Thiết bị lưu trữ và ngoại vi

Năm megabyte nặng một tấn

• Năm 1956, IBM giao chiếc ổ cứng đầu tiên. Nó lưu trữ 5 megabyte trên năm mươi đĩa từ quay, mỗi đĩa rộng 24 inch, và thiết bị nặng khoảng một tấn.
• Một ổ cứng kích thước 2,5 inch ngày nay có thể lưu trữ gấp một triệu lần như vậy, sử dụng đúng cùng nguyên lý: từ hóa các vùng nhỏ trên đĩa quay và đọc lại chúng.
• Đề thi yêu cầu bạn mô tả cách mỗi thiết bị chính hoạt động, từng bước, theo thứ tự mà điểm số liệt kê.
• Bài học này sẽ đi qua từng loại một: ba loại bộ nhớ, sau đó là các thiết bị ngoại vi.

Ổ cứng từ tính

• Ổ cứng từ tính (HDD) lưu dữ liệu dưới dạng các vùng từ hóa trên các đĩa quay được phủ vật liệu từ tính.
• Mỗi bề mặt được chia thành các vòng tròn đồng tâm, và mỗi vòng tròn được chia thành các ngân hàng. Đầu đọc/ghi trên cánh tay cơ cấu chuyển động ngang qua đĩa đến đúng vòng tròn mong muốn và chờ ngân hàng chạy qua phía dưới đầu đọc.
• Giá rẻ trên mỗi gigabyte và dung lượng lớn, nhưng các bộ phận chuyển động khiến nó chậm hơn, ồn hơn và dễ bị hỏng do va đập.

Cánh tay cơ cấu đẩy đầu đọc/ghi di chuyển ngang qua đĩa đang quay

Đĩa lưu dữ liệu theo các vòng tròn đồng tâm, mỗi vòng tròn được chia thành các ngân hàng

Bộ nhớ thể rắn (flash)

• Ổ thể rắn (SSD) lưu dữ liệu dưới dạng điện tích bị khóa trong transistor cửa nổi bên trong chip NAND flash. Không có bộ phận chuyển động.
• Do đó nó truy cập nhanh hơn, im lặng, tiêu thụ ít năng lượng hơn và chịu được việc rơi rớt. Nó đắt hơn trên mỗi gigabyte, và mỗi ô chỉ có thể ghi lại một số lần hữu hạn.
• Loại bộ nhớ flash tương tự cũng có trong USB và thẻ nhớ.

Bên trong SSD: hàng loạt chip flash và bộ điều khiển, không có gì chuyển động

Thiết bị đọc và ghi đĩa quang

• Đĩa quang (CD, DVD, Blu-ray) lưu dữ liệu dọc theo một đường xoắn ốc dài dưới dạng các lỗ hổng và bề mặt phẳng. Tia laser chiếu lên đường xoắn ốc và cảm biến đo lượng ánh sáng phản xạ: sự thay đổi độ phản xạ được đọc là một bit.
• Thiết bị ghi sử dụng tia laser mạnh hơn để thay đổi bề mặt, thiêu đốt lớp thuốc nhuộm hoặc làm thay đổi lớp chuyển pha, tạo ra mẫu độ phản xạ.
• Blu-ray sử dụng tia laser có bước sóng ngắn hơn so với DVD, vì vậy các lỗ hổng của nó nhỏ hơn và lưu được nhiều dữ liệu hơn.

Tia laser đọc các lỗ hổng và bề mặt phẳng của đường xoắn ốc

Ví dụ giải chi tiết: chọn thiết bị lưu trữ

Máy in laser

• Máy in laser hoạt động theo các bước mà điểm số liệt kê. Dữ liệu trang được gửi vào bộ đệm của máy in. Trống được cấp một điện tích tĩnh điện đồng đều.
• Tia laser, phản xạ qua gương quay, quét hình ảnh lên trống và loại bỏ điện tích nơi nó chạm tới, nên điện tích còn lại khớp với nội dung trang.
• Mực in (toner), bột mang điện, chỉ bị hút vào các phần có điện tích trên trống. Giấy được cấp điện tích ngược lại và mực in chuyển sang giấy.
• Lò nén (fuser), gồm hai con lăn nóng chảy, làm nóng chảy mực in vào giấy. Trống được xả điện và làm sạch cho trang tiếp theo.

Máy in laser: điện tích, tia laser, mực in, chuyển giao, nén

Máy in 3D

• Một chiếc máy in 3D 3D tạo ra vật thể rắn từng lớp một từ mô hình kỹ thuật số.
• Mô hình được thiết kế bằng phần mềm CAD hoặc quét; phần mềm cắt lát (slicing software) tách nó thành các lớp ngang mỏng và tạo ra lệnh cho từng lớp.
• Máy in FDM nung chảy sợi nhựa filament và extrude nó qua vòi di chuyển; máy in resin固化 liquid resin bằng tia UV; máy in bột kết nối bột bằng tia laser. Mỗi lớp liên kết với lớp bên dưới.
• Ứng dụng: mẫu thử, bộ phận y tế tùy chỉnh như chân giả, phụ tùng sản xuất theo nhu cầu.

Máy in 3D FDM nung chảy sợi nhựa và xây dựng vật thể từng lớp một

Microphone và loa

• Trong microphone, sóng âm làm rung màng. Màng di chuyển cuộn dây trong từ trường (hoặc thay đổi khe hở của tụ điện), tạo ra tín hiệu điện biến thiên.
• Tín hiệu này là analog, nên ADC (bộ chuyển đổi analog sang số) lấy mẫu nó và biến nó thành nhị phân trước khi lưu trữ.
• Loa chạy quá trình ngược lại: DAC tạo ra dòng điện biến thiên, dòng điện trong cuộn dây khiến nó di chuyển trong từ trường, và nón gắn liền đẩy không khí để tạo ra âm thanh.

Bên trong microphone: âm thanh làm rung màng và cuộn dây để tạo ra dòng điện

Loa là micro theo chiều ngược lại: dòng điện di chuyển cuộn dây, nón di chuyển không khí

Màn hình cảm ứng

• Màn hình cảm ứng vừa là thiết bị đầu vào vừa là thiết bị đầu ra.
• Capacitive: kính mang một lớp chứa điện tích. Ngón tay chạm vào làm thay đổi điện tích tại điểm đó, và các cảm biến ở các góc xác định tọa độ. Chính xác, sáng, hỗ trợ đa chạm, nhưng cần chạm dẫn điện.
• Kháng điện: hai lớp linh hoạt được tách biệt bởi một khoảng trống nhỏ. Nhấn chúng lại với nhau sẽ đóng mạch tại điểm chạm và điện áp sẽ xác định tọa độ. Hoạt động tốt với bút cảm ứng hoặc tay mang găng tay, nhưng màn hình tối hơn và không hỗ trợ đa chạm.

Màn hình cảm ứng điện dung phản hồi với điện tích của đầu ngón tay

Kính thực tế ảo

• Một kính thực tế ảo hiển thị cho mỗi mắt một hình ảnh hơi khác nhau trên màn hình riêng (hoặc một nửa của một màn hình), giúp não bộ nhận thức chiều sâu.
• Giroscope và gia tốc kế cảm biến cách đầu xoay và nghiêng; hình ảnh được vẽ lại nhiều lần mỗi giây để phù hợp, khiến cảnh quan trông cố định trong khi người dùng nhìn quanh.
• Tai nghe cung cấp âm thanh thay đổi theo vị trí đầu, và các camera bên ngoài hoặc cảm biến hồng ngoại có thể theo dõi vị trí đứng của người dùng.

Kính VR: hai hình ảnh, cảm biến chuyển động và âm thanh theo đầu

Ví dụ minh họa: "mô tả nguyên lý hoạt động chính"

Điểm số dễ mất

Bạn đã nắm vững