Hardware

Um computador de uso geral tem quatro blocos construtivos:

• dispositivos de entrada 输入设备 — inserem dados (teclado, mouse, microfone, scanner, sensores).
• dispositivos de saída 输出设备 — apresentam resultados (monitor, alto-falantes, impressora, atuadores).
• memória principal 主存储器 — memória rápida que o processador 处理器 (CPU) acessa diretamente (RAM e ROM). Mantém o programa em execução e seus dados.
• armazenamento secundário 辅助存储器 — 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 嵌入式系统 é um computador construído dentro de 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 tarefa, por isso não pode ser atualizado para fazer mais coisas; difícil de atualizar (o seu firmware 固件 pode precisar de ferramentas especiais ou não pode ser alterado); difícil de diagnosticar e, geralmente, todo o dispositivo deve ser substituído quando falha; se estiver ligado a uma rede, pode ser uma fraqueza de segurança, porque o seu software raramente é corrigido.

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 激光打印机 digitaliza a imagem da página num tambor fotosensível carregado. O toner 墨粉 adere às áreas carregadas, transfere-se para o papel e é fundido por um fixador. Rápida, nítida, 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 fixador 定影器, um par de rolos aquecidos, funde o toner no papel. O tambor é então descarregado e limpo para a próxima página.

Impressora 3D

Uma impressora 3D 3D打印机 constrói um objeto camada por camada: FDM derrete filamento plástico através de uma bocal; estereolitografia cura resina líquida com um laser UV. Usada para protótipos e peças médicas personalizadas.

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 camada a camada: uma impressora FDM derrete filamento plástico 塑料丝 e deposita-o através de um bocal móvel; uma impressora de resina cura resina líquida com um laser ou luz UV; uma impressora de pó funde pó com um 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 麦克风 converte som num sinal elétrico (um diafragma vibra, alterando a carga do capacitor 电容器 ou a posição da bobina); o sinal é digitalizado por um conversor analógico-digital 模数转换器 (ADC). Um altifalante faz o inverso — um sinal variável aciona uma bobina num campo magnético, movendo um cone para produzir som.

Como funciona um microfone: ondas sonoras fazem um diafragma 膜片 vibrar; num microfone dinâmico, uma bobina ligada ao diafragma move-se num campo magnético, induzindo uma corrente variável nele, e num microfone condensador o diafragma é uma placa de um capacitor cuja capacitância muda conforme se move; o sinal analógico variável é depois amostrado por um ADC e armazenado como dados digitais. Um altifalante percorre a cadeia ao contrário: um conversor digital-analógico 数模转换器 (DAC) produz uma corrente variável, a corrente na bobina cria um campo magnético variável que empurra contra o íman 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 硬盘 armazena dados em pratos girantes revestidos com material magnético. Cada prato tem trilhas 磁道 divididas em setores 扇区. Uma cabeça de leitura/escrita 读写头 flutua logo acima e magnetiza pequenas regiões (escrita) ou as deteta (leitura). Barato por gigabyte, mas mais lento que SSDs e possui peças móveis.

Como funciona: os pratos giram a 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 atuadores 磁头臂 movem-se pelos pratos até à trilha correta; para escrever, a cabeça magnetiza uma pequena região com uma das duas polaridades, representando 0 ou 1; para ler, detecta a polaridade à medida que a região passa por baixo dela. Os atrasos, esperando o braço alcançar a trilha e o setor girar, são por isso que um disco rígido é mais lento que um SSD.

Memória de estado sólido (flash)

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

Como funciona: cada célula é um transistor de porta flutuante 浮栅晶体管; uma carga aprisionada na porta flutuante representa um bit e permanece lá quando a alimentação é desligada; um chip controlador mapeia cada endereço para uma célula e distribui as escritas pelas células, porque 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 deteta reflexões de pequenas crateras num disco ótico 光盘 (CD, DVD, Blu-ray). A unidade é uma leitora/gravadora de discos óticos: a gravação utiliza um laser mais forte para alterar a refletividade da superfície.

Como funciona: o disco transporta uma longa trilha espiral de crateras 凹坑 e terras planas 平台 (as áreas planas entre elas); o disco gira e um laser é focado na trilha; a luz refletida de uma terra plana difere da luz refletida na borda de uma cratera, e um sensor de luz lê cada mudança como um 1 e nenhuma mudança como um 0. A gravação utiliza um laser mais forte para alterar a refletividade de uma camada de corante ou liga. Um Blu-ray utiliza um laser azul com comprimento de onda mais curto, por isso suas crateras são menores e mais próximas, o que explica por que armazena mais dados que um DVD.

Ecrã tátil

Um ecrã tátil 触摸屏 deteta contacto. Resistivo 电阻式: duas camadas condutoras pressionadas juntas; funciona com tudo mas é menos preciso. Capacitivo 电容式: um dedo perturba um campo de carga; preciso, multi-toque, usado em telemóveis.

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 虚拟现实 (VR) tem dois ecrãs pequenos (um para cada olho) e sensores de movimento (acelerómetro 加速度计, giroscópio 陀螺仪) que registam o movimento da cabeça para que a cena mude à medida que você olha à volta.

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 缓冲 é memória que armazena dados temporariamente enquanto se movem entre dispositivos de velocidades diferentes. Exemplo: a CPU escreve um documento no buffer da impressora rapidamente, depois fica livre para fazer outro trabalho enquanto a impressora imprime do buffer em seu próprio ritmo. Buffers impedem que o dispositivo rápido aguarde o lento (também usado em streaming, teclado e acesso ao 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 pode construir as camadas, então os dados são mantidos no buffer até que a impressora esteja pronta para recebê-los, e o processador é liberado para fazer outros trabalhos. Quando o buffer fica baixo, a impressora envia uma interrupção 中断 para pedir mais dados (tópico 4). Um fluxo de vídeo funciona da mesma forma: o buffer enche adiantado em relação à reprodução, para que uma pequena queda na velocidade da rede não pare a imagem.

• RAM 随机存取存储器 (Random Access Memory) — volátil 易失性 (perde dados sem energia). Armazena o SO, programas em execução e seus dados; lida e escrita constantemente.
• ROM 只读存储器 (Read-Only Memory) — não volátil 非易失性 (mantém dados sem energia). Geralmente gravada apenas uma vez; armazena firmware necessário na inicialização (o 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 静态RAM (Static RAM) armazena cada bit em um flip-flop 触发器 de vários transistores. Rápido, mas caro e pouco denso. Usado para cache 高速缓存 da CPU.
• DRAM 动态RAM (Dynamic RAM) armazena cada bit como carga em um capacitor minúsculo. Mais barato e denso, mas mais lento, e deve ser refreshed 刷新 (reescrito) milhares de vezes por segundo. Usado 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 监控 — coleta e relata dados, mas não toma ação (uma estação meteorológica registrando leituras).
• sistema de controle 控制系统 — usa dados dos sensores para decidir e agir através de atuadores, geralmente em um loop de feedback (um termostato ligando/desligando uma caldeira).

A resposta de três pontos "descreva as diferenças": um sistema de monitoramento apenas mede, registra ou exibe as leituras, e no máximo levanta um alerta; um sistema de controle compara cada leitura com um valor predefinido 预设值 e, se estiver fora da faixa, envia sinais para atuadores que alteram o processo físico; a mudança é então medida novamente, então um sistema de controle contém feedback e um sistema de monitoramento não. Se um dado sistema 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, porque nada que ele 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 传感器 converte uma grandeza física em um sinal: temperatura (uma termistor 热敏电阻 ou termopar), pressão (strain gauge), infravermelho, som. Sinais analógicos precisam primeiro de um ADC. Um atuador 执行器 faz o inverso — converte um sinal em uma 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 反馈. Sem feedback, o sistema não pode se corrigir nem saber quando parar (um termostato sem feedback de temperatura aqueceria para sempre).

Uma porta lógica 逻辑门 é um pequeno circuito que realiza uma operação Booleana 布尔. Entradas e saídas são 0 (falso, baixo) ou 1 (verdadeiro, alto). Conheça o símbolo, função e tabela-verdade 真值表 para 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 逻辑电路 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 e 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.

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.