Hardware

Un ordenador de propósito general tiene cuatro bloques constructivos:

• dispositivos de entrada 输入设备 — obtienen datos (teclado, ratón, micrófono, escáner, sensores).
• dispositivos de salida 输出设备 — entregan resultados (monitor, altavoces, impresora, actuadores).
• memoria principal 主存储器 — memoria rápida a la que el procesador 处理器 (CPU) accede directamente (RAM y ROM). Almacena el programa en ejecución y sus datos.
• almacenamiento secundario 辅助存储器 — más lento, mayor capacidad, mantiene programas y datos cuando no están en uso (disco duro, SSD, disco óptico, memoria USB).

El temario pide explicar por qué cada uno es necesario. Los dispositivos de entrada son necesarios porque el ordenador solo puede trabajar con los datos e instrucciones que han sido introducidos. Los dispositivos de salida son necesarios para presentar los resultados en un formato que las personas puedan utilizar. La memoria principal es necesaria porque el procesador solo puede ejecutar instrucciones y utilizar datos que se almacenan en una memoria a la que puede acceder directamente, y debe llegar a ellos rápidamente. El almacenamiento secundario es necesario porque la memoria principal es volátil y de pequeña capacidad: los programas y datos deben sobrevivir al apagado del equipo, en un almacenamiento más grande y económico, y el almacenamiento amovible permite mover datos entre ordenadores o mantenerlos como copia de seguridad.

Un sistema embebido 嵌入式系统 es un ordenador construido dentro de otro dispositivo para realizar una tarea fija (lavadora, microondas, unidad de motor de automóvil, termostato).

• ventajas: optimizado para una única tarea, por lo que es pequeño, consume poca energía y es barato de fabricar en volumen; fiable, porque ejecuta un programa fijo con pocas posibilidades de fallo; arranca rápidamente y no requiere configuración por parte del usuario; fácil de usar gracias a una interfaz simple.
• inconvenientes: limitado a su única tarea, por lo que no puede actualizarse para hacer más cosas; difícil de actualizar (su firmware 固件 puede necesitar herramientas especiales o no poder modificarse en absoluto); difícil de diagnosticar averías, y generalmente todo el dispositivo debe reemplazarse si falla; si está conectado a una red, puede ser una vulnerabilidad de seguridad, ya que su software rara vez recibe parches.

Una pregunta de "describir los inconvenientes" exige que cada inconveniente sea un punto completo: cuál es la limitación y qué significa para el usuario, por ejemplo "el firmware no se puede actualizar, por lo que un fallo de seguridad detectado después no puede solucionarse".

Impresora láser

Una impresora láser 激光打印机 escanea la imagen de la página sobre un tambor 感光鼓 fotosensible cargado. El toner 墨粉 se adhiere a las áreas cargadas, se transfiere al papel y se funde mediante un fijador. Rápida, nítida, alta producción.

Cómo funciona, según los pasos que enumera la guía de calificación:

1. Los datos de la página se envían al búfer de la impresora.
2. Se aplica una carga electrostática uniforme al tambor.
3. Un láser, reflejado por un espejo giratorio, escanea la imagen de la página sobre el tambor, eliminando la carga donde incide, de modo que la carga restante en el tambor coincide con la imagen.
4. El toner, un polvo cargado, es atraído únicamente a las partes cargadas del tambor.
5. El papel recibe la carga opuesta y pasa rodando contra el tambor, transfiriendo así el toner sobre él.
6. El fijador 定影器, un par de rodillos calentados, funde el toner dentro del papel. A continuación, el tambor se descarga y limpia para la siguiente página.

Impresora 3D

Una impresora 3D 3D打印机 construye un objeto capa por capa: FDM funde filamento de plástico a través de una boquilla; litografía estereoscópica cura resina líquida con un láser UV. Utilizada para prototipos y piezas médicas personalizadas.

Cómo funciona:

1. Se diseña un modelo del objeto en software CAD (o se escanea).
2. El software de segmentación divide el modelo en finas capas horizontales y genera las instrucciones para cada una.
3. La impresora construye el objeto capa por capa: una impresora FDM funde filamento 塑料丝 de plástico y lo deposita a través de una boquilla móvil; una impresora de resina cura resina líquida con un láser o luz UV; una impresora de polvo fusiona polvo con un láser.
4. Cada capa se une a la capa inferior, y la plataforma (o la boquilla) se mueve un grosor de capa.
5. Cuando se completa la última capa, se elimina cualquier material de soporte. Sus usos incluyen prototipos, piezas médicas personalizadas como prótesis, y repuestos impresos bajo demanda.

Micrófono y altavoces

Un micrófono 麦克风 convierte sonido en señal eléctrica (un diafragma vibra, cambiando la carga del condensador 电容器 o la posición de una bobina); la señal se digitaliza mediante un conversor analógico-digital 模数转换器 (ADC). Un altavoz hace lo contrario: una señal variable impulsa una bobina en un campo magnético, moviendo un cono para producir sonido.

Cómo funciona un micrófono: las ondas sonoras hacen vibrar un diafragma 膜片; en un micrófono dinámico, una bobina unida al diafragma se mueve en un campo magnético, induciendo una corriente variable en ella, y en un micrófono condensador, el diafragma es una placa de un condensador cuya capacitancia cambia a medida que se mueve; la señal analógica variable luego es muestreada por un ADC y almacenada como datos digitales. Un altavoz invierte esta cadena: un conversor digital-analógico 数模转换器 (DAC) produce una corriente variable, la corriente en la bobina crea un campo magnético cambiante que empuja contra el imán permanente, la bobina y el cono se mueven hacia adentro y afuera, y el movimiento del cono genera ondas de presión en el aire.

Disco duro magnético (HDD)

Un disco duro 硬盘 almacena datos en platos giratorios recubiertos de material magnético. Cada plato tiene pistas 磁道 divididas en sectores 扇区. Una cabeza de lectura/escritura 读写头 flota justo encima y magnetiza regiones minúsculas (escritura) o las detecta (lectura). Bajo costo por gigabyte, pero más lento que los SSD y tiene partes móviles.

Cómo funciona: los platos giran a alta velocidad (miles de revoluciones por minuto); cada superficie está dividida en pistas concéntricas y cada pista en sectores; las cabezas de lectura/escritura en brazos actuadores 磁头臂 se mueven sobre los platos hacia la pista correcta; para escribir, la cabeza magnetiza una pequeña región con una de dos polaridades, representando 0 o 1; para leer, detecta la polaridad mientras la región pasa debajo de ella. Los retrasos, esperando a que el brazo llegue a la pista y a que el sector gire, son la razón por la que un disco duro es más lento que un SSD.

Memoria de estado sólido (flash)

Un disco de estado sólido 固态硬盘 almacena datos como carga en transistores 晶体管, sin partes móviles. Acceso aleatorio más rápido que los HDD, más resistente, menor consumo de energía, pero más caro por gigabyte; cada celda se desgasta tras muchas escrituras.

Cómo funciona: cada celda es un transistor de puerta flotante 浮栅晶体管; una carga atrapada en la puerta flotante representa un bit y permanece allí cuando se apaga la alimentación; un chip controlador mapea cada dirección a una celda y distribuye las escrituras entre las celdas, porque una celda solo soporta un número limitado de escrituras.

Una pregunta "por qué un servidor usa discos duros en lugar de SSDs" busca la columna izquierda: más barato por gigabyte para grandes capacidades, larga vida bajo reescritura constante y recuperación de datos más fácil.

Disco óptico

Un láser detecta reflexiones desde pequeños surcos en un disco óptico 光盘 (CD, DVD, Blu-ray). La unidad es un lector/grabador de discos ópticos: la grabación usa un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de la superficie.

Cómo funciona: el disco lleva una larga pista espiral de surcos 凹坑 y terrenos 平台 (las áreas planas entre ellos); el disco gira y un láser se enfoca en la pista; la luz reflejada de un terreno difiere de la luz reflejada en el borde de un surco, y un sensor de luz lee cada cambio como un 1 y la ausencia de cambio como un 0. La grabación usa un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de una capa de tinte o aleación. Un Blu-ray usa un láser azul con longitud de onda más corta, por lo que sus surcos son más pequeños y están más juntos, lo cual es la razón por la que almacena más datos que un DVD.

Pantalla táctil

Una pantalla táctil 触摸屏 detecta contacto. Resistiva 电阻式: dos capas conductoras presionadas juntas; funciona con cualquier objeto pero es menos precisa. Capacitiva 电容式: un dedo perturba un campo de carga; precisa, multitoque, usada en teléfonos.

Cómo funciona: una pantalla resistiva tiene dos finas capas conductoras separadas por espaciadores; al presionar, la capa superior empuja contra la inferior, cerrando un circuito en ese punto, y el controlador lee el voltaje para encontrar las coordenadas. Una pantalla capacitiva tiene una capa de vidrio recubierta con un conductor transparente que mantiene una carga; un dedo que la toca extrae una pequeña corriente, la corriente se mide en cada esquina, y el controlador calcula la posición del toque a partir de las diferencias. Las pantallas capacitivas responden a toques ligeros y varios dedos a la vez, pero no a un dedo con guante ni a un lápiz óptico común.

Auricular de realidad virtual

Un auricular de realidad virtual 虚拟现实 (VR) tiene dos pantallas pequeñas (una por ojo) y sensores de movimiento (acelerómetro 加速度计, giroscopio 陀螺仪) que rastrean el movimiento de la cabeza para que la escena cambie según mira alrededor.

Cómo funciona: cada ojo ve su propia pantalla a través de una lente, y las dos imágenes difieren ligeramente, por lo que el cerebro percibe profundidad; los sensores (acelerómetro, giroscopio, a veces cámaras) informan dónde está la cabeza y hacia dónde apunta; la computadora vuelve a renderizar la escena desde ese punto de vista varias veces por segundo, por lo que girar la cabeza gira la vista; los auriculares proporcionan sonido que coincide con la dirección. Usado para juegos, para entrenamiento como simuladores de vuelo o cirugía, y para ver diseños antes de ser construidos.

Un buffer 缓冲 es memoria que almacena datos temporalmente mientras se mueven entre dispositivos de diferentes velocidades. Ejemplo: la CPU escribe un documento en un buffer de impresora rápidamente, luego queda libre para hacer otro trabajo mientras la impresora imprime desde el buffer a su propio ritmo. Los buffers evitan que el dispositivo rápido espere al lento (también usados en streaming, el teclado y el acceso a disco).

"Explique por qué una impresora 3D necesita un buffer": la computadora envía los datos de impresión mucho más rápido de lo que la impresora puede construir las capas, por lo que los datos se mantienen en el buffer hasta que la impresora está lista para recibirlos, y el procesador queda liberado para hacer otro trabajo. Cuando el buffer se agota, la impresora envía una interrupción 中断 para pedir más (tema 4). Un flujo de video funciona de manera similar: el buffer se llena por adelantado para que una breve caída en la velocidad de la red no detenga la imagen.

• RAM 随机存取存储器 (Random Access Memory) — volátil 易失性 (pierde datos sin energía). Almacena el SO, programas en ejecución y sus datos; se lee y escribe constantemente.
• ROM 只读存储器 (Read-Only Memory) — no volátil 非易失性 (mantiene datos sin energía). Generalmente escrita una sola vez; almacena firmware necesario en el arranque (BIOS / boot loader).

La ROM inicia el sistema; la RAM luego mantiene el trabajo activo.

Más RAM permite a una computadora mantener más programas y datos a la vez, por lo que intercambia menos entre memoria y disco y corre más rápido; esa es la respuesta a "explique por qué la computadora con más RAM tiene mejor rendimiento".

La misma división de memoria es importante en un dispositivo portátil: su programa fijo debe permanecer disponible tras apagarlo, mientras que sus lecturas en vivo cambian durante el uso.

• SRAM Static RAM (Memoria RAM Estática) almacena cada bit en un flip-flop flip-flop de varios transistores. Rápida, pero costosa y no densa. Se usa para cache cache de CPU.
• DRAM Dynamic RAM (Memoria RAM Dinámica) almacena cada bit como carga en un condensador pequeño. Más barata y densa, pero más lenta, y debe ser refreshed refresh (reescrita) miles de veces por segundo. Se usa para memoria principal.

Use SRAM para memoria pequeña y rápida (cache); DRAM para memoria principal grande.

"Explique por qué el sistema embebido usa DRAM": necesita una gran cantidad de memoria a bajo costo en un espacio pequeño, y su requisito de velocidad es modesto, por lo que la DRAM más barata y densa es la opción correcta; la SRAM se mantiene para la caché pequeña donde la velocidad es más importante.

Variantes de ROM que puede programar después de la fabricación:

• PROM (Programmable ROM — ROM Programable) — escrita una sola vez (fusibles quemados por un programador); no se puede cambiar.
• EPROM (Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable) — borrada con luz UV intensa a través de una ventana, luego reescrita (todo el chip a la vez).
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable Eléctricamente) — borrada y reescrita eléctricamente, byte por byte, en circuito. La memoria Flash es una derivación optimizada para borrado por bloques.

"Da dos diferencias entre EPROM y EEPROM" pide dos filas de esta tabla, cada una expresada para ambos tipos.

Ambos leen sensores; la diferencia es lo que hacen después.

• monitoring monitoring — recopila e informa datos pero no toma acciones (una estación meteorológica registrando lecturas).
• control system control system — usa los datos del sensor para decidir y actuar a través de actuadores, generalmente en un bucle de retroalimentación (un termostato encendiendo/apagando una caldera).

La respuesta de tres puntos "describe las diferencias": un sistema de monitoreo solo mide, registra o muestra las lecturas, y a lo sumo activa una advertencia; un sistema de control compara cada lectura con un preset value preset value y, si está fuera del rango, envía señales a los actuadores que cambian el proceso físico; el cambio se vuelve a medir, por lo que un sistema de control contiene retroalimentación y un sistema de monitoreo no. Si un sistema dado es uno u otro se decide mediante esa prueba: un sistema de puente que mide la altura de un vehículo y enciende un letrero de advertencia es monitoreo, porque nada de lo que hace cambia al vehículo; un sistema que baja una barrera es control.

Ejemplo resuelto. Describe cómo un sistema automatizado abre una puerta cuando una persona está a menos de 2 metros y la cierra cuando no hay nadie.

Un sensor infrarrojo o ultrasónico mide la distancia a cualquier objeto frente a la puerta; la lectura analógica se convierte a digital mediante un ADC y se envía al procesador; el procesador compara la distancia con los 2 metros preestablecidos; si es menor, el procesador envía una señal al actuador (un motor) para abrir la puerta; el sensor sigue midiendo, y cuando no se recibe ninguna lectura inferior a 2 metros, el procesador indica al motor que cierre la puerta. La medición repetida después de cada acción es la retroalimentación que evita que la puerta se abra y cierre en momentos incorrectos.

Sensores y actuadores

Un sensor sensor convierte una magnitud física en una señal: temperatura (un thermistor termistor o termopar), presión (galga extensiométrica), infrarrojo, sonido. Las señales analógicas necesitan primero un ADC. Un actuator actuador hace lo contrario: convierte una señal en una acción (un motor, válvula, calefactor, zumbador).

Retroalimentación

En un sistema de control, el actuador cambia el entorno, que los sensores vuelven a medir: un bucle de feedback feedback. Sin retroalimentación, el sistema no puede corregirse ni saber cuándo detenerse (un termostato sin retroalimentación de temperatura calentaría indefinidamente).

Una logic gate compuerta lógica es un pequeño circuito que realiza una operación Boolean booleana. Las entradas y salidas son 0 (falso, bajo) o 1 (verdadero, alto). Conozca el símbolo, la función y la truth table tabla de verdad para cada compuerta.

NOT (invertidor)

AND — salida 1 solo si todos los inputs son 1

OR — salida 1 si al menos un input es 1

NAND (NOT AND) — salida 0 solo cuando todos los inputs son 1

NOR (NOT OR) — salida 1 solo cuando todos los inputs son 0

XOR (Exclusive OR, también llamado EOR) — salida 1 si los inputs son diferentes

Un logic circuit circuito lógico es una red de compuertas que ejecuta una expresión booleana. Deberías poder pasar de un enunciado de problema, a una expresión lógica, a una tabla de verdad y a un diagrama de circuito.

El examen escribe expresiones en palabras, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), y acepta la forma algebraica $X = A\overline{B} + BC$ donde un punto (o nada) es AND, un signo más es OR, y una barra es NOT. Usa la que utilice la pregunta.

De expresión a circuito

Dibuja una compuerta por operador y conéctalos. Para $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: una compuerta NOT sobre $C$, una compuerta AND sobre $A$ y $B$, luego una compuerta OR sobre los dos resultados.

De circuito a expresión

Trabaja hacia adelante desde las entradas, etiquetando la salida de cada compuerta, hasta llegar a la salida final.

Ejemplo resuelto. Escribe la expresión del circuito siguiente, luego completa su tabla de verdad.

Etiqueta las salidas de las compuertas: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, así $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Luego dale a la tabla de verdad una columna por cada salida intermedia, para que cada fila pueda verificarse una compuerta a la vez:

Dibujar un circuito a partir de una expresión es el mismo recorrido en reversa: comienza desde los paréntesis más internos, dibuja una compuerta por operador, dibuja una compuerta NOT en el cable de cualquier entrada que aparezca con NOT, mantén las entradas a la izquierda y la única salida a la derecha, y etiqueta la salida con su letra. Cada línea debe terminar en una entrada de compuerta o en la salida; una línea que no va a ningún lado pierde puntos.

De circuito a tabla de verdad

Para $n$ entradas hay $2^{n}$ filas. Enumera cada combinación de entradas; para cada una, calcula las compuertas internas y luego la salida.

De tabla de verdad a expresión (suma de productos)

Para cada fila que tiene salida 1, escribe un AND de las entradas (con NOT en cualquier entrada que sea 0 en esa fila); OR estas juntas. Ejemplo: una tabla que es 1 solo en $(A=0,B=1)$ y $(A=1,B=0)$ da $\overline{A}B + A\overline{B}$, que es $A \text{ XOR } B$.

De un enunciado de problema

Convierte el inglés a una expresión booleana primero: "A y B" → A AND B; "A o B o ambos" → A OR B; "exactamente uno de A y B" → A XOR B; "ni A ni B" → A NOR B; "no ambos" → A NAND B.

Ejemplo resuelto. La alarma de una máquina $X$ suena cuando la puerta está abierta ($A=1$) y ya sea el motor está en marcha ($B=1$) o la temperatura es alta ($C=1$). Escribe la expresión booleana y da las filas donde $X=1$. Convierte el inglés a lógica una cláusula a la vez: "ya sea B o C" es $B + C$, y "A y eso" es $X = A\cdot(B + C)$. Para las filas, $X=1$ necesita $A=1$ y al menos uno de $B$, $C$ igual a 1 - así $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ y $(1,1,1)$, tres filas de ocho. Nota que $A=0$ nunca puede sonar la alarma, sin importar qué hagan $B$ y $C$. Encierra entre paréntesis el OR antes de hacerle AND: $X = A\cdot B + C$ es un circuito completamente diferente, uno que sonaría la alarma por alta temperatura incluso con la puerta cerrada.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Distingue RAM (volátil, lectura/escritura) de ROM (no volátil, contiene el bootstrap); SRAM (caché, más rápida) de DRAM (memoria principal, necesita refresco).
• Para un circuito lógico, construye la expresión booleana compuerta por compuerta, luego una tabla de verdad que cubra todas las combinaciones de entradas.
• Aprende el símbolo, la expresión y la tabla de verdad de cada compuerta (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Explica un búfer (un almacenamiento temporal que puentea dos velocidades distintas) y el papel de una interrupción.

Errores comunes

• Nombrar el dispositivo en lugar de describir su funcionamiento. "Usa un láser" no otorga puntos; los pasos (cargar el tambor, el láser elimina la carga, el tóner es atraído, transferido, fundido) sí otorgan puntos.
• Decir que un sistema de monitoreo "controla" algo. Si nada modifica el proceso físico, es monitoreo; agrega el actuador y la retroalimentación y se convierte en control.
• Escribir que RAM "almacena archivos permanentemente" o que ROM "almacena los datos del usuario". RAM es memoria de trabajo volátil; ROM contiene las instrucciones de arranque fijas.
• Una tabla de verdad con menos de $2^{n}$ filas, o filas en orden aleatorio. Cuenta en binario de 000 a 111 para no omitir ninguna combinación.
• Dibujar dos líneas desde una salida de una compuerta por seguridad, o dejar un cable que termina en ningún lado. Dibuja exactamente las conexiones que necesita la expresión.