 |
|
Основные устройства ЭВМ
Методические рекомендации по изучению ветви «Устройство компьютера»
Изучаемые вопросы:
o основные устройства ЭВМ;
o принцип программного управления;
o виды памяти ЭВМ;
o организация внутренней памяти;
o организация внешней памяти;
o архитектура ПК;
o видеосистема ПК.
Знакомство с устройством компьютера ведется поэтапно с ориентацией на возраст учащихся. Занятия можно построить в форме лекции или семинара. В любом случае необходимы плакаты, фильмы, слайды. Очень желательно, чтобы учащиеся могли подержать в руках вышедшие из строя процессор, материнскую плату, дисковод и др. внутренние устройства компьютера. Можно открыть один компьютер и посмотреть его изнутри. Желательно использовать ЭУП (электронное учебное пособие). Опрос знаний учащихся можно провести в виде тестирования. Работа за компьютером может быть успешно организована, в частности, с использованием учебного пособия «Практикум по информатике и информационным технологиям», глава 1 «Компьютер и программное обеспечение» под ред. Угриновича Н.Д.
Архитектура ПК
Под архитектурой компьютера понимают описание устройства и принципов работы ЭВМ.
В школьном курсе информатики устройство компьютера изучается на уровне его архитектуры, т.е. уровне, достаточном для формирования представления о компьютере у пользователя, но не конструктора, инженера, поэтому предлагаемый учебниками материал никак не претендует на полноту описания ЭВМ. Цель раздела – показать принципиальную возможность организации автоматического исполнения компьютером программы, подчеркнув при этом, что компьютер не более чем сложная электронная схема, работа которой основана на тех же физических принципах, что и работа телевизора или магнитофона.
Схема архитектуры ПК следующая: (внешние устройства подсоединены к магистрали через контроллеры (обозначены треугольниками))
|
Связь и обмен информацией между компонентами ЭВМ осуществляется с помощью магистрали. Магистраль можно представить себе как пучок проводов, к которому параллельно подсоединены все компоненты ЭВМ. Здесь нужно обратить внимание на управление устройствами ввода/вывода через команды записи и чтения по специальным адресам – адресам этих устройств. Когда, например, команда – «записать по такому-то адресу число» – выполняется, т.е. на проводах магистрали появляются соответствующие высокие или низкие напряжения, то все устройства ЭВМ, включая память, анализируют этот адрес. Если указан адрес обычной памяти, то она – физическое устройство «память» – срабатывает и записывает число по соответствующему адресу. Если же, например, указан специальный адрес, приписанный принтеру, то память не срабатывает никак, а физическое устройство «принтер», обнаружив «свой» адрес, воспринимает число как команду принтера и, соответственно, что-то печатает. Аналогично, физическое устройство «монитор», обнаружив свой адрес, выполняет свою команду, например, выводит какой-то символ на экран. И т.д.
Одна и та же команда – «записать по такому-то адресу число», в зависимости от адреса может либо действительно записать число в память, либо (если адрес принтера) что-то напечатать или изменить параметры печати, либо (если адрес монитора) вывести что-то на экран, либо (если адрес клавиатуры) перевести клавиатуру в какой-то иной режим работы и т.п. Машинная команда одна и та же, а смысл и результат выполнения – разный.
Посылая по магистрали электрические сигналы, любая компонента ЭВМ может передавать информацию другим компонентам.
Такую структуру ПК называют архитектурой с общей шиной (или магистральной архитектурой). Ее главное достоинство – простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены имеющихся устройств, т.е. здесь имеет место принцип открытой архитектуры ПК. (Доклад: «Принципы архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана». Это:
1) состав устройств и структура однопроцессорной ЭВМ;
2) использование двоичной системы счисления в машинной арифметике;
3) адресуемость памяти ЭВМ;
4) хранение данных и программ в общей памяти ЭВМ;
5) структура машинной команды и состав системы команд процессора;
6) цикл работы процессора (алгоритм выполнения программы процессором).
В большинстве школьных учебников принята следующая схема раскрытия архитектуры ЭВМ:
Назначение ЭВМ à Основные устройства, входящие в состав компьютера (память, процессор, устройства ввода-вывода), их функции, типы à механизм программного управления работой ЭВМ (структура процессора, состав команд процессора, структура программы и алгоритм ее выполнения процессором).
Основные устройства ЭВМ
При объяснении темы можно использовать дидактический прием аналогии компьютера с человеком, и вместе с учащимися заполнить таблицу:
| Функция | Человек | Компьютер |
| Хранение информации | Память | Устройства памяти |
| Обработка информации | Мышление | Процессор |
| Прием информации | Органы чувств | Устройства ввода |
| Передача информации | Речь, двигательная система | Устройства вывода |
Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации. От человека информация поступает в компьютер через устройства ввода; попадает она во внутреннюю память. Если требуется длительное ее хранение, то из внутренней памяти она переписывается во внешнюю. Обработка информации осуществляется процессором при непрерывной двусторонней связи с внутренней памятью: оттуда извлекаются исходные данные, туда же помещаются результаты обработки. Информация из внутренней памяти может быть передана человеку (другим компьютерам) через устройства вывода. Объяснение материала желательно проводить с опорой на схему «Состав и структура ЭВМ»:
Необходимо подчеркнуть суть принципа программного управления компьютером:
1) любая работа выполняется компьютером по программе;
2) исполняемая программа находится в оперативной памяти;
3) программа выполняется автоматически.
Память ЭВМ
О делении памяти на внутреннюю и внешнюю учащимся уже говорилось, поэтому при объяснении этого материала необходимо обращаться к ним за помощью. Новыми для учащихся будут знания о двух типах свойств каждого из этих видов памяти:
1) физические свойства;
2) принципы организации информации.
1. Физические свойства.
К физическим свойствам внутренней памяти относятся:
o энергозависимость (т.к. она построена на электронных элементах – микросхемах);
o быстрота;
o небольшой объем.
К физическим свойствам внешней памяти относятся:
o энергонезависима;
o медленная;
o большой объем (а с учетом возможности смены носителей – объем неограничен).
Необходимо вспомнить с учащимися сведения о носителях информации, при этом обратить внимание на точность в используемой терминологии. Ленты, диски – это носители информации; устройство компьютера, которое работает с магнитной лентой – накопитель на магнитной ленте (стример). Устройство, работающее с диском – накопитель на магнитном диске (дисковод). По мере изложения материала, можно детям предложить заполнять таблицу:
| Накопитель | Носитель | Применение | Размер | Информационная емкость | Скорость чтения/записи | Надежность хранения инф. |
| НГМД | Floppy Disk (дискета) | Для переноса инф. с одного комп. на др. | 3,5 дюйма | 1,44 Мб | Низкая – время доступа » 250 мс. | Низкая |
| НЖМД | Hard Disk (винчестер) | Для хранения больших объемов инф. | 5.25 дюймов | До сотен Гб | До 10.000 об/мин | |
| … | …CD-R, CD-RW, DVD | … |
2. Принципы организации информации.
Вначале с учащимися нужно вспомнить, что компьютер работает с различными видами информации (символьным, числовым, графическим, звуковым) и что любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде.
Учащиеся также уже знают, что информационная структура внутренней памяти (оперативной – RAM – Random Access Memory) представляет собой последовательность двоичных ячеек – битов. Это определяет ее первое свойство: дискретность. Далее можно предложить учащимся представить себе память компьютера в виде фасада многоэтажного дома в вечернее время. В одних окнах горит свет (1) в других нет (0). Окно – бит памяти. Схематично структура внутренней памяти представляется так:
| Номер байта | Биты | |||||||
Дополнительно учащимся можно рассказать, что запоминание во внутренней памяти (RAM) реализовано в ЭВМ с помощью специальной схемы из логических элементов, называемой триггером.
| | |
|
|
Вход 1 обозначают – S (Set – установка).
Вход 2 обозначают – R (Reset – сброс).
Выход 2 обозначают Q и называют прямым.
|
|
| |
| |
В обычном состоянии на входы схемы подано постоянное напряжение 0. При записи информации на S подается напряжение 1.
Пример.
Для удобства перенумеруем все входящие в него логические элементы. Пусть на вход S подан сигнал «1», на вход R – «0».
На выходе элемента 1 (ИЛИ) независимо от сигнала на другом входе появляется «1». Пройдя через элемент 2 (НЕ), сигнал изменяется, принимает значение «0». С выхода элемента 2 сигнал поступает на вход элемента 3 (ИЛИ). На втором входе элемента 3 тоже «0», и на выходе будет «0». Пройдя через элемент 4 (НЕ), сигнал изменяется на «1». На выходе Q – сигнал «1».
Пусть сигнал «1» на входе S прошел, на оба входа схемы подано напряжение 0 . Но триггер своего положения не меняет (рассмотреть по схеме).
Таким образом, при отсутствии на внешних входах сигналов «1» триггер поддерживает постоянное напряжение на своих выходах. Для того чтобы изменить напряжение на выходах триггера, надо подать сигнал «1» на вход R. Тогда на выходе éQ установиться постоянное напряжение 1, а на выходе Q – 0.
Второе свойство внутренней памяти – адресуемость. Адресуются байты. Адрес байта – это его порядковый номер в памяти. Здесь также полезна аналогия с многоэтажным домом: номер квартиры – ее адрес. Отличие только в том, что номера байтов начинаются с нуля. Доступ к информации в оперативной памяти происходит по адресам.
Итак, учащиеся должны уяснить, что информационная структура внутренней памяти битово-байтовая. Ее размер (объем) выражается килобайтах, мегабайтах. Отдельным учащимся могут быть предложены сообщения о динамической памяти (DRAM) и статической памяти (SRAM).
Дополнительно можно сообщить учащимся (или предложить подготовиться отдельным ученикам) о ПЗУ, CMOS-памяти, Flash-памяти.
Информационная структура внешней памяти – файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является файл. Конечно, информация, хранящаяся в файле, тоже состоит из битов и байтов. Но в отличие от внутренней памяти байты на дисках не адресуются. При поиске нужной информации на внешнем носителе указывается имя файла, в котором она содержится. Аналогия с книгой, учебником помогает понять назначение корневого каталога диска. В каталоге содержатся сведения о файле (имя, размер, дата и время создания или последнего изменения).
Информация от внешней памяти к процессору и наоборот циркулирует по такой схеме:
ВЗУ à ОЗУ à Процессор
Процессор является основной микросхемой компьютера и представляет собой небольшую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 5´5 см., на которой размещается до 10 млн. функциональных элементов. У компьютеров 4-го поколения функции процессора выполняет микропроцессор – сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см2. Назначение микропроцессора:
1) выполнять команды программы, находящиеся в оперативной памяти в соответствии с командами программы, которые тоже хранятся в памяти ЭВМ;
2) координировать работу всех устройств компьютера.
После этого следует рассказать учащимся устройство процессора, пояснив, что наличие собственной памяти у процессора (регистров) позволяет повысить быстродействие ЭВМ.
В состав процессора обязательно входят:
o устройство управления (координирует работу всех устройств компьютера);
o арифметико-логическое устройство (выполняет команды программы, находящейся в ОЗУ);
o регистры памяти (ячейки, в которые по очереди помещаются команды программы, по которой работает процессор и вся необходимая информация для их выполнения);
o шины данных, команд и адресов (по этим магистралям происходит обмен данными между внутренними устройствами процессора и внешними по отношению к нему).
Далее необходимо познакомить учащихся с основными характеристиками процессора:
1) разрядность процессора;
2) тактовая частота.
В рамках базового курса на примере реальной ЭВМ очень сложно изучить вопросы:
1) структура машинной команды и состав системы команд процессора;
2) цикл работы процессора (алгоритм выполнения программы процессором).
Поэтому в ряде учебников информатики рассматривается некоторая упрощенная модель реального компьютера. Например: в учебниках Гейна А.Г. используются модели «Кроха» и «Малютка»; в учебнике Семакина И.Г. – модель «Нейман».
Учащиеся должны уяснить, что процессор может выполнять лишь фиксированный набор команд строго определенной формы. Важно рассказать учащимся, какие это должны быть команды. (Имеется в виду не форма команд – очевидно, что они должны быть закодированы в виде нулей и единиц, – а содержание, т.е. то, что процессор делает, выполняя ту или иную команду). Учащиеся должны представлять, какого типа команды входят в систему команд исполнителя – ЭВМ. Это позволит в дальнейшем, при рассмотрении примеров, ограничиться лишь минимальным набором команд, связанных, как правило, с преобразованием информации в процессоре.
Всякая машинная команда состоит из двух частей: кода операции (КОП) и адресной части
| КОП | Адресная часть |
В зависимости от структуры адресной части команды процессоры ЭВМ бывают 3-х, 2-х адресные, одно адресные и безадресные (стековые). Например, команда УК «Малютка» имеет одноадресную структуру:
| КОП | Адрес |
Для закрепления материала можно предложить учащимся выполнить, например, такое упражнение:
В таблице указаны коды операций системы команд некоторого процессора, а также адреса и содержимое некоторых ячеек памяти.
| Операция | Код | Адрес ячейки | Содержимое | |
| Считать | ||||
| Записать | ||||
| Вычесть | ||||
| Сложить | ||||
| Разделить | ||||
| Умножить |
Каким будет содержимое ячеек 0007 и 0008 после выполнения следующих команд:
А) Б)
Команды УК «Нейман» имеют трехадресную структуру
| КОП | А1 | А2 | А3 |
А1, А2, А3 – адреса ячеек ОЗУ.
В пособии «Задачник-практикум 1» Семакина И.Г. приводится система команд УК «Нейман»:
| КОП | Мнемокод | Вид команды | Операция | Пояснение |
| MOV | 00 А1 – А3 | Пересылка | (А1) à A3 | |
| ADD | 01 А1 А2 А3 | Сложение | (A1)+(A2) à A3 | |
| SUB | 02 А1 А2 А3 | Вычитание | (A1)-(A2) à A3 | |
| MUL | 03 А1 А2 А3 | Умножение | (A1)´(A2) à A3 | |
| … | … | … |
Выполнение программы производится автоматически. Последовательность работы процессора при выполнении программы называется циклом работы процессора.
Дополнительно учащимся можно рассказать, что выполнение арифметических операций с двоичными числами реализовано в ЭВМ с помощью специальной схемы из логических элементов, называемой полусумматором (называется «полусумматор» – поскольку не учитывает перенос из младшего разряда в старший). Из нескольких полусумматоров можно собрать полный сумматор, выполняющий сложение двоичных чисел. Многоразрядное сложение напоминает школьный способ сложения «столбиком»: числа в каждом разряде складываются независимо, а если результат не помещается в одном разряде, то к следующему по старшинству разряду прибавляется единица. Этой единице соответствует сигнал P в схеме полусумматора.
Видеосистема ПК. Основным устройством вывода графических изображений является дисплей. Работой дисплея управляет видеоконтроллер (видеоадаптер, видеокарта). Основные представления об устройстве дисплея, которые должны усвоить ученики из этого материала: дискретная (пиксельная) структура экрана; сетка пикселей (растр); сканирование растра электронным лучом; частота сканирования; трехцветная структура пикселя цветного монитора. Многие понятия темы (электронный луч, люминесценция и др.) относятся к физике и еще не знакомы учащимся, для их раскрытия достаточно описательного уровня объяснения.