Ciência da Computação do A-Level

Os três sistemas numéricos 数制 que deve dominar:

• decimal 十进制 (base 10) — usa dígitos 0–9. Os lugares valoriais são potências de dez.
• binário 二进制 (base 2) — usa 0 e 1. Os lugares valoriais são potências de dois. Cada byte 字节 tem 8 bits 位.
• hexadecimal 十六进制 (base 16) — usa 0–9 seguidos de A–F para 10–15. Cada dígito hexadecimal representa exatamente 4 bits.

Conversões

Decimal → binário: continue a dividir por 2 e registe os restos, lendo de baixo para cima. Ou subtraia o maior lugar valorial 位值 (potência de 2) que couber.

Exemplo: $558_{10}$: $558 = 512 + 32 + 8 + 4 + 2 = 2^{9} + 2^{5} + 2^{3} + 2^{2} + 2^{1}$. Em 12 bits: 0010 0010 1110.

Binário → hexadecimal: agrupe os bits em nibbles 半字节 (4 bits) da direita para a esquerda e converta cada um. 0010 0010 1110 → 2 2 E → 22E.

Hexadecimal → binário: substitua cada dígito hexadecimal por seu padrão de 4 bits. Hexadecimal → decimal: multiplique cada dígito por seu valor posicional. 22E $= 2 \times 256 + 2 \times 16 + 14 = 558$.

Exemplo resolvido. Converta o decimal 200 para binário de 8 bits, depois para hexadecimal.

$200 = 128 + 64 + 8$, então o binário é 11001000. Em nibbles, 1100 1000 $= 12$ e $8$, ou seja, $\text{C}$ e $8$, então o hexadecimal é C8.

Quantos bits?

As questões de exame fixam a largura do registrador 寄存器宽度 (8, 12 ou 16 bits). Preencha com zeros à esquerda até essa largura: $558$ em 12 bits é 0010 0010 1110, nunca 10 0010 1110.

Para encontrar o número mínimo de bits necessários para armazenar um valor, pergunte quais lugares valoriais precisa:

• um inteiro sem sinal de $0$ a $2^{n} - 1$ precisa de $n$ bits: $200$ precisa de 8 bits (o topo é $255$), $1000$ precisa de 10 bits (o topo é $1023$), $16$ precisa de 5 bits (4 bits param em $15$).
• um inteiro com sinal em complemento para dois de $-2^{n-1}$ a $2^{n-1} - 1$ precisa de $n$ bits: $-200$ precisa de 9 bits, pois 8 bits param em $-128$.
• um dígito hexadecimal precisa de 4 bits, um dígito BCD precisa de 4 bits, e um carácter ASCII precisa de 7 bits (8 para ASCII expandido).

Prefijos binários vs decimais

Dois famílias de prefijos parecem semelhantes mas diferem — decimal (potências de 10) e binário (potências de 2):

Assim, um tebibyte (TiB) é ligeiramente maior que um terabyte (TB). Um disco "1 TB" armazena $10^{12}$ bytes, mas um sistema operacional que relata em TiB mostra um número menor.

Adição binária

Adicione coluna por coluna da direita, carregando como na decimal:

Overflow 溢出 ocorre quando o resultado precisa de mais bits do que o register 寄存器 pode armazenar — o carry-out da coluna mais à esquerda é o bit de overflow.

Exemplo resolvido. Some os inteiros sem sinal de 8 bits $10110101$ e $01101100$, e comente sobre o resultado.

$10110101 + 01101100 = 1\,00100001$. A resposta precisa de 9 bits, então não cabe em um registro de 8 bits: ocorreu overflow. Uma resposta completa nomeia o erro e diz por quê, usando a largura de palavra dada pela questão: "Overflow: o resultado verdadeiro ($289$) é maior que o maior valor que um registro de 8 bits pode armazenar ($255$), então o carry out do bit mais significativo é perdido e o resultado armazenado ($00100001 = 33$) está errado."

Subtração binária

O método usual é a adição de two's complement 补码: para fazer $A - B$, forme o two's complement de $B$ (inverte todos os bits e soma 1), depois some, e descarte qualquer carry-out final.

Para subtrair $00011110$ de $01100100$ (sem sinal 8 bits):

• two's complement de $00011110$: inverta → $11100001$, some 1 → $11100010$.
• some com $01100100$: resultado $1\,01000110$ (9 bits) — descarte o 1 inicial → $01000110 = 70_{10}$. Verifique: $100 - 30 = 70$. ✓

Inteiros sinalizados em two's complement

Em um número two's complement de $n$ bits:

• o most significant bit 最高有效位 (MSB) é o sign bit 符号位: 0 = positivo, 1 = negativo.
• para ler um número negativo: inverta todos os bits, some 1, depois negue.

Então $11100010$ é negativo; inverta → $00011101$, some 1 → $00011110 = 30$, logo é $-30$. Este é um signed integer 有符号整数 (ao contrário de um sem sinal 无 signed one). O intervalo para $n$ bits é $-2^{n-1}$ a $+2^{n-1} - 1$; para 8 bits, $-128$ ($10000000$) a $+127$ ($01111111$).

Os mesmos bits significam números diferentes dependendo da leitura acordada. Como inteiro sem sinal, cada bit é um valor posicional, então 8 bits variam de $0$ a $255$; como inteiro sinalizado two's complement, o bit superior é o sinal, então os mesmos 8 bits variam de $-128$ a $+127$. O padrão $11111111$ é $255$ lido de uma forma e $-1$ lido da outra — nada nos próprios bits diz qual é.

O mesmo byte lido como unsigned e signed: apenas a interpretação acordada os distingue Two's complement de 8 bits: o sign bit divide o intervalo em negativo ($-128$ a $-1$) e positivo ($0$ a $127$)

Exemplo resolvido. Qual o valor decimal representado pelo número two's complement de 8 bits $10110100$?

O MSB é 1, então é negativo. Inverta → $01001011$, adicione 1 → $01001100 = 76$, então o valor é $-76$. Verifique com valores posicionais: $-128 + 32 + 16 + 4 = -76$.

Exemplo resolvido. Escreva $-108$ como um inteiro two's complement de 12 bits.

Comece com $+108$ em 12 bits: $108 = 64 + 32 + 8 + 4$, então 0000 0110 1100. Inverta todos os bits: 1111 1001 0011. Some 1: 1111 1001 0100. Verifique com valores posicionais, onde o bit superior vale $-2^{11} = -2048$: $-2048 + 1024 + 512 + 256 + 128 + 16 + 4 = -108$. ✓

Para 12 bits, o intervalo é $-2048$ (1000 0000 0000) a $+2047$ (0111 1111 1111). Questões que pedem os menores e maiores valores querem esses dois padrões, então aprenda a regra: o número mais negativo é um 1 seguido de zeros; o mais positivo é um 0 seguido de uns.

Um arithmetic shift 算术移位 move todos os bits para a esquerda ou direita, mas mantém o sinal: um shift right em um lugar divide o valor ao meio e copia o sign bit no espaço vazio à esquerda, então um número negativo permanece negativo (1111 1001 0100 deslocado right três lugares é 1111 1111 0010, que é $-14$: $-108 / 8 = -13.5$, e um shift right arredonda para baixo). Um shift left dobra o valor. Shifts pertencem ao conjunto de instruções assembly no tópico 4, mas esta pergunta é feita com o trabalho numérico aqui.

Overflow em aritmética sinalizada ocorre quando o resultado verdadeiro cai fora deste intervalo — identificado quando o sign bit inverte incorretamente (dois positivos dando negativo, ou dois negativos dando positivo).

One's complement

Antes do two's complement, um esquema antigo chamado one's complement 反码 representava um número negativo simplesmente invertendo todos os bits do positivo — não há etapa de "somar 1".

• $+30 = 00011110$, então em one's complement $-30 = 11100001$ (apenas o inverso).
• Desvantagem: possui dois zeros — $00000000$ ($+0$) e $11111111$ ($-0$) — o que desperdiça um padrão de bits e torna a aritmática complicada.

Two's complement (inverta e some 1) elimina o zero negativo: ele tem um único zero e permite que adição e subtração usem o mesmo circuito. É por isso que computadores modernos armazenam inteiros sinalizados em two's complement, não em one's complement.

Em BCD 二进码十进数, cada dígito decimal é escrito como seu próprio padrão de 4 bits. O número $93$ é 1001 0011 em BCD — não binário 93 ($01011101$). Cada nibble usa apenas 0–9; padrões $1010$–$1111$ são inválidos.

Leitura BCD: 0010 0111 0101 → 2, 7, 5 → 275.

Uso: calculadoras, relógios digitais e dispositivos que exibem dígitos decimais — cada dígito aciona um 7-segment display 七段显示器. O código de moeda frequentemente usa BCD para evitar erros de arredondamento ao converter frações como 0.1 em binário.

Uma resposta "justify" deve ligar o uso a uma propriedade do BCD: cada dígito decimal tem seus próprios 4 bits, então um dígito pode ser enviado diretamente para seu display, ou somado dígito por dígito, sem conversão do número todo; e uma fração decimal como $0.10$ é armazenada exatamente, algo que uma fração binária não consegue fazer.

Hex é uma forma compacta de escrever binário (1 dígito hex = 4 bits):

• memory addresses 内存地址 em programação de baixo nível — 0x7FFE.
• colour values em HTML/CSS — #FF8800.
• MAC addresses — AC:DE:48:00:11:22.

Hex não altera os dados armazenados — apenas facilita o binário para humanos.

Computadores armazenam texto como números; cada caractere tem um code point 码点 numérico definido por um character set 字符集.

ASCII

• ASCII usa 7 bits — 128 code points. Letras latinas básicas, dígitos, pontuação e códigos de controle.
• Extended ASCII usa 8 bits — 256 code points; os primeiros 128 correspondem ao ASCII, os últimos 128 variam por região.

Unicode

• Unicode é um conjunto universal de caracteres cobrindo quase todos os scripts, além de símbolos e emojis.
• encodings 编码 comuns: UTF-8 (1–4 bytes, compatível com ASCII), UTF-16 (2 ou 4 bytes), UTF-32 (fixo 4 bytes).

Por que Unicode supera ASCII

• representa muitos mais caracteres (todos os scripts, emojis); ASCII cobre apenas inglês básico.
• arquivos são portáteis sem confusão de páginas de código, e permitem texto multilíngue em um único documento.
• trade-off: arquivos Unicode costumam ser maiores para texto apenas em inglês.

Quando uma questão pede diferenças, dê-as em pares com números: ASCII usa 7 bits (ASCII estendido 8), logo 128 (256) caracteres; Unicode usa até 32 bits (UTF-8 usa 1 a 4 bytes), logo mais de um milhão de code points. ASCII cobre apenas inglês básico; Unicode cobre todos os scripts, e seus primeiros 128 code points são os do ASCII. Em UTF-8, uma letra inglesa ainda ocupa 1 byte, então um nome de arquivo de 40 letras em inglês tem 40 bytes tanto no ASCII quanto no UTF-8, enquanto um caractere chinês ocupa 3 bytes.

Uma imagem bitmap 位图 (também chamada de bitmapped image) armazena a cor de cada pixel 像素 em uma grade. No início do arquivo, um file header 文件头 registra os metadados da imagem — sua largura, altura e profundidade de cor — para que o software saiba como ler os dados de pixel que seguem.

• image resolution 图像 resolução: o tamanho próprio do bitmap, largura × altura em pixels (ex. 1920 × 1080).
• screen resolution 屏幕分辨率: a largura × altura que o display pode mostrar. Se a resolução de uma imagem for maior que a tela, ela é escalonada para caber; uma imagem de baixa resolução fica pixelizada quando esticada em uma tela de alta resolução.
• profundidade de cor profundidade de cor (profundidade de bits profundidade de bits): bits por pixel. 1 bit → preto e branco; 8 bits → 256 cores; 24 bits → 16.7 milhão ("cor verdadeira").

Tamanho do arquivo

Divida por 8 para bytes, por 1024 para KiB, etc. Exemplo: uma imagem $3000 \times 2000$ a 24 bpp é $3000 \times 2000 \times 24 = 1.44 \times 10^{8}$ bits $\approx 17.2\ \text{MiB}$.

Informe as unidades que usou. O gabarito aceita $1\ \text{MB} = 10^{6}$ bytes (prefixo SI) ou $1\ \text{MiB} = 1024 \times 1024$ bytes (prefixo binário), desde que seu cálculo mostre qual; a mesma imagem é $18.0\ \text{MB}$ ou $17.2\ \text{MiB}$. Adicione o tamanho do cabeçalho do arquivo se a questão o fornecer.

Um vídeo é uma sequência de imagens bitmap, cada uma sendo um quadro 帧. Antes da compressão, seu tamanho é o tamanho de um quadro $\times$ a taxa de quadros 帧率 (quadros por segundo) $\times$ a duração em segundos: 30 quadros por segundo de $1920 \times 1080$ pixels a 24 bits são $30 \times 1920 \times 1080 \times 24 \approx 1.5 \times 10^{9}$ bits, aproximadamente $187\ \text{MB}$, para cada segundo. É por isso que vídeos sempre são comprimidos.

Alterando configurações

• resolução mais baixa → arquivo menor, menos detalhes (aparece pixelizado quando ampliado).
• profundidade de cor mais baixa → arquivo menor, mas tons suaves mostram faixas.
• maior de qualquer um → arquivo maior, melhor qualidade.

Um gráfico vetorial 矢量图形 armazena as instruções para desenhar a imagem como uma lista de desenho 绘图列表 — uma lista ordenada de objetos de desenho 绘图对象 (primitivas geométricas 图元: linhas, curvas, polígonos, círculos). Cada objeto de desenho possui propriedades 属性 como cor, preenchimento, largura da linha e posição (coordenadas). Para exibi-lo, o programa renderiza 渲染 a lista de desenhos na resolução necessária.

Bitmap vs Vetor

Vantagem vetorial: ele escala sem perder qualidade — um logotipo vetorial permanece nítido em qualquer tamanho, enquanto um bitmap fica desfocado quando ampliado. Desvantagem vetorial: não pode descrever detalhes arbitrários de pixels (fotografias).

Uma resposta "justificativa" vincula a escolha à tarefa. "O logotipo deve aparecer num cartão de visita e num outdoor, então deve ser um gráfico vetorial: é armazenado como objetos de desenho e é renderizado nitidamente em qualquer tamanho, enquanto um bitmap mostraria seus pixels quando ampliado." Para uma fotografia, o argumento funciona ao contrário: não há formas para descrever, então a cor de cada pixel deve ser armazenada.

Uma onda contínua de dados analógicos 模拟数据 (o som) é convertida em dados digitais 数字数据 por amostragem 采样:

• taxa de amostragem 采样率 — amostras por segundo (Hz). Qualidade CD é $44.1\ \text{kHz}$.
• resolução de amostragem 采样分辨率 (profundidade de bits) — bits por amostra de amplitude 振幅. Qualidade CD é 16 bits.

Tamanho do arquivo

Um clipe estéreo CD de 10 segundos: $44100 \times 16 \times 10 \times 2 = 14\,112\,000$ bits $\approx 1.68\ \text{MiB}$.

Alterando configurações

• taxa de amostragem mais alta → capta agudos mais altos, arquivo maior.
• resolução de amostragem mais alta → passos de amplitude mais finos, menos ruído de quantização 量化, arquivo maior.
• menor de qualquer um → arquivo menor, perda clara de qualidade.

(A taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência mais alta que você deseja manter.)

Compressão 压缩 reduz o tamanho do arquivo, economizando armazenamento e largura de banda 带宽 de transmissão. Dois tipos:

• sem perdas 无损 — os dados originais são recuperados exatamente (texto, programas, ZIP/PNG).
• com perdas 有损 — alguns detalhes são descartados para arquivos muito menores (JPEG, MP3, vídeo).

Quando usar qual

• sem perdas para documentos, código-fonte, imagens médicas — qualquer coisa que precise de dados exatos.
• com perdas para streaming de mídia. Streaming de vídeo em tempo real usa compressão com perdas porque deve enviar grandes quantidades de dados em tempo real sobre largura de banda limitada; sem perdas não reduziria o suficiente. Vídeo HD bruto é gigabytes por minuto, então sem compressão a imagem ficaria travando constantemente.

Uma resposta "justificativa" nomeia o método, depois a razão baseada na situação: "Sem perdas, porque a planilha deve ser restaurada exatamente; um único valor alterado tornaria as contas erradas." Ou: "Com perdas, porque as fotografias são visualizadas numa tela de celular onde os detalhes perdidos não são visíveis, e os arquivos menores sobem mais rápido e usam menos armazenamento."

Métodos sem perdas

• codificação por comprimento de corrida 行程编码 (RLE): armazene "os próximos $n$ valores são $x$" em vez de repetir $x$. Ótimo para áreas planas; inútil para dados ruidosos.
• métodos de dicionário 字典编码 (ZIP, PNG): substitui sequências de bytes repetidas por uma referência curta. Bom para texto e código.
• codificação Huffman 霍夫曼编码: dá códigos curtos para símbolos comuns e longos para raros, aproximando o comprimento médio do código da entropia 熵 dos dados.

Como cada tipo de arquivo é comprimido:

• arquivo de texto: métodos de dicionário e codificação Huffman transformam palavras repetidas e caracteres comuns em códigos curtos. Texto deve permanecer sem perdas, pois um caractere alterado muda o significado.
• imagem bitmap: RLE para corridas de pixels idênticos (ícones, diagramas, digitalizações preto-e-branco); JPEG com perdas para fotografias, ou profundidade/resolução de cor mais baixa.
• gráfico vetorial: a lista de desenho já é pequena; remova objetos de desenho desnecessários, armazene coordenadas com menos casas decimais, ou aplique um método sem perdas como ZIP ao arquivo.
• arquivo de som: MP3 ou AAC com perdas remove o que o ouvido não consegue ouvir; taxa ou resolução de amostragem mais baixa também é com perdas; formatos sem perdas mantêm cada amostra e reduzem o arquivo muito menos.

Métodos com perdas

• imagens (JPEG): descarta detalhes finos e diferenças de cor que o olho mal percebe.
• som (MP3, AAC): descarta agudos que ouvimos menos bem, e sons quietos escondidos por sons mais altos.
• vídeo combina compressão espacial 空间 (dentro de cada quadro, como JPEG) com compressão temporal 时间 (a maioria dos quadros armazena apenas as diferenças em relação ao quadro anterior).

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

• Mostre cálculos para conversões de base: decimal → binário por posições, binário → hexadecimal em nibbles (grupos de 4 bits).
• Para complemento de dois o MSB é negativo; para inverter, inverte e soma 1; atenção para transbordamento quando o bit de sinal muda incorretamente.
• Distinga bitmap (pixels; tamanho do arquivo $=$ largura $\times$ altura $\times$ profundidade de cor) de vetor (comandos de desenho; escala sem perdas).
• O tamanho do arquivo de som depende de taxa de amostragem $\times$ profundidade de bits $\times$ tempo — mais de cada um significa melhor qualidade, mas um arquivo maior.
• Compare compressão sem perdas vs. com perdas e dê um uso para cada uma.

Erros comuns

• Explicar um overflow com "a resposta foi maior que 255" ou "ele tem 9 bits". Indique o tamanho de palavra dado na questão, depois diga que o resultado não pode ser representado nele.
• Criar um número negativo definindo o bit superior como 1 e deixando o resto (sinal e magnitude). Complemento a dois significa inverter todos os bits do valor positivo, depois adicionar 1.
• Esquecer de preencher com zeros à esquerda um número convertido para a largura do registro solicitada pela questão.
• Misturar bits e bytes em um cálculo de tamanho de arquivo. Trabalhe em bits, divida por 8 apenas uma vez, e especifique se usou 1000 ou 1024.
• Responder "descreva" em linguagem cotidiana ("a imagem fica pior"). Use os termos da ementa: menos cores, banding, menor resolução de imagem, pixels maiores.

Uma rede 网络 é um conjunto de dispositivos computacionais conectados para que possam se comunicar e compartilhar recursos. Benefícios:

• compartilhamento de recursos (impressoras, servidores de arquivos, internet) — mais barato do que equipar cada computador.
• compartilhamento de dados — muitos usuários acessam os mesmos arquivos.
• gerenciamento centralizado — instalar software, gerenciar usuários e fazer backup uma única vez no servidor.
• comunicação — e-mail, chamadas de vídeo, mensagens.
• acesso remoto — trabalhar de qualquer lugar.

Uma rede de área local 局域网 (LAN) cobre uma área pequena — uma casa, escritório ou escola, geralmente pertencente à organização, com altas taxas de transferência de dados e baixa latência 延迟.

Uma rede de área ampla 广域网 (WAN) cobre uma grande área — uma cidade, país ou o mundo (a internet é a maior WAN). Usa infraestrutura de empresas de telecomunicações — frequentemente a Public Switched Telephone Network 公共交换电话网 (PSTN), linhas alugadas ou fibra óptica — com taxas de transferência de dados menores e latência mais alta. Uma WAN conecta várias LANs entre si.

Para "dê duas características de uma LAN": ela cobre uma área geográfica pequena (um único local ou prédio); o hardware é propriedade da organização, não alugado de uma empresa de telecom; ela se conecta através de seus próprios switches, cabos e pontos de acesso. Para "duas maneiras pelas quais uma WAN é diferente": ela cobre uma grande área geográfica; usa infraestrutura de terceiros (alugada ou pública); as taxas de transferência de dados são menores e a latência maior; geralmente conecta várias LANs. Uma escola em um único local é uma LAN; uma empresa com escritórios em duas cidades precisa de uma WAN, com uma linha alugada ou a internet entre os locais. Justifique a escolha com base na área coberta e de quem são os enlaces.

Cliente-servidor

• máquinas poderosas atuam como servidores 服务器, fornecendo serviços (arquivos, páginas web, e-mail).
• outras máquinas são clientes 客户端 que solicitam serviços.
• Centralizado e fácil de gerenciar, mas o servidor é um ponto único de falha, a menos que haja backup.

Par-a-par (P2P)

• todas as máquinas são pares iguais; cada uma pode ser tanto cliente quanto servidor (peer-to-peer 对等网络).
• os recursos estão distribuídos entre os pares — sem servidor central. Robusta contra uma falha, mas mais difícil de manter segura e consistente.

Escolhendo um modelo. Cliente-servidor adequa-se a uma escola ou empresa: os arquivos são armazenados e feitos backup centralmente, um usuário faz login com uma única conta de qualquer máquina, software e segurança são gerenciados uma única vez, e o servidor pode ser uma máquina poderosa. As desvantagens são o custo do servidor e de um técnico, e que o servidor é um ponto único de falha. Par-a-par adequa-se a poucos amigos compartilhando arquivos ou a um jogo: nenhum servidor para comprar, fácil de configurar, e cada usuário mantém controle de sua própria máquina. As desvantagens que o esquema lista: os arquivos estão espalhados por muitas máquinas, então são difíceis de fazer backup e um arquivo está indisponível quando a máquina do seu proprietário está desligada; cada máquina deve ser protegida separadamente; e um par que serve aos outros diminui a velocidade. Um jogo online jogado através de um navegador web com outros usuários é o modelo cliente-servidor: o navegador é o cliente, e o jogo e seu mundo virtual compartilhado rodam no servidor da empresa, que mantém a visão de cada jogador consistente.

Um cliente fino 瘦 cliente faz pouco processamento local e depende de um servidor poderoso (terminais web, áreas de trabalho remotas). Um cliente pesado 胖 cliente possui forte processamento local e armazenamento e roda aplicativos completos sozinho (um PC desktop normal).

Os papéis: em um modelo de cliente fino, o servidor faz o processamento e armazena os dados, e o cliente apenas envia entrada e mostra a saída. Um terminal barato é suficiente, e tudo é feito backup e atualizado no servidor, mas nada funciona se a rede ou o servidor falhar. Em um modelo de cliente pesado, o cliente roda o software e armazena arquivos sozinho, então pode funcionar sem conexão de rede e sobrecarrega menos o servidor, às custas de clientes mais poderosos (e caros) que devem ser atualizados e protegidos individualmente. Uma sala de informática escolar pode usar clientes finos (baratos, gerenciados centralmente); um editor de vídeo precisa de um cliente pesado.

A topologia 拓扑 é como os nós e enlaces estão organizados.

• total 总线 — todos os dispositivos em um único cabo compartilhado. Barata; toda a LAN falha se a total falhar; o desempenho cai conforme mais dispositivos compartilham a largura de banda 带宽.
• estrela 星形 — cada dispositivo se conecta a um switch central. A falha de um dispositivo não afeta os outros; a falha do switch derruba todos. Mais comum hoje.
• malha 网状 — cada dispositivo se conecta diretamente aos outros, com vários caminhos. Muito tolerante a falhas 容错 (o tráfego é redirecionado), mas exige muito cabo.
• híbrida — uma mistura (uma estrela em cada escritório, enlaces em malha entre escritórios).

Como os pacotes viajam em cada topologia

Total: o dispositivo remetente coloca o pacote no cabo compartilhado; todos os dispositivos o veem, e apenas aquele cujo endereço corresponde o aceita. Apenas um dispositivo pode transmitir por vez, então colisões ocorrem (CSMA/CD, abaixo). Estrela: o remetente passa o pacote para o switch central, que lê o endereço de destino e o encaminha apenas pelo cabo até esse dispositivo; dois outros dispositivos podem conversar ao mesmo tempo. Malha: o pacote é passado de nó a nó ao longo de um dos vários rotas possíveis até chegar ao destino; se um enlace falhar, outra rota é usada.

Para justificar uma topologia: uma estrela para uma sala de aula ou escritório (um cabo falhado afeta apenas um dispositivo; um dispositivo é fácil de adicionar; com um switch não há colisões); uma malha onde a confiabilidade importa mais (um hospital, o backbone da internet); uma total apenas onde o custo importa e poucos dispositivos a compartilham. "Desenhe a topologia estrela" significa: o switch no meio, uma linha do switch para cada computador, e o servidor (e o roteador, se houver) em suas próprias linhas para o switch.

Computação em nuvem 云计算 entrega serviços de computação (servidores, armazenamento, software) através da internet, hospedados por uma terceira parte. Benefícios: escalabilidade 可扩展性 (pague pelo que precisar), menor custo, acesso de qualquer lugar e data centers confiáveis e redundantes. Desvantagens: requer internet, seus dados são mantidos por uma terceira parte e possível bloqueio de fornecedor.

Para a definição de uma marca: computação em nuvem é serviços de computação sob demanda (armazenamento, processamento, software) fornecidos através da internet por uma terceira parte. Uma nuvem pública 公有云 é propriedade de um provedor e compartilhada por muitos clientes pela internet; uma nuvem privada 私有云 é dedicada a uma única organização, em seu próprio hardware ou hospedada exclusivamente para ela. Benefícios que o esquema aceita: os arquivos são acessíveis de qualquer dispositivo com conexão à internet; o armazenamento escala para cima e para baixo conforme necessário; o provedor cuida do hardware, backups e atualizações de segurança; não há servidor local para comprar ou manter. Desvantagens: sem acesso sem conexão à internet; os dados estão no hardware de uma terceira parte, então segurança e privacidade dependem do provedor; custo de assinatura recorrente; o provedor pode falhar ou ser atacado; arquivos grandes podem demorar para transferir. Uma resposta "por que a empresa usa uma nuvem pública" diz que eles não precisam de seu próprio hardware, pagam apenas pelo que usam, e seus usuários podem acessá-lo de qualquer lugar.

• com fio (Ethernet 以太网 sobre par trançado 双绞线 ou fibra óptica 光纤): maior velocidade, menor latência, menos erros, mais seguro.
• sem fio (Wi-Fi, Bluetooth, celular): sem cabos, dispositivos podem se mover, mas mais lento, propenso a interferência e escuta clandestina.

Para a mesma geração, o com fio vence em velocidade e confiabilidade; o sem fio vence em conveniência.

Meios de transmissão

O exame pede a comparação em ambas as direções. O cabeado supera o sem fio em velocidade, confiabilidade (sem interferência), segurança (um cabo precisa ser fisicamente acessado) e consistência; o sem fio supera o cabeado em mobilidade, custo de instalação e adição de dispositivos sem fiação. Permitir ambos permite que alunos se movam com laptops e telefones enquanto os desktops fixos mantêm a conexão mais rápida e segura, e um dispositivo sem porta de rede ainda pode se conectar. Satélite em vez de cobre alcança lugares onde nenhum cabo chega, mas com mais atraso, interferência climática e maior custo.

• placa de interface de rede 网络接口卡 (NIC) — permite que um dispositivo envie e receba dados na rede; possui um endereço MAC único MAC地址 (um endereço de hardware de 48 bits). Um dispositivo sem fio usa uma placa de interface de rede sem fio 无线网络接口卡 (WNIC).
• interruptor 交换机 — encaminha apenas quadros Ethernet para a porta correspondente ao endereço MAC de destino.
• hub 集线器 — dispositivo mais simples que copia o tráfego para todas as portas (hoje obsoleto).
• ponto de acesso sem fio 无线接入点 (WAP) — permite que clientes sem fio se conectem a uma LAN cabeada.
• fiação — par trançado para curtas distâncias; fibra óptica para distâncias maiores e velocidades mais altas.
• servidor — computador que fornece um serviço aos outros dispositivos: arquivos, impressão, páginas web, armazenamento de e-mail.
• bridge 网桥 — une dois segmentos LAN em uma única rede, passando o tráfego entre eles.
• repeater 中继器 — recebe um sinal enfraquecido e o retransmite em força total, estendendo o alcance do cabo.

As funções de uma WNIC, para uma questão de quatro marcas descreva: converte os dados em sinais de rádio e vice-versa; transporta o endereço MAC único do dispositivo; conecta o dispositivo a um ponto de acesso sem fio e segue o protocolo sem fio (qual canal e frequência usar); e decodifica os sinais entrantes para o dispositivo. Dois dispositivos que podem conectar fisicamente trinta computadores com NICs: um switch ou um hub.

Um router 路由器 conecta redes diferentes e encaminha dados entre elas — geralmente na fronteira de uma LAN e da internet. Ele faz:

• encaminhamento — lê o endereço IP de destino IP地址 de cada pacote 数据包 e o envia pela porta correta, usando uma tabela de roteamento 路由表.
• tradução de endereços de rede 网络地址转换 (NAT) — permite que muitos endereços privados de LAN compartilhem um único IP público.
• DHCP 动态主机配置协议 — atribui endereços IP privados a dispositivos LAN.
• firewall 防火墙 — bloqueia tráfego indesejado entrante.

Na comutação de pacotes 分组交换, uma mensagem é dividida em pacotes enviados independentemente. Cada router lê o endereço IP de destino de um pacote, consulta o próximo salto em sua tabela de roteamento e o encaminha, então os pacotes de uma mesma mensagem podem tomar rotas diferentes e são reagrupados na ordem correta no destino. Um router recebe pacotes, os encaminha entre redes e distribui endereços IP; ele não descobre o IP associado a uma URL (isso é feito pelo DNS) e não armazena páginas web. Um router doméstico também contém o modem e o ponto de acesso sem fio, então um único aparelho conecta a LAN à internet.

Ethernet é o padrão (protocolo) para LANs cabeadas: dispositivos são unidos por cabo par trançado ou fibra, os dados são enviados em quadros que contêm endereços MAC de origem e destino, e um meio compartilhado usa CSMA/CD para lidar com colisões. Em meios compartilhados, uma colisão 冲突 pode ocorrer quando dois dispositivos transmitem simultaneamente. O protocolo é CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

1. detecção de portadora — escutar antes de enviar; esperar se o cabo estiver ocupado.
2. acesso múltiplo — muitos dispositivos compartilham o meio.
3. detecção de colisão — continuar escutando enquanto envia; um choque é uma colisão.
4. em caso de colisão, ambos param, enviam um sinal de "jam" breve, depois esperam um tempo de backoff aleatório antes de tentar novamente.

As três tarefas, nas palavras do esquema: o dispositivo escuta (detecta a portadora) antes de transmitir; verifica continuamente por colisões durante a transmissão; em caso de colisão, para, envia um sinal jam, espera um tempo aleatório e retransmite.

A Ethernet comutada moderna usa enlaces ponto a ponto full-duplex 全双工, portanto colisões já não ocorrem.

Bit streaming 流式传输 envia multimídia como um fluxo contínuo que o receptor reproduz à medida que chega, em vez de baixar o arquivo inteiro primeiro.

• em tempo real (ao vivo): capturado e transmitido conforme acontece (esporte ao vivo, videochamadas). Não é possível rebobinar; baixa latência é vital.
• sob demanda: pré-gravado em um servidor (YouTube, Netflix). É possível pausar e rebobinar; o servidor pode bufferizar 缓冲 adiante.

O streaming em tempo real funciona como um curto pipeline:

1. capturar e amostrar a fonte (câmera ou microfone).
2. codificar, usando compressão 压缩 para reduzir os dados.
3. enviar pela rede em pacotes.
4. o receptor bufferiza um pouco, depois reproduz ao vivo — descartando qualquer pacote que chegue atrasado, pois um stream ao vivo não pode esperar por ele.

Compressão com perda 有损 compression é usada aqui: imagens em movimento ocultam pequenas perdas, e o stream deve ser pequeno o suficiente para caber na largura de banda.

Por que um vídeo é comprimido antes do streaming em tempo real: o stream sem compressão precisaria de mais largura de banda do que a conexão oferece, fazendo com que os frames chegassem atrasados e a reprodução travasse. A compressão reduz o número de bits, mantendo a taxa de bits 比特率 abaixo da velocidade da banda larga, o atraso pequeno e menos armazenamento e custo em ambas as extremidades. A taxa de bits deve ser menor que a velocidade da conexão: uma taxa mais alta dá melhor qualidade, mas exige conexão mais rápida; se os dados chegarem mais devagar do que são reproduzidos, o buffer esvazia e o vídeo congela. O streaming sob demanda pode bufferizar mais do arquivo adiante, lidando bem com conexões lentas; o streaming em tempo real não consegue.

A internet 互联网 é uma rede de redes global usando um conjunto comum de protocolos 协议 (TCP/IP). A World Wide Web 万维网 (WWW) é um serviço que roda sobre ela: documentos hiperlinkados identificados por URLs, visualizados em navegadores via HTTP/HTTPS. E-mail e transferência de arquivos são outros serviços da internet que não fazem parte da WWW.

Webmail usa ambos: a WWW, porque a caixa de entrada é uma página web acessada por uma URL em um navegador via HTTP; e a internet, porque o próprio e-mail viaja pela rede de redes (e-mail é um serviço separado da internet em relação à web).

Hardware que suporta a internet

• modem 调制解调器 — converte o sinal digital do computador em sinal analógico para uma linha telefônica, e vice-versa na outra extremidade (modulação e demodulação).
• PSTN — a rede telefônica pública de centrais e linhas; uma conexão dial-up ou DSL transporta dados da internet por ela.
• linha dedicada 专线 — uma linha alugada entre uma organização e seu ISP: sempre ativa, com largura de banda fixa que não é compartilhada, sendo mais rápida e confiável, mas cara.
• rede de celular 蜂窝网络 — o telefone envia dados por rádio para a torre celular mais próxima (estação base); as torres estão ligadas à rede da operadora, que roteia os dados para a internet; à medida que o telefone se move, ocorre handover de uma célula para a próxima.

Um endereço IP identifica unicamente um dispositivo.

• IPv4 — 32 bits, quatro números decimais de 0 a 255 (192.168.1.10); cerca de $4.3 \times 10^{9}$ endereços (agora esgotados).
• IPv6 — 128 bits, oito grupos de quatro dígitos hexadecimais; cerca de $3.4 \times 10^{38}$ endereços.

O IPv4 é escrito como quatro grupos de números decimais separados por pontos; cada grupo é um número de 8 bits, variando de 0 a 255. O IPv6 é escrito como oito grupos de quatro dígitos hexadecimais separados por dois-pontos, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, e uma sequência de grupos nulos pode ser abreviada para ::. Portanto, 192.168.3.2 não é IPv6: tem quatro grupos, não oito, separados por pontos em vez de dois-pontos, e seus grupos são decimais, não hexadecimais. 256.0.0.A não é um endereço válido de nenhum dos tipos: um grupo IPv4 não pode exceder 255 nem conter letras, e o IPv6 precisaria de dois-pontos e oito grupos.

Sub-redes

Uma rede pode ser dividida em sub-redes 子网. O endereço IP divide-se em uma parte de rede e uma parte de host, definidas por uma máscara de sub-rede 子网掩码 (ex. 255.255.255.0 = os primeiros 24 bits são da rede). A subdivisão melhora a gestão, reduz o tráfego de broadcast e aumenta a segurança.

As duas partes de um endereço numa sub-rede: o ID de rede (os primeiros bits, os mesmos para todos os dispositivos naquela sub-rede, dados pelos uns na máscara) e o ID de host (os bits restantes, únicos para cada dispositivo). Benefícios da subdivisão, para "descrever dois benefícios": menos tráfego em cada parte, pois as transmissões permanecem dentro da sua sub-rede; melhor segurança, porque o tráfego de um departamento é mantido fora dos outros; gestão mais fácil e diagnóstico de falhas; uso mais eficiente dos endereços. Dois dispositivos com a máscara 255.255.255.0 estão em sub-redes diferentes quando seus três primeiros grupos diferem.

Endereços públicos vs privados

• endereços privados são usados dentro de uma LAN e não são roteáveis na internet (ex. 192.168.0.0/16).
• um endereço IP público é globalmente único e roteável, atribuído por um ISP 互联网服务提供商.

Dispositivos atrás do NAT com endereços privados não são diretamente acessíveis pela internet, oferecendo alguma proteção.

As descrições que as tabelas pedem: um endereço público é visível na internet e único nela, alocado pelo ISP; um endereço privado é visível apenas dentro da LAN, é reutilizado por muitas LANs e precisa de NAT para alcançar a internet. Um endereço estático nunca muda (definido manualmente ou reservado, como um servidor precisa); um endereço dinâmico é alocado pelo DHCP toda vez que o dispositivo se conecta e pode mudar.

Estático vs dinâmico

• um endereço IP estático é fixo; usado para servidores que devem ser encontrados em um endereço conhecido.
• um endereço IP dinâmico é atribuído pelo DHCP e pode mudar; mais fácil para dispositivos clientes e usa eficientemente um pool de endereços limitado.

Exemplo resolvido. Um host tem endereço IP 192.168.10.130 com máscara de sub-rede 255.255.255.192. Em qual rede ele está, e 192.168.10.200 está na mesma? O último octeto da máscara, 192, é 11000000 em binário, então os primeiros 26 bits são a parte da rede e os últimos 6 bits endereçam o host. Isso faz com que as sub-redes avançam em blocos de $256 - 192 = 64$: .0, .64, .128, .192. O endereço 130 cai no bloco que começa em .128, então o host está na rede 192.168.10.128/26, cujos hosts utilizáveis vão de .129 a .190 (.191 é o endereço de broadcast). 200 cai no bloco seguinte (.192), então está em uma sub-rede diferente e o tráfego entre os dois deve passar por um roteador. Obtenha o tamanho do bloco primeiro a partir da máscara ($256$ menos o octeto da máscara) — adivinhar pelos três primeiros octetos é o que causa erros nestes exercícios.

Uma URL 统一资源定位符 (Uniform Resource Locator) localiza um recurso na WWW:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocolo: http, https, etc.
• nome de domínio 域名: um endereço de servidor legível.
• caminho: o recurso naquele servidor.

O Sistema de Nomes de Domínio 域名系统 (DNS, também chamado de Serviço de Nomes de Domínio) é um conjunto distribuído de servidores que converte nomes de domínio em endereços IP. Quando você digita uma URL, o navegador pede ao resolveror DNS o IP, que consulta servidores DNS (raiz → nível superior → autoritativo) até encontrá-lo; o navegador então se conecta a esse IP e solicita o caminho. O DNS poupa os humanos de memorizar endereços IP e permite que um site mude de servidor sem mudar seu nome.

Para "explique como o navegador usa a URL": o navegador divide a URL em protocolo, nome de domínio e caminho; envia o nome de domínio a um servidor DNS, que retorna o endereço IP correspondente (um cache no computador ou no ISP pode responder primeiro); abre uma conexão com esse endereço IP usando o protocolo (HTTPS na porta 443); envia uma solicitação para o caminho; e o servidor web retorna a página, que o navegador renderiza. Se a consulta DNS falhar, o navegador relata que o servidor não pôde ser encontrado.

*Como o DNS encontra o IP de um site antes que o navegador se conecte

Uma questão de definição é marcada contra texto fixo. Aprenda estes exatamente.

• Distinguir LAN vs WAN e cliente-servidor vs par-a-par por quem armazena e controla os recursos.
• Correspondar cada topologia (barra, estrela, malha) a suas vantagens e desvantagens (custo, confiabilidade, colisões).
• Conhecer a função de cada dispositivo: um interruptor direciona dentro de uma LAN pelo endereço MAC, um roteador roteia entre redes pelo IP.
• Explicar streaming de bits e por que o buffer é necessário (os dados chegam a uma taxa diferente da reprodução).
• Distinguir IPv4 vs IPv6 e endereços públicos vs privados; DNS transforma uma URL em um endereço IP.

Erros comuns

• Dizer que um switch funciona por endereço IP. Um switch encaminha por endereço MAC dentro da LAN; o roteador encaminha por endereço IP entre redes.
• Tratar a internet e a World Wide Web como a mesma coisa. A web é um serviço que roda sobre a internet; email e transferência de arquivos são outros.
• Dar "mais rápido" como a única comparação entre cabeadas e sem fio. Diga mais rápido e mais confiável e mais seguro, e dê o lado sem fio (mobilidade, sem fiação) quando a pergunta pedir uma comparação.
• Escrever que um roteador encontra o endereço IP para uma URL. O DNS faz isso; o roteador encaminha pacotes para ele.
• Descrever o IPv6 com pontos e grupos decimais. Oito grupos de quatro dígitos hexadecimais, separados por dois-pontos.
• Desenhar uma topologia estrela como um anel ou corrente. Cada dispositivo tem sua própria linha para o switch no meio.

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.

A Arquitetura Von Neumann 冯·诺依曼体系结构 fundamenta quase todos os computadores de propósito geral:

• uma única memória — a Immediate Access Store 立即存取存储器 (IAS) — armazena tanto instruções do programa quanto dados (o conceito de stored program 存储程序).
• um processador 处理器 (CPU) busca instruções da memória e as executa uma de cada vez.
• as instruções rodam em ordem a menos que uma branch altere o fluxo.

A ideia de stored-program é o que torna um computador flexível: mude o programa e você muda o que ele faz, sem reconfigurar cabos.

Todas essas partes estão dentro de um único chip pequeno. O diagrama mais adiante nesta seção mostra como elas se conectam; a foto abaixo mostra o real.

Unidade Aritmética Lógica (ALU)

A ALU 算术逻辑单元 realiza operações aritméticas (soma, subtração, ...) e lógicas (AND, OR, comparações). Ela pega operandos dos registros 寄存器 e coloca resultados de volta em um registro.

Unidade de Controle (CU)

A unidade de controle 控制单元 decodifica cada instrução e envia os sinais de controle para executá-la — abrindo caminhos de dados, dizendo à ALU o que fazer e controlando leituras e gravações na memória.

Relógio do sistema

O relógio envia uma corrente constante de pulsos que mantêm a CPU sincronizada. Cada instrução leva um número fixo de ciclos, e a clock speed 时钟频率 (ex. 3.8 GHz) é um fator no desempenho.

"Explique como a CU e o relógio do sistema trabalham juntos": o relógio emite pulsos em uma frequência fixa; a unidade de controle usa cada pulso para avançar o ciclo fetch-execute em um passo, enviando seus sinais de controle sincronizados com os pulsos, assim toda parte do processador muda de estado junto. Um clock mais rápido significa mais passos por segundo, até o ponto em que os circuitos não conseguem se estabilizar entre os pulsos.

Registros

Registros são armazenamentos pequenos e muito rápidos dentro da CPU. Os registros de propósito especial 专用寄存器 têm cada um uma tarefa fixa no ciclo:

• Program Counter 程序计数器 (PC) — o endereço da próxima instrução.
• Memory Address Register 内存地址寄存器 (MAR) — o endereço sendo lido ou escrito.
• Registro de Dados de Memória 内存数据寄存器 (MDR) — os dados que vão ou vêm da memória.
• Current Instruction Register 当前指令寄存器 (CIR) — a instrução sendo decodificada.
• Accumulator 累加器 (ACC) — o valor sobre o qual a ALU está trabalhando.
• Status Register 状态寄存器 — armazena flags 标志 (carry, zero, negativo, overflow) usados por branches. Cada flag é um bit, definido ou limpo pela ALU após uma operação: a flag zero após uma comparação que correspondeu, a flag carry quando uma soma transbordou o registro, a flag negativa quando um resultado é negativo. Um jump condicional lê as flags para decidir se deve pular, e uma flag overflow pode disparar uma interrupção.
• Index Register 变址寄存器 — um offset adicionado a um endereço em endereçamento indexado; incrementá-lo percorre um array um elemento por vez.

A questão "complete a tabela descrevendo o papel de cada registro" quer uma frase precisa por registro nestes termos: o PC armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada; o MAR armazena o endereço do local sendo lido ou escrito; o MDR armazena os dados ou instrução acabados de serem lidos desse local, ou prestes a serem gravados; o CIR armazena a instrução atualmente sendo decodificada e executada; o ACC armazena o resultado da última operação aritmética ou lógica.

Os registros de propósito geral 通用寄存器 são usados pelo programador para valores temporários durante um cálculo. Movimentos de dados entre registros e memória são escritos em notação de register transfer 寄存器传送 — ex. MAR ← [PC] ("copie o conteúdo do PC para o MAR").

Três buses internos 总线 (conjuntos de fios paralelos) conectam as partes:

• address bus 地址总线 — transporta o endereço de memória. Unidirecional (CPU → memória).
• data bus 数据总线 — transporta os dados. Bidirecional.
• control bus 控制总线 — transporta sinais de controle (leitura, gravação, interrupção). Bidirecional.

Um barramento de endereços de $n$ bits pode acessar $2^{n}$ locais de memória. A largura do barramento de dados determina quantos bits são transferidos por acesso (frequentemente o tamanho da palavra).

• clock speed — mais ciclos por segundo.
• number of cores 核心 — uma CPU multi-core executa vários threads simultaneamente.
• word size 字长 — uma CPU de 64 bits processa blocos de 64 bits por ciclo e pode acessar muito mais memória do que uma de 32 bits.
• amount of RAM 随机存取存储器 — mais RAM armazena mais do conjunto ativo; pouca RAM força o SO a fazer pagememória 页 para o disco.
• cache memory 高速缓存 size — mais cache reduz o tempo médio de acesso à memória.
• secondary storage 辅助存储器 type — um SSD carrega programas muito mais rápido que um HDD.
• bus width and speed — barramentos mais largos/rapidos movem dados mais rapidamente.

Combine as especificações com a carga de trabalho: uma quad-core supera uma dual-core em trabalhos paralelos, mas maior velocidade por core vence em trabalho single-threaded.

Cada fator é uma resposta de duas marcas com uma razão associada:

• More cores: cada core pode buscar e executar sua própria instrução ao mesmo tempo, então vários programas, ou os threads de um programa, executam em paralelo. Mas um programa deve ser escrito para usar mais de um core, então duplicar os cores não duplica a velocidade.
• Higher clock speed: mais ciclos de busca-execução por segundo, então mais instruções por segundo; o limite é o calor gerado.
• Wider bus: um barramento de dados mais largo move mais bits em cada transferência, então menos transferências são necessárias para os mesmos dados; um barramento de endereços mais largo pode acessar mais locais de memória.
• Cache memory: uma memória pequena e rápida dentro ou ao lado do processador que mantém as instruções e os dados usados mais recentemente ou com mais frequência. Lê-los do cache é muito mais rápido que da RAM, então o processador passa menos tempo esperando.

"Explique por que o novo computador tem melhor desempenho" responde-se comparando as duas especificações linha por linha: maior clock speed executa mais instruções por segundo, mais cores executam mais tarefas ao mesmo tempo, mais cache significa menos acessos lentos à RAM, e mais RAM significa menos transferências para o disco.

Uma port 端口 é um conector físico para conectar um peripheral 外围设备:

• USB (Universal Serial Bus) — uso geral (teclados, drives, telefones).
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) — vídeo digital e áudio para uma tela.
• VGA (Video Graphics Array) — saída de vídeo analógica antiga para um monitor.
• Ethernet (RJ-45) — LAN cablada. Jacks de áudio — fones de ouvido/microfone.

Portas diferentes usam sinais diferentes, então um cabo HDMI não se encaixa em uma porta USB. O USB-C é incomum por transportar vídeo, dados e energia.

"Explique como o computador se conecta ao monitor através do HDMI": a porta HDMI envia o vídeo e o áudio como um único sinal digital por um único cabo, então nenhuma conversão para analógico é necessária e a imagem não é degradada; o cabo suporta resoluções de alta definição e a própria porta do monitor decodifica o sinal. Um dispositivo USB é plug-and-play: quando conectado, o computador o detecta, identifica-o, carrega ou instala o driver necessário, e pode fornecer energia, tudo sem reinicialização.

A CPU repete o fetch-execute cycle 取指-执行周期, uma execução por instrução de máquina.

Fetch

1. o endereço do PC é copiado para o MAR.
2. o PC é incrementado para apontar para a próxima instrução.
3. um sinal de read vai pelo barramento de controle.
4. a memória coloca a instrução no barramento de dados.
5. ela é copiada para o MDR, depois para o CIR.

O exame pede esses passos em register transfer notation 寄存器传送记法, onde [X] significa o conteúdo do registro X e [[MAR]] significa o conteúdo do local de memória cujo endereço está no MAR:

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

A ordem importa: o PC é incrementado imediatamente após seu endereço ser copiado, para que um jump executado posteriormente ainda possa sobrescrevê-lo. Durante a execução, a mesma notação descreve cada instrução; para LDD 200, por exemplo, MAR ← 200, MDR ← [[MAR]], ACC ← [MDR].

*As transferências de registro em uma busca: PC → MAR → memory → MDR → CIR, com o PC incrementado

Decode

A CU decodifica a instrução no CIR — qual operação e quais operandos ou endereços.

Execute

A CU a executa: aritmética/lógica vai para a ALU (resultado para o ACC); load/store move dados entre memória e um registro; um branch altera o PC. Então o ciclo se repete.

*O ciclo fetch-execute, com verificação de interrupções a cada vez

Um interrupt 中断 é um sinal que pauses o ciclo normal para que a CPU possa lidar com um evento urgente (uma tecla pressionada, um pacote chegando, uma falha de hardware, divisão por zero, o timer do SO).

Lidando com um:

1. termine a instrução atual.
2. save the state (PC e registros).
3. carregue o endereço da interrupt service routine 中断服务程序 (ISR) no PC e execute-a.
4. a ISR lida com o evento.
5. restore o estado salvo e continue.

Interrupts permitem que o sistema responda prontamente sem a CPU verificar constantemente dispositivos, e são como o SO faz multitarefa.

"Explique como uma interrupção de um dispositivo de entrada é detectada e manuseada no ciclo F-E" é uma resposta de quatro marcas com estes pontos: o dispositivo envia um sinal de interrupção que define a flag de interrupção no interrupt register 中断寄存器; o processador verifica esse registro no end of every fetch-execute cycle, após a execução da instrução atual terminar; se uma flag estiver definida e a interrupção tiver prioridade maior que a tarefa atual, o conteúdo do PC e dos outros registros é salvo no pilha 栈; o endereço da rotina de serviço de interrupção é carregado no PC e a rotina é executada; quando termina, os valores salvos são restaurados do stack e o programa interrompido continua de onde parou.

Causas dignas de menção: uma interrupção de hardware de um dispositivo (uma tecla pressionada, um buffer de impressora vazio, um pacote de rede chegando), uma interrupção de software de uma falha (divisão por zero, uma instrução ilegal, overflow aritmético), uma interrupção de timer do sistema operacional marcando o fim de uma fatia de tempo, e um aviso de falha de energia.

*Como uma interrupção se encaixa no ciclo fetch-execute

A CPU realmente executa machine code 机器码 — padrões de bits, específicos para uma arquitetura. Assembly language 汇编语言 é uma forma legível, com uma instrução por instrução de máquina, escrita usando mnemonics 助记符 como LDD, ADD, JMP. Um assembler 汇编器 traduz para machine code.

*Um assembler transforma mnemonics em padrões de bits de machine code

Two-pass assembler

Um assembler de duas passadas lê a fonte duas vezes:

• pass 1 constrói uma symbol table 符号表: sempre que um label 标签 (como LOOP:) aparece, registre seu endereço; nenhum código ainda.
• pass 2 gera código: traduza cada instrução, e quando uma se refere a um label (como JMP LOOP), procure seu endereço na symbol table.

Duas passadas lidam com forward references 前向引用 (um jump para um label definido depois).

Worked example. Aplique o processo de duas passadas a este programa, cuja primeira instrução está no endereço 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

Pass 1 lê cada linha, conta o endereço que ocupará e registra todos os labels na symbol table: LOOP = 101 (a linha DEC) e COUNT = 105 (a linha de dados). Nenhum código é produzido. Pass 2 lê o programa novamente e traduz cada linha em machine code, substituindo cada mnemonic por seu opcode 操作码 e cada endereço simbólico pelo número da symbol table: LDD COUNT torna-se o opcode para LDD com operand 操作数 105, e JPN LOOP torna-se o opcode para JPN com operand 101. O jump back para LOOP poderia ter sido resolvido em uma passada, mas um jump forward para um label ainda não visto não poderia, que é por que o assembler faz duas.

Example instruction set

Cambridge usa um pequeno conjunto genérico, impresso na tabela de referência do exame, com um registro de propósito geral, o acumulador (ACC), e um registro índice (IX). Um operand escrito #n é um número decimal, Bn um binário e &n um hexadecimal; <address> é um número de localização ou um label.

A questão "as instruções da linguagem assembly são agrupadas" pede os nomes dos grupos e uma instrução de cada: movimento de dados, entrada e saída, aritmética, saltos incondicionais e condicionais, comparação e manipulação de bits.

O modo de endereçamento 寻址方式 (the modes of addressing) diz como a CPU encontra o operando:

• endereçamento imediato 立即寻址 — o operando é o valor na instrução. LDM #10 carrega 10.
• endereçamento direto 直接寻址 — a instrução contém um endereço; o operando é o valor lá. LDD 200.
• endereçamento indireto 间接寻址 — a instrução contém um endereço que contém outro endereço, que é o dado. LDI 200.
• endereçamento indexado 变址寻址 — endereço efetivo é address + index register; usado para arrays. LDX 100 com IR = 5 lê endereço 105.

(Endereçamento relativo 相对寻址 dá o endereço como um offset do PC — usado para saltos.)

Exemplo resolvido. Memória contém: local 200 = 250, local 250 = 99, local 105 = 7. O registro índice contém 5. O que está no acumulador após cada um de LDM #200, LDD 200, LDI 200 e LDX 100? Siga até onde cada modo precisa olhar. LDM #200 é imediato - o operando é o número escrito na instrução, então o acumulador contém 200. LDD 200 é direto - vá ao local 200 e pegue o que está lá: 250. LDI 200 é indireto - local 200 contém 250, que é outro endereço, então vá para local 250: 99. LDX 100 é indexado - some o registro índice ao endereço, $100 + 5 = 105$, e leia local 105: 7. Conte as etapas para mantê-los distintos: imediato 0, direto 1, indireto 2, indexado 1 (uma vez que o índice foi adicionado).

Para rastrear ele: faça uma tabela com colunas para PC, ACC, registro índice, cada variável e quaisquer flags. Passe pelas instruções, atualizando a tabela após cada uma; siga os ramos quando mudarem o PC; pare em END. Um padrão comum é um loop sobre um array usando endereçamento indexado.

Exemplo resolvido. Rastreie este programa. Endereço 200 contém 5 e endereço 201 contém 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

Escreva uma linha para cada instrução executada, preenchendo apenas as colunas que mudam:

e assim por diante, até LDD 200 carregar 0, a comparação definir a flag igual, JPE 108 ser taken e o programa terminar. Três coisas que o examinador verifica: um CMP não muda nenhum registro, apenas uma flag; um salto não taken ainda conta como executado; e OUT sai um caractere, então vai na coluna de saída, não na coluna ACC. "Diga o efeito de mudar LDD 10 para LDM #10": o ACC conteria o número 10 em vez do conteúdo do endereço 10.

Um deslocamento lógico 逻辑移位 move todos os bits para a esquerda ou direita por algumas posições, preenchendo novas posições com 0.

• deslocamento à esquerda por 1 (LSL #1) — bits movem-se para a esquerda, um 0 entra pela direita; para um número sem sinal isso é × 2.
• deslocamento à direita por 1 (LSR #1) — bits movem-se para a direita, um 0 entra pela esquerda; para um número sem sinal isso é integer ÷ 2.

Deslocar por $n$ posições multiplica ou divide por $2^{n}$. Exemplo: 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

Bits deslocados fora da extremidade são perdidos, então a multiplicação só está correta enquanto eles eram zeros. LSL #2 no inteiro two's complement 11001010 dá 00101000: os dois 1s que caíram da esquerda foram embora, o bit de sinal mudou, e o resultado já não é mais quatro vezes o original.

Um deslocamento aritmético à direita mantém o bit de sinal para que um número negativo com sinal continue negativo. Um deslocamento cíclico 循环移位 (rotate) devolve o bit que cai numa extremidade de volta na outra, então nenhum bit é perdido.

"Mostre o resultado de um deslocamento aritmético à direita de 3 posições em 10011110": copie o bit de sinal em cada lugar vazio, 11110011. O mesmo deslocamento em 01011100 dá 00001011. Um deslocamento cíclico à esquerda de 1 em 10000110 dá 00001101: o 1 inicial reaparece à direita.

A diferença entre os dois deslocamentos à direita é um único bit. Pegue 11110000, que é 240 lido como sem sinal e $-16$ lido como com sinal. LSR #1 traz um 0 e dá 01111000 $= 120$, que é a metade correta de 240. ASR #1 copia o bit de sinal e dá 11111000 $= -8$, que é a metade correta de $-16$. Nenhum está errado — cada um reduz pelo metade sob uma leitura.

Manipulação de bits para monitoramento/controle

Dispositivos embutidos muitas vezes usam um bit 位 de um registro por sinal (ex. bit $n$ = LED $n$). Usando uma máscara 掩码 — máscara de bits — você pode:

• definir bit $n$: R = R OR uma máscara com bit $n$ definido.
• limpar bit $n$: R = R AND uma máscara com bit $n$ limpo e o resto definido.
• alternar bit $n$: R = R XOR uma máscara com bit $n$ definido.
• testar bit $n$: R AND a máscara, depois verifique se o resultado é diferente de zero.

Manipulação de bits é rápida, usa pouca memória e permite que um byte contenha até 8 estados liga/desliga.

No conjunto de instruções do exame estes são AND, OR e XOR com uma máscara escrita como operando decimal, binário ou hexadecimal. Com o ACC contendo 10101100:

"Escreva a instrução que define o bit menos significativo em 1 e deixa os outros inalterados": OR #1, ou OR B00000001. Para limpar um bit use AND com uma máscara que tenha um 0 nesse lugar e 1s nos outros; para testar um bit, AND com uma máscara que tenha um 1 apenas nesse lugar, depois compare o resultado com zero. Em um dispositivo de monitoramento, um bit de um registro por sensor permite que um único AND verifique se um sensor específico está ligado, e um OR ativa o bit de controle de um atuador sem perturbar os outros.

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

• Aprenda o ciclo busca-execução em termos de transferência entre registros (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) e o que incrementa o PC.
• Nomeie a função de cada registro; o ** barramento de endereços é unidirecional**, o barramento de dados é bidirecional.
• Diferencie os modos de endereçamento (imediato, direto, indireto, indexado) — uma questão frequente.
• Explique como a velocidade do clock, número de núcleos, tamanho do cache e comprimento da palavra afetam o desempenho.
• Para um deslocamento binário, declare se é lógico ou aritmético; um deslocamento à esquerda multiplica por 2, um deslocamento à direita divide por 2.

Erros comuns

• Dizer que o PC armazena a instrução atual, ou que o MDR armazena um endereço. O PC armazena o endereço da próxima instrução; o MDR armazena dados ou uma instrução, nunca um endereço.
• Deixar fora o incremento do PC da busca, ou colocá-lo após a execução. Ele ocorre assim que o endereço é copiado para o MAR.
• Ler LDD 10 como "carregar 10". LDD 10 carrega o conteúdo do endereço 10; LDM #10 carrega o número 10.
• Colocar um valor na coluna ACC para CMP ou OUT. Uma comparação define apenas uma flag; uma saída vai para a coluna de saída.
• Dizer que uma interrupção é tratada "imediatamente". O processador termina a instrução atual e verifica interrupções no final do ciclo.
• Usar um deslocamento lógico à direita em um número negativo em complemento de dois. Apenas um deslocamento aritmético mantém o bit de sinal.

Por que um computador precisa de um SO

Hardware sozinho pode apenas buscar e executar instruções — não sabe nada sobre arquivos, programas, redes ou usuários. O sistema operacional 操作系统 (OS) é a camada de software que:

• gerencia o hardware (processador 处理器, memória, E/S, armazenamento) para os programas em execução.
• fornece serviços (sistema de arquivos, rede, contas de usuário) através de uma interface clara, para que programas não precisem falar diretamente com o hardware.
• fornece uma interface para o usuário (linha de comando, GUI, toque).
• permite que vários programas compartilhem o hardware com segurança — cada um obtém tempo justo de CPU e é mantido fora da memória dos outros.

Sem um SO, cada programa precisaria de seus próprios drivers, e apenas um programa poderia rodar com segurança por vez.

"Descreva o propósito de um SO — lista de cinco pontos." O OS (1) fornece uma interface entre o usuário e o hardware; (2) oculta a complexidade do hardware do usuário e dos programas de aplicação; (3) gerencia os recursos de hardware — tempo de processador, memória, armazenamento e dispositivos de entrada/saída — e os compartilha entre programas; (4) carrega software de aplicação na memória e o executa, dando a todo programa a mesma plataforma para rodar; (5) permite que vários programas rodam ao mesmo tempo (multitarefa 多任务处理) enquanto os mantém, bem como os dados dos usuários, seguros. Dê cinco pontos diferentes; "ele roda o computador" ou "ele gerencia recursos" isoladamente não vale nada.

Tarefas principais de gerenciamento

O programa de estudos nomeia cinco. Cada ponto abaixo é uma coisa que o SO realmente faz, o que uma questão "descreva" quer.

• gestão de memória 内存管理 — aloca memória para cada programa quando ele é carregado, mantém a memória de cada programa separada (proteção de memória 内存保护) para que um não sobrescreva outro, libera a memória quando um programa termina, e troca páginas entre RAM 随机存取存储器 e armazenamento secundário 辅助存储器 (o disco) (memória virtual 虚拟内存 / paginação 分页) para que mais programas possam estar abertos do que a memória física permite.
• gestão de processos 进程管理 — um programa em execução é um processo 进程. O SO cria e encerra processos, decide qual processo obterá a CPU a seguir (escalonamento 调度) e por quanto tempo (uma fatia de tempo 时间片), alterna entre eles, resolve conflitos quando dois querem o mesmo recurso, e pode matar um que parar de responder.
• gestão de hardware (entrada/saída e periféricos) — conversa com cada dispositivo através de seu driver de dispositivo 设备驱动, enfileira e bufferiza dados indo para dispositivos lentos como uma impressora, responde a interrupções 中断 de dispositivos, e compartilha um dispositivo entre vários programas.
• gestão de arquivos — cria, nomeia, copia, move e exclui arquivos e pastas, mantém a estrutura de diretório 目录 e um registro de onde cada arquivo está armazenado no disco, aloca espaço de disco para arquivos, e impõe direitos de acesso 访问权限 (leitura / gravação / execução) para cada usuário.
• gestão de segurança — contas de usuário e senhas (autenticação 身份验证), direitos de acesso, criptografia de dados armazenados, firewall, atualizações de segurança automáticas, e um log de quem fez o quê.

Como a gestão de memória e de processos suporta multitarefa (um favorito de quatro pontos). A gestão de memória carrega vários programas na memória ao mesmo tempo, cada um em sua própria área protegida, e acompanha quais endereços pertencem a quais; a gestão de processos compartilha o processador entre eles — cada processo roda por uma fatia de tempo, o SO salva seu estado e alterna para o próximo, e a alternância é tão rápida que todos os programas parecem rodar juntos. Interrupções permitem que o SO retome o processador de um processo sempre que um dispositivo precisar de atenção.

Interrupções. Uma interrupção de hardware 硬件中断 vem de um dispositivo: uma tecla pressionada, um clique do mouse, uma impressora sem papel, um disco terminando uma transferência, uma falha de energia. Uma interrupção de software 软件中断 vem de um programa: divisão por zero, uma instrução inválida, uma tentativa de usar memória que não pertence, ou uma solicitação de serviço do SO. O manipulador de interrupções 中断处理程序 do SO salva o estado do processo em execução, lida com a interrupção e depois restaura o processo (o tópico 4 cobre o detalhe busca–execução).

Software utilitário

Programas utilitários 实用程序 são software de sistema que mantêm, reparam ou otimizam o computador em vez de fazer a tarefa do usuário; o examinador aceita "realiza uma tarefa específica de manutenção que melhora o desempenho ou a segurança". A maioria dos SOs embute estes:

• formatador de disco — prepara um disco novo (ou apaga um antigo) para uso: configura seu sistema de arquivos e partições, apagando quaisquer dados existentes.
• verificador de vírus (antivírus 杀毒软件) — varre arquivos e memória, compara código contra um banco de dados de assinaturas 签名 de vírus conhecidos e vigia comportamentos suspeitos, então isola ou exclui o que encontrar; roda em um cronograma e em cada download, e precisa ser atualizado conforme novos vírus aparecem.
• software de desfragmentação (desfragmentador de disco 碎片整理) — um disco rígido armazena um arquivo em quaisquer blocos livres que encontre, então após muitas salvamentos e exclusões um arquivo fica espalhado (fragmentado 碎片化) pelos pratos e a cabeça de leitura/escrita deve pular entre as peças. O desfragmentador move as peças de cada arquivo lado a lado e junta o espaço livre em uma única região, para que arquivos carreguem mais rápido e novos arquivos não fiquem fragmentados. Não necessário em um SSD, que não tem cabeça móvel.
• análise de conteúdo do disco / software de reparo de disco — mostra o que está usando o espaço do disco (arquivos grandes, duplicados ou temporários) para que possam ser removidos; encontra e repara setores defeituosos, clusters perdidos e erros de sistema de arquivos.
• compressão de arquivos (compressão 压缩) — encolhe arquivos para que ocupem menos armazenamento e transfiram mais rápido; arquivagem agrupa muitos arquivos em um.
• software de backup (backup 备份) — copia arquivos para outro meio (disco externo, rede, nuvem) em um cronograma para que os dados possam ser restaurados após perda, corrupção ou ataque de ransomware; uma cópia completa é seguida por backups incrementais 增量备份 de apenas o que mudou.
• um firewall 防火墙 (filtra tráfego de rede por regras) e ferramentas de criptografia, para segurança; um monitor do sistema e atualizações automáticas.

Embutir estes com o SO economiza ao usuário a instalação de cada um.

Qual utilitário faz o quê. Desempenho: desfragmentação (acesso a arquivos mais rápido), reparo de disco (um disco com erros é lento ou falha), análise de conteúdo do disco (espaço livre ao excluir lixo), compressão (mais cabe no disco). Segurança: verificador de vírus, firewall, criptografia e backup (a única recuperação de ransomware). Uma questão "trace uma linha" associa cada utilitário a exatamente um propósito — aprenda os pares acima e use os nomes do programa de estudos.

Exemplo resolvido. Explique como a desfragmentação pode melhorar o desempenho de um computador (3 pontos).

Com o tempo um arquivo é armazenado em blocos espalhados pelo disco rígido, então lê-lo precisa de muitos movimentos da cabeça de leitura/escrita. O desfragmentador rearranja os blocos para que cada arquivo seja armazenado contigüemente e o espaço livre esteja junto. Arquivos são então lidos com menos movimentos de cabeça, então carregam mais rápido, e novos arquivos podem ser escritos em um espaço contínuo.

Uma biblioteca de programas 程序库 é código pré-escrito (subrotinas 子程序, classes, módulos) que programas reutilizam em vez de escrevê-lo eles mesmos — ex.: uma biblioteca matemática, uma biblioteca de rede, uma biblioteca de gráficos.

Benefícios: economiza tempo (código pronto), confiável (bem testado, amplamente utilizado) e padronizado (comportamento consistente).

A lista de benefícios para o examinador, do ponto de vista do desenvolvedor. As rotinas da biblioteca 库例程 já estão escritas e testadas, portanto o desenvolvimento é mais rápido e barato; são confiáveis e, por serem usadas por muitos programas, largely error-free; o desenvolvedor não precisa de especialização naquela área (gráficos, compressão, criptografia, busca de caminho); o programa é mais fácil de manter porque o código comum fica em um único lugar; e toda uma equipe pode usar as mesmas rotinas, garantindo resultados consistentes. Desvantagens: uma rotina pode não fazer exatamente o que você precisa e você não pode alterá-la; seu programa depende da biblioteca estar disponível, correta e segura — um bug ou uma falha de segurança na biblioteca é um bug no seu programa; e você precisa aprender como chamá-la.

• uma biblioteca estática 静态库 é copiada para o executável no tempo de compilação (funciona isoladamente, mas maior e precisa ser recompilada para atualização).
• uma biblioteca dinâmica 动态库 (DLL, Biblioteca de Ligação Dinâmica; .so) é carregada em tempo de execução (executáveis menores, compartilhada por muitos programas, atualizada uma vez para todos).

Arquivos de Dynamic Link Library (DLL). Uma DLL é uma biblioteca que é carregada na memória apenas quando um programa a chama, no tempo de execução, e permanece como um arquivo separado em vez de ser copiada para o executável. Benefícios: o executável é menor; vários programas em execução compartilham uma cópia da DLL na memória; uma DLL pode ser atualizada (correção de bug, novo dispositivo) sem recompilar os programas que a utilizam; e a memória é usada apenas enquanto a rotina estiver necessária. Desvantagens: o programa não funcionará se a DLL estiver ausente, movida ou for a versão errada; uma DLL atualizada pode quebrar um programa que dependia do comportamento antigo; e uma DLL falsa colocada no seu lugar roda com os direitos do programa.

Exemplo resolvido. Uma equipe escreve o software para um robô de restaurante e usa uma biblioteca de programas que inclui uma rotina para encontrar o caminho mais curto entre mesas. Explique dois benefícios e uma desvantagem para a equipe.

Benefícios: a rotina já está escrita e testada, então a equipe economiza tempo e pode confiar no resultado; a equipe não precisa entender algoritmos de busca de caminho e pode gastar o tempo nas funcionalidades próprias do robô. Desvantagem: a rotina pode não lidar exatamente com as necessidades do restaurante (mover cadeiras, corredores de sentido único) e a equipe não pode alterá-la, então podem ter que contornar suas limitações.

Você escreve código-fonte; o computador executa código de máquina 机器码. Um tradutor 翻译器 converte entre eles.

Montador

Um montador 汇编器 traduz linguagem de montagem 汇编语言 em código de máquina: cada instrução mnemônica (LDD, ADD, JMP) torna-se exatamente uma instrução de código de máquina, e endereços simbólicos e rótulos são substituídos por endereços reais. É necessário porque o processador executa apenas código de máquina, e a linguagem de montagem é usada onde o programador precisa de controle direto do hardware (sistemas embarcados, drivers de dispositivos).

Compilador

Um compilador 编译器 traduz um programa de alto nível em código de máquina uma vez, antes de ser executado.

• ele relata todos os erros no tempo de compilação; uma vez limpo, produz um executável 可执行文件 independente que roda sem o compilador instalado e pode ser executado muitas vezes.
• geralmente mais rápido no tempo de execução (nenhuma tradução durante a execução), mas atrelado a uma CPU/SO — recompilar para cada plataforma.

A descrição de duas marcas: um compilador traduz o programa inteiro de alto nível em código de máquina (código objeto 目标代码) antes de ser executado, produz um arquivo executável e relata todos os erros de sintaxe juntos como uma lista no final da tradução. Ele não executa o programa.

Interpretador

Um interpretador 解释器 traduz e executa um programa de alto nível linha por linha, não produzindo nenhum executável.

• ele relata um erro quando chega nessa linha, depois para; você pode corrigi-lo e continuar — bom para desenvolvimento.
• o interpretador deve estar instalado para executar o programa; geralmente mais lento (cada execução re-traduz), mas fácil de portar entre plataformas.

A descrição de duas marcas: um interpretador traduz uma declaração do programa de alto nível por vez e a executa imediatamente antes de passar para a próxima; nenhum arquivo executável é produzido; ele para no primeiro erro encontrado e o relata. Tanto o código-fonte quanto o interpretador devem estar presentes sempre que o programa for executado.

Escolhendo entre eles

Benefícios e desvantagens, conforme a lista do gabarito.

Exemplo resolvido. Um desenvolvedor usa um interpretador enquanto escreve um programa e um compilador quando termina. Explique como cada um é usado (4 marcas).

Durante o desenvolvimento, o interpretador executa o programa parcialmente escrito imediatamente, sem esperar por uma tradução completa; ao encontrar um erro, ele relata a linha, então o desenvolvedor corrige e executa novamente imediatamente — um ciclo rápido de edição–execução que facilita o debugging. Quando o programa está terminado, o compilador traduz todo o programa em um executável que roda mais rápido, não precisa de tradutor no computador do usuário e não revela o código-fonte, podendo ser vendido ao público.

Híbrido: Java

Java é compilado em bytecode 字节码 (uma forma intermediária independente de plataforma), que uma máquina virtual 虚拟机 (a JVM) então interpreta — ou usa compilação just-in-time 即时编译 para transformar partes quentes em código nativo. Assim, erros são capturados cedo, o bytecode roda em qualquer lugar com uma JVM (

A frase do syllabus é "parcialmente compilado e parcialmente interpretado": a etapa do compilador captura erros de sintaxe e produz bytecode compacto e portátil 可移植的; a etapa de interpretação permite que esse único arquivo de bytecode seja executado em qualquer máquina que tenha uma máquina virtual, ao custo de alguma velocidade. Java em modo console (um programa de texto executado pela linha de comando) é o exemplo do syllabus.

Exemplo resolvido. O código-fonte Java é compilado em bytecode, que uma JVM então interpreta. Por que usar ambos, em vez de compilar diretamente para código de máquina? Um compilador produz código de máquina para um processador e sistema operacional, então um programa compilado em uma máquina não funcionará em outra. O compilador do Java, em vez disso, visa uma máquina virtual, então o bytecode que ele produz é idêntico em todos os lugares; cada plataforma então fornece sua própria JVM para interpretar esse bytecode em suas próprias instruções nativas. Um único arquivo compilado, portanto, funciona em qualquer lugar onde exista uma JVM - "escreva uma vez, execute em qualquer lugar". O preço é a velocidade: interpretar bytecode é mais lento do que executar código nativo, razão pela qual uma JVM real também usa compilação JIT para transformar bytecode frequentemente executado em código nativo enquanto o programa roda. Nomeie ambos os lados - os pontos são pela portabilidade comprada ao custo da velocidade.

Um ambiente de desenvolvimento integrado 集成开发环境 (IDE) reúne as ferramentas para escrever, testar e depurar código em um único aplicativo:

O syllabus agrupa as funcionalidades em quatro tipos. Aprenda qual funcionalidade pertence a qual, porque as perguntas pedem para classificá-las e descrever uma de cada grupo.

• Para codificação: prompts sensíveis ao contexto 上下文相关提示 — conforme você digita, o IDE exibe os identificadores, palavras-chave ou parâmetros que se encaixam naquele ponto do código; auto-complete 自动补letina completa o nome para você; indentação automática e correspondência de colchetes mantêm o layout correto enquanto você digita.
• Para detecção inicial de erros: verificações de sintaxe dinâmicas 动态语法检查 — o editor verifica a sintaxe enquanto você digita e sublinha ou destaca um erro imediatamente, antes que o programa seja traduzido; após a tradução, mensagens de erro com números de linha.
• Para apresentação: prettyprint 代码美化 — palavras-chave, identificadores, strings e comentários mostrados em cores ou fontes diferentes (destaque de sintaxe 语法高亮) com indentação consistente, para que a estrutura seja visível à primeira vista; expandir e recolher blocos de código — ocultar o corpo de um loop, um IF ou uma subrotina para ver o contorno.
• Para depuração: breakpoints 断点 — o programa pausa ao atingir uma linha marcada; single stepping 单步执行 — a partir da pausa, execute uma linha por vez; uma janela que mostra os valores atuais de variáveis e expressões à medida que mudam; e uma report window 报告窗口 que lista erros, avisos e saída.

Outras funcionalidades: integração com tradutor (compilar ou executar com um atalho, erros mostrados em linha), um debugger 调试器 que aciona as funcionalidades de depuração acima, integração com version control 版本 controle (git), gerenciamento de projetos, sistema de ajuda, ferramentas de refactoring 重构 (renomeação segura) e integração com unit test 单元测试.

Uma IDE acelera o desenvolvimento ao colocar escrever → executar → depurar → corrigir atrás de uma única interface. IDEs comuns: Visual Studio, PyCharm, Eclipse, VS Code.

Exemplo resolvido. Uma função Calculate() retorna um valor inesperado quando o programa é executado. Descreva como as funcionalidades de depuração de uma IDE típica ajudam a encontrar a causa (4 pontos).

Defina um breakpoint na primeira linha de Calculate(), para que o programa pause lá em vez de continuar executando. Em seguida, faça single-step pela função uma linha por vez. Após cada passo, leia os valores das variáveis e de qualquer expressão que você tenha pedido à IDE para watch, e compare-os com os valores esperados; a primeira linha após a qual um valor está errado é onde está o erro lógico. A report window mostra qualquer mensagem de erro de tempo de execução e a saída produzida até então.

Exemplo resolvido. Coloque cada funcionalidade no seu grupo do syllabus: prettyprint, context-sensitive prompt, dynamic syntax check, breakpoint, expand/collapse code blocks, report window.

Coding: context-sensitive prompt. Detecção inicial de erros: dynamic syntax check. Apresentação: prettyprint, expand/collapse code blocks. Depuração: breakpoint, report window.

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

• Liste as tarefas do SO pelos seus nomes do syllabus (gestão de memória, processo, hardware, arquivos e segurança) e diga o que cada uma faz — "gerencia recursos" sozinho é muito vago.
• Comparar compiler vs interpreter vs assembler: o que cada um traduz, quando o traduz e como os erros são relatados.
• Explique o que uma IDE oferece usando os grupos do syllabus: coding, detecção inicial de erros, apresentação, depuração.
• Uma resposta de "benefício para o desenvolvedor" nomeia a economia do desenvolvedor: tempo, custo, competência, confiabilidade ou manutenção. Um "drawback" nomeia uma dependência: disponibilidade, versão, adequação, segurança.
• Para "descrever a operação de" um tradutor, dê três coisas: o que é traduzido (programa inteiro ou uma declaração), quando (antes de executar ou enquanto executa) e como os erros são relatados (todos de uma vez ou no primeiro erro).

Erros comuns

• Escrever "o OS controla o computador" ou "gerencia recursos" sem exemplo de tarefa. Cada ponto é uma tarefa nomeada com o que ela faz.
• Dizer que um interpreter "compila linha por linha". Um interpreter traduz e executa cada declaração; ele nunca produz um executável.
• Dizer que um compiler executa o programa. Ele apenas traduz; o executável roda depois, sem o compiler.
• Colocar uma DLL "dentro" do executável. Isso é uma biblioteca estática; uma DLL permanece um arquivo separado carregado em tempo de execução.
• Dizer que a desfragmentação "exclui" ou "comprime" arquivos, ou que é necessária em SSDs. Ela apenas move blocos para que cada arquivo seja armazenado contiguamente.
• Classificar prettyprint ou contrair blocos sob "depuração". Eles são funcionalidades de apresentação; depuração refere-se a breakpoints, single stepping, watching variables e report window.