Аппаратное обеспечение

Универсальный компьютер состоит из четырех основных блоков:

• устройства ввода — получают данные (клавиатура, мышь, микрофон, сканер, датчики).
• устройства вывода — выдают результаты (монитор, динамики, принтер, исполнительные механизмы).
• основная память — быстрая память, к которой имеет прямой доступ процессор (CPU) (ОЗУ и ПЗУ). Хранит запущенную программу и её данные.
• вторичное хранилище — более медленное, но ёмкое, сохраняет программы и данные в нерабочем состоянии (жесткий диск, SSD, оптический диск, USB-накопитель).

Программа требует объяснения, зачем нужен каждый блок. Устройства ввода необходимы, так как компьютер может обрабатывать только те данные и инструкции, которые были введены. Устройства вывода нужны для представления результатов в форме, доступной человеку. Основная память необходима, потому что процессор может выполнять инструкции и использовать только те данные, которые хранятся в памяти, к которой он имеет прямой доступ, и должен обращаться к ним быстро. Вторичное хранилище необходимо, поскольку основная память энергозависима и имеет ограниченный объем: программы и данные должны сохраняться после выключения питания, поэтому их размещают в более емком и дешевом носителе, а съемное хранилище позволяет перемещать данные между компьютерами или использовать его в качестве резервной копии.

Встраиваемая система — это компьютер, встроенный в другое устройство для выполнения одной конкретной задачи (стиральная машина, микроволновая печь, блок управления двигателем автомобиля, термостат).

• преимущества: оптимизирована для одной задачи, поэтому компактна, потребляет мало энергии и дешева в массовом производстве; надежна, так как выполняет одну фиксированную программу с минимальным риском сбоев; запускается быстро и не требует настройки пользователем; проста в использовании благодаря простому интерфейсу.
• недостатки: ограниченность одной функцией, поэтому невозможно расширить функциональность; сложность обновления (для прошивки могут потребоваться специальные инструменты, либо она вообще не подлежит изменению); трудность диагностики неисправностей, и при поломке обычно требуется замена всего устройства; если устройство подключено к сети, оно может стать уязвимостью безопасности, поскольку его программное обеспечение редко обновляется патчами.

Вопрос «опишите недостатки» требует, чтобы каждый недостаток был оформлен как полный пункт: что представляет собой ограничение и что это значит для пользователя, например, «прошивка не может быть обновлена, поэтому обнаруженная позже уязвимость безопасности не может быть устранена».

Лазерный принтер

Лазерный принтер сканирует изображение страницы на заряженный фоточувствительный барабан. Тонер прилипает к заряженным участкам, переносится на бумагу и вплавляется с помощью фиксатора. Быстрый, четкий, предназначен для больших объемов печати.

Принцип работы по шагам, указанным в критериях оценивания:

1. Данные для страницы отправляются в буфер принтера.
2. На барабан подается равномерный электростатический заряд.
3. Лазер, отражаясь от вращающегося зеркала, сканирует изображение страницы на барабан, снимая заряд в местах воздействия луча, так что оставшийся на барабане заряд соответствует изображению.
4. Тонер, заряженный порошок, притягивается только к заряженным частям барабана.
5. Бумаге придается противоположный заряд, и она прокатывается через барабан, благодаря чему тонер переносится на нее.
6. Фиксатор, пара нагретых роликов, вплавляет тонер в бумагу. Затем барабан разряжается и очищается для следующей страницы.

3D-принтер

3D-принтер 3D создает объект послойно: FDM расплавляет пластиковую нить через сопло; стереолитография отверждает жидкую смолу с помощью УФ-лазера. Используется для прототипов и индивидуальных медицинских деталей.

Принцип работы:

1. Модель объекта разрабатывается в программном обеспечении CAD (или сканируется).
2. Программное обеспечение для нарезания (слайсинга) делит модель на тонкие горизонтальные слои и генерирует инструкции для каждого из них.
3. Принтер строит объект слой за слоем: FDM-принтер расплавляет пластиковую нить и наносит ее движущимся соплом; смоляной принтер отверждает жидкую смолу с помощью лазера или УФ-света; порошковый принтер спекает порошок с помощью лазера.
4. Каждый слой связывается с нижележащим слоем, а платформа (или сопло) перемещается на толщину одного слоя.
5. Когда последний слой готов, удаляются вспомогательные материалы. Применение: прототипы, индивидуальные медицинские детали, такие как протезы, и запасные части, печатаемые по требованию.

Микрофон и динамики

Микрофон преобразует звук в электрический сигнал (мембрана колеблется, изменяя заряд конденсатора или положение катушки); сигнал оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Динамик выполняет обратную функцию — переменный сигнал приводит в движение катушку в магнитном поле, двигая диффузор для создания звука.

Принцип работы микрофона: звуковые волны вызывают вибрацию мембраны; в динамическом микрофоне катушка, прикрепленная к мембране, движется в магнитном поле, индуцируя в ней переменный ток, а в конденсаторном микрофоне мембрана является одной из пластин конденсатора, емкость которого меняется при движении; затем переменный аналоговый сигнал дискретизируется АЦП и сохраняется в виде цифровых данных. Динамик работает в обратном направлении: цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) вырабатывает переменный ток, ток в катушке создает изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом, катушка и диффузор двигаются туда-сюда, и движение диффузора создает давления в воздухе.

Магнитный жесткий диск (HDD)

Жесткий диск хранит данные на вращающихся пластинах, покрытых магнитным материалом. Каждая пластина имеет дорожки, разделенные на секторы. Читающая/записывающая головка парит непосредственно над ними, намагничивая крошечные области (запись) или считывая их (чтение). Дешевле по гигабайту, но медленнее SSD и имеет движущиеся части.

Принцип работы: пластины вращаются на высокой скорости (тысячи оборотов в минуту); каждая поверхность разделена на концентрические дорожки, а каждая дорожка — на секторы; читающие/записывающие головки на актуаторных руках перемещаются по пластинам к нужной дорожке; для записи головка намагничивает крошечную область одним из двух полюсов, представляющих 0 или 1; для чтения она определяет полярность при прохождении области под головкой. Задержки, связанные с ожиданием подхода руки к дорожке и вращения сектора, являются причиной того, что жесткий диск медленнее SSD.

Твердотельная (флэш-) память

Твёрдотельный накопитель хранит данные в виде заряда в транзисторах, не имея движущихся частей. Обеспечивает более быстрый произвольный доступ, чем жёсткие диски, более надёжен, потребляет меньше энергии, но стоит дороже за гигабайт; каждая ячейка изнашивается после большого числа операций записи.

Принцип работы: каждая ячейка представляет собой транзистор с плавающим затвором; заряд, запертый на плавающем затворе, обозначает бит и сохраняется там даже при отключении питания; чип контроллера сопоставляет каждый адрес с ячейкой и распределяет операции записи по ячейкам, так как каждая ячейка выдерживает лишь ограниченное число циклов записи.

Для вопроса «почему сервер использует жёсткие диски вместо SSD» следует указать левый столбец: более низкая стоимость за гигабайт при очень больших объёмах, длительный срок службы при постоянной перезаписи и простота восстановления данных.

Оптический диск

Лазер регистрирует отражения от крошечных ямок на оптическом диске (CD, DVD, Blu-ray). Привод является оптическим дисководом: для записи используется более мощный лазер, изменяющий отражающую способность поверхности.

Принцип работы: диск содержит одну длинную спиральную дорожку ямок и участков (плоских областей между ними); диск вращается, а лазер фокусируется на дорожке; свет, отражённый от участка, отличается от света, отражённого от края ямки, и датчик света считывает каждое изменение как 1, а отсутствие изменения как 0. Запись выполняется с помощью более мощного лазера, который меняет отражающую способность слоя красителя или сплава. В Blu-ray используется синий лазер с меньшей длиной волны, поэтому его ямки меньше и расположены ближе друг к другу, что позволяет хранить больше данных, чем на DVD.

Сенсорный экран

Сенсорный экран реагирует на касание. Резистивный: две проводящие слои соприкасаются при нажатии; работает с любым объектом, но менее точен. Ёмкостный: палец нарушает электрическое поле; высокоточный, поддерживает мультитач, применяется в телефонах.

Принцип работы: резистивный экран состоит из двух тонких проводящих слоёв, разделённых держателями; при нажатии верхний слой прижимается к нижнему, замыкая цепь в этой точке, и контроллер измеряет напряжение для определения координат. Ёмкостный экран имеет стеклянный слой, покрытый прозрачным проводником, удерживающим заряд; палец, касающийся экрана, вызывает протекание малого тока, ток измеряется в каждом углу, и контроллер рассчитывает положение касания по разностям. Ёмкостные экраны реагируют на лёгкое касание и несколько пальцев одновременно, но не работают с перчатками или обычным стилусом.

Гарнитура виртуальной реальности

Гарнитура виртуальной реальности (VR) оснащена двумя малыми дисплеями (по одному на каждый глаз) и датчиками движения (акселерометр, гироскоп), отслеживающими движение головы, чтобы изображение смещалось при повороте взгляда.

Принцип работы: каждый глаз видит свой дисплей через линзу, и два изображения немного различаются, благодаря чему мозг воспринимает глубину; датчики (акселерометр, гироскоп, иногда камеры) сообщают компьютеру, где находится голова и куда она направлена; компьютер многократно в секунду пересоздаёт сцену с этого ракурса, поэтому поворот головы приводит к изменению обзора; наушники воспроизводят звук, соответствующий направлению. Применяется в играх, для обучения (например, симуляторы полётов или хирургических операций) и для просмотра проектов до их реализации.

Буфер — это память, которая ** временно хранит данные ** во время передачи между устройствами разной скорости. Пример: процессор быстро записывает документ в буфер принтера, затем освобождается для выполнения других задач, пока принтер распечатывает документ из буфера в своём темпе. Буферы предотвращают ожидание быстрым устройством медленного (также используются при потоковой передаче, в клавиатуре и при работе с дисками).

«Объясните, почему 3D-принтеру нужен буфер»: компьютер отправляет данные для печати намного быстрее, чем принтер может создавать слои, поэтому данные удерживаются в буфере до тех пор, пока принтер не будет готов к их обработке, а процессор освобождается для выполнения других задач. Когда уровень буфера снижается, принтер отправляет прерывание, запрашивая новые данные (тема 4). Видеопоток работает аналогично: буфер заполняется заранее, чтобы краткосрочное падение скорости сети не останавливало воспроизведение видео.

• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — ** энергозависимое ** (теряет данные без питания). Хранит операционную систему, запущенные программы и их данные; постоянно читается и записывается.
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — ** энергонезависимое ** (сохраняет данные без питания). Обычно записывается один раз; хранит прошивку, необходимую при запуске (BIOS / boot loader).

ПЗУ запускает систему; ОЗУ затем хранит активные данные.

Больший объём ОЗУ позволяет компьютеру одновременно хранить больше программ и данных, поэтому он реже обменивается данными с оперативной и дисковой памятью и работает быстрее; это ответ на вопрос «объясните, почему компьютер с большим объёмом ОЗУ работает лучше».

Тот же принцип разделения памяти важен для носимого устройства: его фиксированная программа должна оставаться доступной после выключения питания, а текущие показания меняются во время использования.

• SRAM (статическая ОЗУ) хранит каждый бит в триггере, состоящем из нескольких транзисторов. Быстрый, но дорогой и малоплотный. Используется для кэша процессора.
• DRAM (динамическая ОЗУ) хранит каждый бит как заряд на крошечном конденсаторе. Дешевле и плотнее, но медленнее, и требует обновления (перезаписи) тысячи раз в секунду. Используется для основной памяти.

Используйте SRAM для маленькой быстрой памяти (кэш); DRAM — для большой основной памяти.

"Объясните, почему встраиваемая система использует DRAM": ей нужен большой объём памяти по низкой стоимости в ограниченном пространстве, а требования к скорости умеренны, поэтому более дешёвый и плотный DRAM является правильным выбором; SRAM остаётся для маленького кэша, где скорость имеет решающее значение.

Варианты ROM, которые можно программировать после производства:

• PROM (программируемая ПЗУ) — записывается один раз (плавятся предохранители программатором); нельзя изменить.
• EPROM (стираемая программируемая ПЗУ) — стирается сильным УФ-излучением через окошко, затем перезаписывается (весь чип целиком).
• EEPROM (электрически стираемая программируемая ПЗУ) — стирается и перезаписывается электрически, байт за байтом, непосредственно в схеме. Флэш-память является производной, оптимизированной для посекторного стирания.

"Назовите два отличия между EPROM и EEPROM" предполагает две строки этой таблицы, описанные для обоих типов.

Оба типа считывают датчики; различие заключается в том, что они делают дальше.

• мониторинг — собирает и отображает данные, но не предпринимает действий (метеостанция, фиксирующая показания).
• система управления — использует данные датчиков для принятия решений и выполнения действий через исполнительные механизмы, обычно в контуре обратной связи (термостат, включающий/выключающий котёл).

Ответ на вопрос "опишите различия" на 3 балла: система мониторинга только измеряет, записывает или отображает показания и, возможно, подаёт сигнал тревоги; система управления сравнивает каждое показание с заданным значением и, если оно выходит за допустимый диапазон, отправляет сигналы исполнительным механизмам, изменяющим физический процесс; результат снова измеряется, поэтому система управления содержит обратную связь, а система мониторинга — нет. Принадлежность конкретной системы к тому или другому типу определяется этим критерием: система на мосту, которая измеряет высоту транспортного средства и включает предупреждающий знак, является системой мониторинга, так как её действия не влияют на транспортное средство; система, опускающая шлагбаум, является системой управления.

Разобранный пример. Опишите, как автоматизированная система открывает дверь, когда человек находится в пределах 2 метров, и закрывает её, когда никого нет.

Инфракрасный или ультразвуковой датчик измеряет расстояние до объектов перед дверью; аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП и передаётся процессору; процессор сравнивает расстояние с заданным значением 2 метра; если оно меньше, процессор отправляет сигнал исполнительному механизму (двигателю), чтобы открыть дверь; датчик продолжает измерять, и когда не поступают показания меньше 2 метров, процессор подает сигнал двигателю закрыть дверь. Повторное измерение после каждого действия — это обратная связь, предотвращающая неправильное открытие и закрытие двери.

Датчики и исполнительные механизмы

Датчик преобразует физическую величину в сигнал: температура (термистор или термопара), давление (тензодатчик), инфракрасное излучение, звук. Аналоговые сигналы требуют предварительного преобразования АЦП. Исполнительный механизм выполняет обратную функцию — преобразует сигнал в действие (двигатель, клапан, нагреватель, зуммер).

Обратная связь

В системе управления исполнительный механизм изменяет среду, которую затем повторно измеряют датчики — это петля обратной связи. Без обратной связи система не может скорректировать своё состояние или определить момент остановки (термостат без контроля температуры будет греть бесконечно).

Логический вентиль — небольшая схема, выполняющая одну булеву операцию. Входы и выходы принимают значения 0 (ложь, низкий уровень) или 1 (истина, высокий уровень). Необходимо знать символ, функцию и таблицу истинности для каждого вентиля.

NOT (инвертор)

AND — выход равен 1 только если все входы равны 1

OR — выход равен 1, если хотя бы один вход равен 1

NAND (НЕ И) — выход равен 0 только когда все входы равны 1

NOR (НЕ ИЛИ) — выход равен 1 только когда все входы равны 0

XOR (Исключающее ИЛИ, также называемое EOR) — выход равен 1, если входы различны

Логическая схема — сеть вентилей, выполняющая булево выражение. Вы должны уметь переходить от формулировки задачи к логическому выражению, таблице истинности и схеме.

В задании выражения записывают словами, X = (A AND NOT B) OR (B AND C) и принимают алгебраическую форму $X = A\overline{B} + BC$, где точка (или отсутствие знака) означает И, плюс — ИЛИ, а черта над символом — НЕ. Используйте ту запись, которая дана в вопросе.

От выражения к схеме

Нарисуйте по одному вентилю на каждый оператор и соедините их проводами. Для $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: инвертор на $C$, вентиль И на $A$ и $B$, затем вентиль ИЛИ на двух результатах.

От схемы к выражению

Двигайтесь от входов к выходу, подписывая выход каждого вентиля, пока не достигнете финального выхода.

Разбор примера. Запишите выражение для схемы ниже, затем заполните её таблицу истинности.

Подпишите выходы вентилей: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, следовательно $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Затем добавьте в таблицу истинности столбец для каждого промежуточного выхода, чтобы каждую строку можно было проверить последовательно для каждого вентиля:

Построение схемы по выражению — это тот же путь в обратном направлении: начинайте с самых внутренних скобок, рисуйте по одному вентилю на каждый оператор, рисуйте инвертор на проводе любого входа, который встречается с НЕ, держите входы слева, а единственный выход справа, и подписывайте выход соответствующей буквой. Каждая линия должна заканчиваться на входе вентиля или на выходе; линия, идущая никуда, лишит балла.

От схемы к таблице истинности

Для $n$ входов существует $2^{n}$ строк. Перечислите все комбинации входов; для каждой определите внутренние вентили, а затем выход.

От таблицы истинности к выражению (сумма произведений)

Для каждой строки с выходом 1 запишите И входов (с НЕ на тех входах, которые в этой строке равны 0); объедините их через ИЛИ. Пример: таблица, которая равна 1 только на строках $(A=0,B=1)$ и $(A=1,B=0)$, даёт $\overline{A}B + A\overline{B}$, что эквивалентно $A \text{ XOR } B$.

От формулировки задачи

Сначала переведите английский текст в булево выражение: "A и B" → A И B; "A или B или оба" → A ИЛИ B; "ровно один из A и B" → A исключающее ИЛИ B; "ни A, ни B" → A ИЛИ-НЕ B; "не оба" → A ИЛИ-НЕ B.

Разбор примера. Сирена машины $X$ срабатывает, когда ограждение открыто ($A=1$) и либо мотор работает ($B=1$), либо температура высокая ($C=1$). Запишите булево выражение и укажите строки, где $X=1$. Переводите английский текст в логику по частям: "либо B, либо C" есть $B + C$, а "A и это" есть $X = A\cdot(B + C)$. Для строк: $X=1$ требует $A=1$ и хотя бы одного из $B$, $C$, равного 1 — значит $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ и $(1,1,1)$, три строки из восьми. Заметьте, что $A=0$ никогда не может вызвать сирену, независимо от того, что делают $B$ и $C$. Оберните ИЛИ скобками перед тем, как умножать на И: $X = A\cdot B + C$ — это совершенно другая схема, которая вызвала бы сирену при высокой температуре даже при закрытом ограждении.

Вопросы на определение оцениваются по фиксированной формулировке. Выучите их точно и дайте только один ответ.

• Различайте ОЗУ (энергозависимое, чтение/запись) и ПЗУ (неэнергозависимое, хранит загрузочные данные); SRAM (кэш, быстрее) и DRAM (основная память, требует регенерации).
• Для логической схемы составьте булево выражение по вентилям, а затем таблицу истинности, охватывающую каждую комбинацию входов.
• Выучите символ, выражение и таблицу истинности для каждого вентиля (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Объясните буфер (временное хранилище, связывающее два устройства с разной скоростью работы) и роль прерывания.

Распространенные ошибки

• Называть устройство вместо описания его работы. Фраза «использует лазер» не приносит баллов; баллы приносят шаги: зарядить барабан, лазер снимает заряд, тонер притягивается, переносится, фиксируется (припекается).
• Утверждать, что система мониторинга «управляет» чем-либо. Если физический процесс не изменяется, это мониторинг; добавьте исполнительный механизм и обратную связь — и получится управление.
• Писать, что ОЗУ «постоянно хранит файлы», или что ПЗУ «хранит данные пользователя». ОЗУ — это энергозависимая рабочая память; ПЗУ хранит фиксированные инструкции запуска.
• Таблица истинности со строками меньше $2^{n}$ или в случайном порядке. Считайте от 000 до 111 в двоичной системе, чтобы не пропустить ни одной комбинации.
• Рисовать две линии от одного выхода вентиля «для надежности» или оставлять провод, обрывающийся в пустоту. Рисуйте ровно те соединения, которые требуются заданным выражением.