硬件

一台通用计算机有四个构件:

• 输入设备(input devices)——把数据输入(键盘、鼠标、麦克风、扫描仪、传感器)。
• 输出设备(output devices)——把结果输出(显示器、扬声器、打印机、执行器)。
• 主存储器(primary memory)——处理器(processor,CPU)直接访问的快速存储器(RAM 和 ROM)。容纳运行中的程序及其数据。
• 辅助存储器(secondary storage)——较慢、较大,在不用时保存程序和数据(硬盘、SSD、光盘、U 盘)。

一个嵌入式系统(embedded system)是一台内置于另一个设备中、做一个固定工作的计算机(洗衣机、微波炉、汽车发动机单元、恒温器)。

• 好处:为一个任务优化(低功耗、小、便宜);可靠;启动快;批量便宜。
• 缺点:限于它的一个任务;难以更新(它的固件(firmware)可能需要特殊工具);常常不可维修;有时安全性弱。

激光打印机

一台激光打印机(laser printer)把页面图像扫描到一个带电的感光感光鼓(drum)上。墨粉(toner)黏附到带电区域,转移到纸上,并被一个定影器熔上去。快速、清晰、大批量。

3D 打印机

一台 3D 打印机(3D printer)逐层构建一个物体:FDM 通过一个喷嘴熔化塑料丝;立体光刻用一个 UV 激光固化液态树脂。用于原型和定制医疗部件。

麦克风和扬声器

一个麦克风(microphone)把声音变成一个电信号(一个膜片振动,改变电容器(capacitor)的电荷或线圈位置);信号被一个模数转换器(analogue-to-digital converter,ADC)数字化。一个扬声器做相反的——一个变化的信号驱动一个磁场中的线圈,移动一个纸盆来发声。

磁性硬盘(HDD)

一个硬盘(hard disk)把数据存储在涂有磁性材料的旋转盘片上。每个盘片有分成扇区(sectors)的磁道(tracks)。一个读写头(read/write head)浮在其上方,磁化微小区域(写)或感应它们(读)。每吉字节便宜,但比 SSD 慢,并有运动部件。

固态(闪存)存储器

一个固态硬盘(solid-state drive)把数据作为电荷存储在晶体管(transistors)中,没有运动部件。随机访问比 HDD 快、更耐用、功耗更低,但每吉字节更贵;每个单元在许多次写入后会磨损。

光盘

一个激光检测来自一个光盘(optical disc,CD、DVD、蓝光)上微小凹坑的反射。驱动器是一个光盘读写器:写入用一个更强的激光来改变表面的反射率。

触摸屏

一个触摸屏(touchscreen)感应接触。电阻式(resistive):两个导电层被压在一起;能与任何东西一起工作但不太准确。电容式(capacitive):一根手指扰乱一个电荷场;准确、多点触控,用于手机。

虚拟现实头显

一个虚拟现实(virtual reality,VR)头显有两个小显示屏(每只眼一个)和跟踪头部运动的运动传感器(加速度计(accelerometer)、陀螺仪(gyroscope)),这样当你环顾四周时场景就移动。

一个缓冲(buffer)是在数据于不同速度的设备之间移动时暂时容纳数据的存储器。例子:CPU 快速地把一个文档写入一个打印机缓冲区,然后就能自由地做其他工作,而打印机以它自己的速度从缓冲区打印。缓冲区阻止快设备等待慢设备(也用于流式传输、键盘和磁盘访问)。

• RAM(随机存取存储器,Random Access Memory)——易失性(volatile,断电丢失数据)。容纳操作系统、运行中的程序及其数据;不断地读和写。
• ROM(只读存储器,Read-Only Memory)——非易失性(non-volatile,断电保持数据)。通常写一次;容纳启动时所需的固件(BIOS / 引导加载程序)。

ROM 启动系统;然后 RAM 容纳活动的工作。

• SRAM(静态 RAM,Static RAM)把每一位存储在一个由几个晶体管构成的触发器(flip-flop)中。快,但昂贵且不密集。用于 CPU 高速缓存(cache)。
• DRAM(动态 RAM,Dynamic RAM)把每一位作为电荷存储在一个微小的电容器上。更便宜、更密集但更慢,并且必须每秒刷新(refreshed,重写)数千次。用于主存储器。

小的快速存储器(高速缓存)用 SRAM;大的主存储器用 DRAM。

制造后你能编程的 ROM 变体:

• PROM(可编程 ROM)——写一次(由一个编程器烧断熔丝);不能改变。
• EPROM(可擦可编程 ROM)——通过一个窗口用强 UV 光擦除,然后重写(一次整个芯片)。
• EEPROM(电可擦可编程 ROM)——电气地擦除和重写,一次一个字节,在电路中。闪存是一个为块擦除优化的衍生物。

两者都读传感器;区别在于它们接下来做什么。

• 监控(monitoring)——收集并报告数据但不采取行动(一个记录读数的气象站)。
• 控制系统(control system)——用传感器数据通过执行器来决定并行动,通常在一个反馈回路中(一个开关锅炉的恒温器)。

传感器和执行器

一个传感器(sensor)把一个物理量变成一个信号:温度(一个热敏电阻(thermistor)或热电偶)、压力(应变片)、红外、声音。模拟信号需要先经过一个 ADC。一个执行器(actuator)做相反的——把一个信号变成一个动作(一个电机、阀门、加热器、蜂鸣器)。

反馈

在一个控制系统中,执行器改变环境,传感器随即重新测量它——一个反馈(feedback)回路。没有反馈,系统不能自我纠正或知道何时停止(一个没有温度反馈的恒温器会永远加热)。

一个逻辑门(logic gate)是一个做一个布尔(Boolean)运算的小电路。输入和输出是 0(假、低)或 1(真、高)。要知道每个门的符号、功能和真值表(truth table)。

NOT(反相器)

AND —— 仅当所有输入都为 1 时输出 1

OR —— 若至少一个输入为 1 则输出 1

NAND(NOT AND)—— 仅当所有输入都为 1 时输出 0

NOR(NOT OR)—— 仅当所有输入都为 0 时输出 1

XOR(异或,也叫 EOR)—— 若输入不同则输出 1

一个逻辑电路(logic circuit)是一个执行一个布尔表达式的门网络。你应当能够在一个问题陈述、一个逻辑表达式、一个真值表和一个电路图之间转换。

从表达式到电路

每个运算符画一个门并把它们连起来。对于 $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$:$C$ 上一个 NOT 门、$A$ 和 $B$ 上一个 AND 门,然后两个结果上一个 OR 门。

从电路到表达式

从输入向前推进,标注每个门的输出,直到你到达最终输出。

从电路到真值表

对于 $n$ 个输入有 $2^{n}$ 行。列出每个输入组合;对每一个,算出内部的门再算出输出。

从真值表到表达式(积之和)

对每个输出为 1 的行,写一个输入的 AND(对那一行中为 0 的任何输入取 NOT);把这些 OR 在一起。例子:一个只在 $(A=0,B=1)$ 和 $(A=1,B=0)$ 输出 1 的表给出 $\overline{A}B + A\overline{B}$,即 $A \text{ XOR } B$。

从一个问题陈述

先把英语变成一个布尔表达式:"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。

例题。 某机器的警报 $X$ 在防护罩打开($A=1$)并且电机运转($B=1$)或温度过高($C=1$)时鸣响。写出布尔表达式,并给出 $X=1$ 的各行。把英文一句一句地转成逻辑:"B 或 C"是 $B + C$,"A 并且这个"是 $X = A\cdot(B + C)$。至于各行,$X=1$ 需要 $A=1$ 并且 $B$、$C$ 中至少有一个为 1 - 所以是 $(A,B,C) = (1,0,1)$、$(1,1,0)$ 和 $(1,1,1)$,八行中的三行。注意 $A=0$ 时无论 $B$ 和 $C$ 怎样都不会报警。在与 A 相与之前要给 OR 加括号:$X = A\cdot B + C$ 完全是另一个电路,它会在防护罩关着时也因高温而报警。

• 区分 **RAM(易失性、读/写)**和 ROM(非易失性、容纳引导程序);SRAM(高速缓存、更快)和 DRAM(主存储器、需要刷新)。
• 对于一个逻辑电路,逐门构建布尔表达式,然后一个覆盖每个输入组合的真值表。
• 学每个门(AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR)的符号、表达式和真值表。
• 解释一个缓冲(一个桥接两个不同速度的临时存储)以及一个中断的作用。