Hardware

Um computador de uso geral tem quatro blocos construtivos:

• dispositivos de entrada — recebem dados (teclado, mouse, microfone, scanner, sensores).
• dispositivos de saída — entregam resultados (monitor, alto-falantes, impressora, atuadores).
• memória primária — memória rápida acessada diretamente pelo processador (CPU) (RAM e ROM). Armazena o programa em execução e seus dados.
• armazenamento secundário — mais lento, maior, mantém programas e dados quando não estão em uso (disco rígido, SSD, disco óptico, pen drive).

O programa exige saber por que cada um é necessário. Dispositivos de entrada são necessários porque o computador só pode trabalhar com dados e instruções que foram inseridos. Dispositivos de saída são necessários para apresentar os resultados em uma forma utilizável pelas pessoas. A memória principal é necessária porque o processador só pode executar instruções e usar dados que estão armazenados na memória que ele pode endereçar diretamente, e deve acessá-los rapidamente. O armazenamento secundário é necessário porque a memória principal é volátil e pequena: programas e dados devem sobreviver à desligamento da energia, em um armazenamento maior e mais barato, e o armazenamento removível permite mover dados entre computadores ou mantê-los como backup.

Um sistema embarcado é um computador integrado em outro dispositivo para realizar uma tarefa fixa (máquina de lavar, micro-ondas, unidade de motor do carro, termostato).

• vantagens: optimizado para uma única tarefa, por isso é pequeno, consome pouca energia e é barato de fabricar em grande escala; fiável, porque executa um programa fixo com poucas oportunidades de erro; inicia rapidamente e não requer configuração pelo utilizador; fácil de usar através de uma interface simples.
• desvantagens: limitado à sua única função, portanto não pode ser atualizado para fazer mais; difícil de atualizar (seu firmware pode exigir ferramentas especiais ou não pode ser alterado); difícil de depurar e, geralmente, todo o dispositivo deve ser substituído quando falha; se conectado a uma rede, pode ser uma vulnerabilidade de segurança, pois seu software raramente recebe patches.

Uma questão "descreva as desvantagens" pretende que cada desvantagem seja apresentada como um ponto completo: qual é a limitação e o que significa para o utilizador, por exemplo "o firmware não pode ser atualizado, por isso um defeito de segurança descoberto mais tarde não pode ser corrigido".

Impressora a laser

Uma impressora a laser escaneia a imagem da página em um tambor fotocondutor carregado. O toner adere às áreas carregadas, transfere-se para o papel e é fundido por um aquecedor. Rápida, nítida e de alta capacidade.

Como funciona, nos passos listados no guia de correção:

1. Os dados da página são enviados para o buffer da impressora.
2. O tambor recebe uma carga eletrostática uniforme.
3. Um laser, refletido por um espelho rotativo, digitaliza a imagem da página no tambor, removendo a carga onde atinge, de modo que a carga restante no tambor corresponde à imagem.
4. O toner, um pó carregado, é atraído apenas para as partes carregadas do tambor.
5. O papel recebe a carga oposta e rola contra o tambor, transferindo o toner para ele.
6. O aquecedor, um par de rolos aquecidos, derrete o toner no papel. O tambor então é descarregado e limpo para a próxima página.

Impressora 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.

Como funciona:

1. Um modelo do objeto é desenhado em software CAD (ou escaneado).
2. Software de fatiamento divide o modelo em camadas horizontais finas e produz as instruções para cada uma.
3. A impressora constrói o objeto uma camada por vez: uma impressora FDM derrete filamento plástico e o deposita por um bico móvel; uma impressora de resina cura resina líquida com laser ou luz UV; uma impressora de pó funde pó com laser.
4. Cada camada une-se à camada inferior, e a plataforma (ou bocal) move-se na espessura de uma camada.
5. Quando a última camada está pronta, qualquer material de suporte é removido. As utilizações incluem protótipos, peças médicas personalizadas como próteses, e peças sobressalentes impressas sob demanda.

Microfone e altifalantes

Um microfone converte som em sinal elétrico (um diafragma vibra, alterando a carga do capacitor ou a posição da bobina); o sinal é digitalizado por um conversor analógico-digital (ADC). Um alto-falante faz o inverso — um sinal variável aciona uma bobina em um campo magnético, movendo um cone para produzir som.

Como funciona um microfone: ondas sonoras fazem um diafragma vibrar; em um microfone dinâmico, uma bobina presa ao diafragma se move em um campo magnético, induzindo uma corrente variável nele; em um microfone de condensador, o diafragma é uma placa de um capacitor cuja capacitância muda ao se mover; o sinal analógico variável é amostrado por um ADC e armazenado como dados digitais. Um alto-falante inverte a cadeia: um conversor digital-analógico (DAC) produz uma corrente variável, a corrente na bobina cria um campo magnético variável que empurra contra o ímã permanente, a bobina e o cone movem-se para dentro e para fora, e o movimento do cone gera ondas de pressão no ar.

Disco rígido magnético (HDD)

Um disco rígido armazena dados em pratos giratórios revestidos com material magnético. Cada prato tem trilhas divididas em setores. Uma cabeça de leitura/escrita flutua logo acima e magnetiza pequenas regiões (escrita) ou as detecta (leitura). Barato por gigabyte, mas mais lento que SSDs e possui partes móveis.

Como funciona: os pratos giram em alta velocidade (milhares de rotações por minuto); cada superfície é dividida em trilhas concêntricas e cada trilha em setores; cabeças de leitura/escrita em braços de acionador movem-se sobre os pratos até a trilha correta; para escrever, a cabeça magnetiza uma pequena região com uma das duas polaridades, representando 0 ou 1; para ler, ela detecta a polaridade conforme a região passa abaixo dela. Os atrasos, esperando o braço alcançar a trilha e o setor girar, fazem com que um disco rígido seja mais lento que um SSD.

Memória de estado sólido (flash)

Uma unidade de estado sólido armazena dados como carga em transistores, sem peças móveis. Acesso aleatório mais rápido que HDDs, mais resistente, menor consumo de energia, mas mais caro por gigabyte; cada célula se desgasta após muitas gravações.

Como funciona: cada célula é um transistor de porta flutuante; uma carga aprisionada na porta flutuante representa um bit e permanece lá mesmo com a energia desligada; um chip controlador mapeia cada endereço para uma célula e distribui as gravações entre as células, pois uma célula suporta apenas um número limitado de escritas.

Uma questão "por que um servidor usa discos rígidos em vez de SSDs" pretende a coluna da esquerda: mais barato por gigabyte para capacidades muito grandes, longa vida sob reescrita constante e recuperação de dados mais fácil.

Disco ótico

Um laser detecta reflexões de microscópicos sulcos em um disco óptico (CD, DVD, Blu-ray). A unidade é um leitor/gravador de disco óptico: a gravação usa um laser mais forte para alterar a refletividade da superfície.

Como funciona: o disco possui uma longa trilha espiral de sulcos e terras planas (áreas lisas entre eles); o disco gira e um laser é focado na trilha; a luz refletida de uma terra plana difere da luz refletida na borda de um sulco, e um sensor de luz lê cada mudança como 1 e nenhuma mudança como 0. A gravação usa um laser mais forte para alterar a refletividade de uma camada de corante ou liga metálica. Um Blu-ray usa um laser azul com comprimento de onda menor, então seus sulcos são menores e mais próximos, o que permite armazenar mais dados que um DVD.

Ecrã tátil

Uma tela sensível ao toque detecta contato. Resistiva: duas camadas condutoras pressionadas juntas; funciona com qualquer objeto, mas é menos precisa. Capacitiva: um dedo perturba um campo de carga; precisa, multi-toque, usada em telefones.

Como funciona: um ecrã resistivo tem duas camadas condutoras finas separadas por espaçadores; premir empurra a camada superior contra a inferior, fechando um circuito nesse ponto, e o controlador lê a tensão para encontrar as coordenadas. Um ecrã capacitivo tem uma camada de vidro revestida com um condutor transparente que retém uma carga; um dedo ao tocá-la desvia uma pequena corrente, a corrente é medida em cada canto, e o controlador calcula a posição do toque a partir das diferenças. Ecrãs capacitivos respondem a toques leves e a vários dedos ao mesmo tempo, mas não a um dedo enluvarado ou a uma caneta estilete comum.

Óculos de realidade virtual

Um headset de realidade virtual (VR) possui duas telas pequenas (uma para cada olho) e sensores de movimento (acelerômetro, giroscópio) que rastreiam o movimento da cabeça para que a cena se mova conforme você olha ao redor.

Como funciona: cada olho vê sua própria tela através de uma lente, e as duas imagens diferem ligeiramente, então o cérebro percebe profundidade; sensores (acelerômetro, giroscópio, às vezes câmeras) informam onde a cabeça está e para qual direção ela aponta; o computador re-renderiza a cena a partir daquele ponto de vista várias vezes por segundo, assim girar a cabeça gira a visão; fones de ouvido fornecem som que corresponde à direção. Usados para jogos, treinamento como simuladores de voo ou cirurgia, e para visualizar projetos antes de serem construídos.

Um buffer é memória que armazena dados temporariamente enquanto estes transitam entre dispositivos de velocidades diferentes. Exemplo: a CPU escreve um documento no buffer da impressora rapidamente, depois fica livre para realizar outros trabalhos enquanto a impressora imprime do buffer em seu próprio ritmo. Buffers evitam que o dispositivo rápido aguarde o lento (também usados em streaming, teclado e acesso a disco).

"Explique por que uma impressora 3D precisa de um buffer": o computador envia os dados de impressão muito mais rápido do que a impressora consegue construir as camadas, então os dados são mantidos no buffer até que a impressora esteja pronta para recebê-los, liberando o processador para outras tarefas. Quando o buffer está baixo, a impressora envia uma interrupt para solicitar mais dados (tópico 4). Um stream de vídeo funciona da mesma forma: o buffer preenche adiantadamente à reprodução, para que uma breve queda na velocidade da rede não interrompa a imagem.

• RAM (Memória de Acesso Aleatório) — volátil (perde dados sem energia). Armazena o SO, programas em execução e seus dados; lida e escrita constantemente.
• ROM (Memória Somente Leitura) — não volátil (mantém dados sem energia). Geralmente gravada uma única vez; armazena firmware necessário na inicialização (BIOS / boot loader).

A ROM inicia o sistema; a RAM então armazena o trabalho ativo.

Mais RAM permite que um computador mantenha mais programas e dados ao mesmo tempo, trocando menos entre memória e disco e funcionando mais rápido; essa é a resposta para "explique por que o computador com mais RAM tem melhor desempenho".

A mesma divisão de memória importa em um dispositivo vestível: seu programa fixo deve permanecer disponível após desligar, enquanto suas leituras vivas mudam durante o uso.

• SRAM (RAM Estática) armazena cada bit em um flip-flop de vários transistores. Rápida, mas cara e com baixa densidade. Usada para cache da CPU.
• DRAM (RAM Dinâmica) armazena cada bit como carga em um capacitor minúsculo. Mais barata e densa, porém mais lenta, e deve ser atualizada (reescrita) milhares de vezes por segundo. Usada para memória principal.

Use SRAM para memória pequena e rápida (cache); DRAM para memória principal grande.

"Explique por que o sistema embarcado usa DRAM": ele precisa de uma grande quantidade de memória a baixo custo em espaço reduzido, e seu requisito de velocidade é modesto, então o DRAM mais barato e denso é a escolha certa; a SRAM é mantida para o cache pequeno onde a velocidade importa mais.

Variações de ROM que você pode programar após a fabricação:

• PROM (Programmable ROM) — escrito uma única vez (fusíveis queimados por um programador); não pode ser alterado.
• EPROM (Erasable Programmable ROM) — apagado por luz UV forte através de uma janela, depois reescrito (todo o chip de uma vez).
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) — apagado e reescrito eletricamente, byte por byte, no circuito. A memória Flash é um derivado otimizado para apagar blocos.

"Dê duas diferenças entre EPROM e EEPROM" pede duas linhas desta tabela, declaradas para ambos os tipos.

Ambos leem sensores; a diferença é o que fazem a seguir.

• monitoramento — coleta e relata dados, mas não toma ações (uma estação meteorológica registrando leituras).
• sistema de controle — usa dados de sensores para decidir e agir através de atuadores, geralmente em um loop de feedback (um termostato ligando/desligando uma caldeira).

A resposta de "descreva as diferenças" valendo três pontos: um sistema de monitoramento apenas mede, registra ou exibe as leituras, e no máximo dispara um aviso; um sistema de controle compara cada leitura com um valor predefinido e, se estiver fora da faixa, envia sinais para atuadores que alteram o processo físico; a mudança é então medida novamente, assim um sistema de controle contém feedback e um de monitoramento não. Se um sistema dado é um ou outro é decidido por esse teste: um sistema de ponte que mede a altura de um veículo e acende um sinal de aviso é monitoramento, pois nada que faz altera o veículo; um sistema que abaixa uma barreira é controle.

Exemplo resolvido. Descreva como um sistema automático abre uma porta quando uma pessoa está dentro de 2 metros e a fecha quando ninguém está presente.

Um sensor infravermelho ou ultrassônico mede a distância até qualquer objeto à frente da porta; a leitura analógica é convertida em digital por um ADC e enviada ao processador; o processador compara a distância com os 2 metros predefinidos; se for menor, o processador envia um sinal para o atuador (um motor) para abrir a porta; o sensor continua medindo, e quando nenhuma leitura abaixo de 2 metros é recebida, o processador sinaliza ao motor para fechar a porta. A medição repetida após cada ação é o feedback que impede que a porta abra e feche nos momentos errados.

Sensores e atuadores

Um sensor converte uma grandeza física em sinal: temperatura (termistor ou termopar), pressão (extensômetro), infravermelho, som. Sinais analógicos precisam primeiro de um ADC. Um atuador faz o inverso — converte um sinal em ação (motor, válvula, aquecedor, buzina).

Feedback

Em um sistema de controle, o atuador altera o ambiente, que os sensores então re-medem — um loop de feedback. Sem feedback, o sistema não pode se corrigir nem saber quando parar (um termostato sem feedback de temperatura aqueceria indefinidamente).

Uma porta lógica é um pequeno circuito que realiza uma operação Booleana. Entradas e saídas são 0 (falso, nível baixo) ou 1 (verdadeiro, nível alto). Conheça o símbolo, função e tabela-verdade de cada porta.

NOT (inversor)

AND — saída 1 apenas se todos os inputs forem 1

OR — saída 1 se pelo menos um input for 1

NAND (NÃO E) — saída 0 apenas quando todos os inputs forem 1

NOR (NÃO O) — saída 1 apenas quando todos os inputs forem 0

XOR (OU Exclusivo, também chamado EOR) — saída 1 se os inputs forem diferentes

Um circuito lógico é uma rede de portas que executa uma expressão Booleana. Você deve ser capaz de transitar entre um enunciado de problema, uma expressão lógica, uma tabela-verdade e um diagrama de circuito.

A prova escreve expressões em palavras, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), e aceita a forma algébrica $X = A\overline{B} + BC$ onde um ponto (ou nada) é AND, um sinal de mais é OR, e uma barra é NOT. Use a que a questão utilizar.

De expressão para circuito

Desenhe uma porta por operador e ligue-os. Para $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: uma porta NOT em $C$, uma porta AND em $A$ e $B$, depois uma porta OR nos dois resultados.

De circuito para expressão

Trabalhe da esquerda para a direita a partir das entradas, rotulando a saída de cada porta, até chegar à saída final.

Exemplo resolvido. Escreva a expressão do circuito abaixo e complete sua tabela-verdade.

Rotule as saídas das portas: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, então $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Em seguida, adicione uma coluna para cada saída intermediária na tabela-verdade, para que cada linha possa ser verificada porta por porta:

Desenhar um circuito a partir de uma expressão é o mesmo caminho ao contrário: comece pelos parênteses mais internos, desenhe uma porta por operador, desenhe uma porta NOT no fio de qualquer entrada que apareça com NOT, mantenha as entradas à esquerda e a única saída à direita, e rotule a saída com sua letra. Cada linha deve terminar em uma entrada de porta ou na saída; uma linha que não vai a lugar nenhum perde a pontuação.

De circuito para tabela-verdade

Para $n$ entradas, há $2^{n}$ linhas. Liste todas as combinações de entradas; para cada uma, calcule as portas internas e depois a saída.

De tabela-verdade para expressão (soma de produtos)

Para cada linha que tem saída 1, escreva um AND das entradas (com NOT em qualquer entrada que seja 0 naquela linha); OR essas expressões juntas. Exemplo: uma tabela que é 1 apenas nas linhas $(A=0,B=1)$ e $(A=1,B=0)$ resulta em $\overline{A}B + A\overline{B}$, que é $A \text{ XOR } B$.

De um enunciado de problema

Transforme o inglês em uma expressão Booleana primeiro: "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.

Exemplo resolvido. O alarme de uma máquina $X$ soa quando a barreira está aberta ($A=1$) e o motor está em funcionamento ($B=1$) ou a temperatura está alta ($C=1$). Escreva a expressão Booleana e indique as linhas onde $X=1$. Transforme o inglês em lógica uma cláusula por vez: "either B or C" é $B + C$, e "A and that" é $X = A\cdot(B + C)$. Para as linhas, $X=1$ precisa de $A=1$ e pelo menos um de $B$, $C$ igual a 1 — então $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ e $(1,1,1)$, três linhas de oito. Note que $A=0$ nunca pode acionar o alarme, independentemente do que $B$ e $C$ façam. Parentetize o OR antes de fazer o AND dele: $X = A\cdot B + C$ é um circuito totalmente diferente, um que acionaria o alarme em temperatura alta mesmo com a barreira fechada.

Células Flash e sensores de luz

Em uma célula flash de porta flutuante, uma porta flutuante isolada armazena carga sem necessidade de energia contínua. Uma tensão no gate de controle é usada para programar ou ler a célula; a carga aprisionada altera o limiar de tensão em que o transistor conduz, permitindo que o circuito de leitura distinga os estados armazenados. A apagar remove a carga aprisionada. O flash NAND conecta células em cadeias e é adequado para armazenamento denso em blocos; o flash NOR permite acesso direto a locais individuais, útil para firmware. Nenhum requer peças móveis.

Um sensor de luz mede a intensidade luminosa, por exemplo, para controlar uma luminária pública quando anoitece. Seu sinal analógico pode passar por um ADC antes que o processador o compare com um limiar. Indique a grandeza física medida, a conversão, se necessária, e a ação de controle resultante.

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

• Diferencie RAM (volátil, leitura/escrita) de ROM (não volátil, mantém o bootstrap); SRAM (cache, mais rápida) de DRAM (memória principal, precisa de refresh).
• Para um circuito lógico, construa a expressão Booleana porta por porta, depois uma tabela-verdade cobrindo todas as combinações de entradas.
• Aprenda o símbolo, a expressão e a tabela-verdade de cada porta (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Explique um buffer (um armazenamento temporário que liga duas velocidades diferentes) e o papel de uma interrupção.

Erros comuns

• Nomear o dispositivo em vez de descrever sua operação. "Ele usa um laser" não dá pontos; os passos (carregar o tambor, o laser remove a carga, o toner é atraído, transferido, fundido) ganham os pontos.
• Dizer que um sistema de monitoramento "controla" algo. Se nada altera o processo físico, é monitoramento; adicione o atuador e o feedback e vira controle.
• Escrever que a RAM "armazena arquivos permanentemente" ou que a ROM "armazena os dados do usuário". A RAM é memória de trabalho volátil; a ROM contém as instruções fixas de inicialização.
• Uma tabela-verdade com menos de $2^{n}$ linhas, ou linhas em ordem aleatória. Conte em binário de 000 a 111 para não perder nenhuma combinação.
• Desenhar duas linhas saindo de uma única saída de uma porta por segurança, ou deixar um fio que termina em lugar nenhum. Desenhe exatamente as conexões que a expressão requer.