peringatan; sistem kontrol membandingkan setiap pembacaan dengan nilai preset, dan jika berada di luar rentang, mengirim sinyal ke aktuator yang mengubah proses fisik; perubahan tersebut kemudian diukur kembali, sehingga sistem kontrol mengandung umpan balik sedangkan sistem pemantauan tidak. Apakah suatu sistem tertentu termasuk salah satu atau lainnya ditentukan oleh uji tersebut: sistem jembatan yang mengukur tinggi kendaraan dan menyalakan tanda peringatan adalah pemantauan, karena apa pun yang dilakukannya tidak mengubah perilaku kendaraan; sistem yang menurunkan halangan adalah kontrol.

Contoh terpecahkan. Jelaskan bagaimana sistem otomatis membuka pintu ketika seseorang berada dalam jarak 2 meter dan menutupnya ketika tidak ada orang.

Sensor inframerah atau ultrasonik mengukur jarak ke objek apa pun di depan pintu; pembacaan analog dikonversi menjadi digital oleh ADC dan dikirim ke prosesor; prosesor membandingkan jarak dengan nilai preset 2 meter; jika kurang, prosesor mengirim sinyal ke aktuator (motor) untuk membuka pintu; sensor terus melakukan pengukuran, dan ketika tidak ada pembacaan di bawah 2 meter diterima, prosesor memberi sinyal motor untuk menutup pintu. Pengukuran berulang setelah setiap tindakan adalah umpan balik yang mencegah pintu terbuka dan tertutup pada waktu yang salah.

Sensor dan aktuator

Sebuah sensor mengubah besaran fisik menjadi sinyal: suhu (termistor atau termokopel), tekanan (strain gauge), inframerah, suara. Sinyal analog memerlukan ADC terlebih dahulu. Sebuah aktuator melakukan sebaliknya—mengubah sinyal menjadi tindakan (motor, katup, pemanas, buzzer).

Umpan Balik

Dalam sistem kendali, aktuator mengubah lingkungan, yang kemudian diukur ulang oleh sensor — sebuah siklus umpan balik. Tanpa umpan balik, sistem tidak dapat memperbaiki dirinya sendiri atau mengetahui kapan harus berhenti (termostat tanpa umpan balik suhu akan terus memanaskan).

Sebuah gerbang logika adalah rangkaian kecil yang melakukan satu operasi Boolean. Input dan output bernilai 0 (false, rendah) atau 1 (true, tinggi). Pahami simbol, fungsi, dan tabel kebenaran untuk setiap gerbang.

NOT (inverter)

AND — output 1 hanya jika semua input adalah 1

OR — output 1 jika setidaknya satu input adalah 1

NAND (NOT AND) — output 0 hanya ketika semua input adalah 1

NOR (NOT OR) — output 1 hanya ketika semua input adalah 0

XOR (Exclusive OR, juga disebut EOR) — output 1 jika inputnya berbeda

Sebuah rangkaian logika adalah jaringan gerbang yang mengeksekusi ekspresi Boolean. Anda harus mampu berpindah antara pernyataan masalah, ekspresi logika, tabel kebenaran, dan diagram rangkaian.

Soalan menulis ekspresi dalam kata-kata, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), dan menerima bentuk aljabar $X = A\overline{B} + BC$ di mana titik (atau ketiadaan) adalah AND, tanda tambah adalah OR, dan garis atas adalah NOT. Gunakan whichever yang digunakan soal.

Dari ekspresi ke rangkaian

Gambar satu gerbang per operator dan hubungkan mereka. Untuk $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: gerbang NOT pada $C$, gerbang AND pada $A$ dan $B$, lalu gerbang OR pada kedua hasil tersebut.

Dari rangkaian ke ekspresi

Kerja maju dari input, beri label output setiap gerbang, hingga Anda mencapai output akhir.

Contoh terpecahkan. Tulis ekspresi untuk rangkaian di bawah ini, lalu lengkapi tabel kebenarannya.

Label output gerbang: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, sehingga $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Kemudian berikan kolom untuk setiap output perantara pada tabel kebenaran, sehingga setiap baris dapat dicek satu gerbang sekaligus:

Menggambar rangkaian dari ekspresi adalah jalan balik yang sama: mulai dari kurung paling dalam, gambar satu gerbang per operator, gambar gerbang NOT pada kawat input apa pun yang muncul dengan NOT, simpan input di sebelah kiri dan output tunggal di sebelah kanan, dan beri label output dengan hurufnya. Setiap garis harus berakhir pada input gerbang atau output; garis yang tidak menuju ke mana-mana kehilangan poin.

Dari rangkaian ke tabel kebenaran

Untuk $n$ input ada $2^{n}$ baris. Daftarkan setiap kombinasi input; untuk masing-masing, hitung gerbang internal lalu outputnya.

Dari tabel kebenaran ke ekspresi (jumlah produk)

Untuk setiap baris yang mengoutput 1, tulis AND dari input (dengan NOT pada input apa pun yang bernilai 0 di baris itu); OR-kan semuanya. Contoh: tabel yang bernilai 1 hanya pada $(A=0,B=1)$ dan $(A=1,B=0)$ menghasilkan $\overline{A}B + A\overline{B}$, yang merupakan $A \text{ XOR } B$.

Dari pernyataan masalah

Ubah bahasa Inggris menjadi ekspresi Boolean terlebih dahulu: "A dan B" → A AND B; "A atau B atau keduanya" → A OR B; "tepat satu dari A dan B" → A XOR B; "tidak A maupun B" → A NOR B; "bukan keduanya" → A NAND B.

Contoh terpecahkan. Alarm mesin $X$ berbunyi saat pagar terbuka ($A=1$) dan baik motor sedang berjalan ($B=1$) atau suhu tinggi ($C=1$). Tulis ekspresi Boolean, dan berikan baris-baris di mana $X=1$. Ubah bahasa Inggris menjadi logika satu klausa sekaligus: "either B or C" is $B + C$, and "A and that" is $X = A\cdot(B + C)$. Untuk baris-barisnya, $X=1$ memerlukan $A=1$ dan setidaknya satu dari $B$, $C$ bernilai 1 - sehingga $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ dan $(1,1,1)$, tiga baris dari delapan. Perhatikan $A=0$ tidak pernah bisa membunyikan alarm, apa pun $B$ dan $C$. Bungkus OR sebelum meng-AND-kan: $X = A\cdot B + C$ adalah rangkaian yang sama sekali berbeda, satu yang akan membunyikan alarm pada suhu tinggi bahkan dengan pagar tertutup.

Soal definisi dinilai berdasarkan frasa tetap. Hafalkan ini persis, dan berikan hanya satu jawaban.

• Bezakan RAM (volatil, baca/tulis) dari ROM (tidak volatil, menyimpan bootstrap); SRAM (cache, lebih pantas) berbanding DRAM (memori utama, perlu penyegaran).
• Untuk litar logik, bina ungkapan Boolean gerbang demi gerbang, kemudian jadual kebenaran yang merangkumi setiap gabungan input.
• Pelajari simbol, ungkapan dan jadual kebenaran bagi setiap gerbang (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Jelaskan penyahpelekat (simpan sementara yang menyambungkan dua kelajuan berbeza) dan peranan gangguan.

Kesalahan umum

• Menamakan peranti bukannya menerangkan operasinya. "Ia menggunakan laser" tidak mendapat sebarang markah; langkah-langkah (caskan drum, laser menyingkirkan cas, toner ditarik, ditransfer, dilebur) mendapat markah.
• Menyatakan bahawa sistem pemantauan "mengawal" sesuatu. Jika tiada apa-apa yang mengubah proses fizikal, ia adalah pemantauan; tambah aktuator dan maklum balas dan ia menjadi kawalan.
• Menulis bahawa RAM "menyimpan fail secara kekal" atau bahawa ROM "menyimpan data pengguna". RAM adalah memori kerja volatil; ROM menyimpan arahan permulaan tetap.
• Jadual kebenaran dengan kurang daripada $2^{n}$ baris, atau baris dalam urutan rawak. Kira dalam binari dari 000 hingga 111 supaya tiada gabungan terlepas.
• Melukis dua garis dari satu output gerbang untuk keselamatan, atau meninggalkan wayar yang berakhir ke mana-mana. Lukis tepat sambungan yang diperlukan oleh ungkapan tersebut.