Методические рекомендации по изучению ветви «Программное обеспечение ЭВМ»

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.

éQ

Вход 1 обозначают – S (Set – установка).

Вход 2 обозначают – R (Reset – сброс).

Выход 2 обозначают Q и называют прямым.

Выход 1 обозначают éQ и называют инверсным.

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 такие 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.

Методические рекомендации по изучению ветви «Программное обеспечение ЭВМ»

Изучаемые вопросы:

o назначение программного обеспечения ЭВМ;

o классификация программного обеспечения ЭВМ;

o что такое прикладное ПО;

o назначение систем программирования;

o основные функции операционной системы;

o начальные сведения об организации файлов.

При изучении темы учащиеся должны уяснить, что компьютер представляет собой единую систему, состоящую из аппаратной части (технических устройств) и информационной части (программного обеспечения).

Компьютер = аппаратура + программное обеспечение

(hardware) (software)

hardware [ha:dweә]– твердая компонента компьютера; software – мягкая компонента компьютера.

В учебнике Семакина И.Г. использована аналогия с человеком: «твердая компонента» – это анатомия и физиология человека, «мягкая компонента» – это интеллект человека.

На самых первых компьютерах могли работать только профессиональные программисты. Современный компьютер доступен каждому. Этот факт объясняется тем, что компьютер оснащен богатым программным обеспечением.

Программа – это последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки информации.

Программное обеспечение – все многообразие программ, используемых в современном компьютере.

Учителю необходимо обратить внимание учащихся на то, что различные информационные задачи решаются на компьютере с помощью разных программных средств. При этом учащиеся должны научиться отделять задачи системного характера от задач прикладного характера. Например, понимать, что работа с файлами (копирование, удаление) осуществляется с помощью операционной системы, а редактирование текстового документа – с помощью прикладной программы – текстового редактора.

Учителю также необходимо объяснить учащимся следующие вопросы:

1) Программное обеспечение – это не только собственно программы, но и данные, с которыми работают эти программы. Данные и программы хранятся на дисках в отдельных файлах. Бывает, что объем данных часто в много раз превышает размеры программ (например, объем графической информации часто превышает размер графического редактора). Можно сделать вывод, что термин «программное обеспечение» правильнее было бы заменить термином «информационное обеспечение компьютера».

2) Для компьютеров, работающих в составе сетей, представление о программном (информационном) обеспечении выходит за пределы дискового пространства ПК. Для таких ПК оказываются доступными информационные ресурсы компьютеров-серверов. С подключением компьютера к сети Интернет эти ресурсы становятся практически неограниченными.

В литературе встречается несколько вариантов классификации программного обеспечения. В учебнике Семакина И.Г. использован такой вариант:

Системное ПО – является основным ПО, неотъемлемой частью компьютера. Оно предназначено, прежде всего, для обслуживания самого компьютера, для управления работой всех его устройств. Главной частью системного ПО является операционная система (ОС).

Любые ОС, независимо от типа, выполняют три основные функции:

1) управление устройствами компьютера;

2) взаимодействие с пользователем;

3) работа с файлами.

В рамках базового курса достаточно без излишних подробностей дать представление ученикам о функциях ОС на примере конкретной ОС, используемой в классе.

Прикладное ПО – предназначено для выполнения конкретных задач пользователя. Это те программы, которые превращают компьютер в пишущую машинку, калькулятор, рабочее место художника и т.д.

Системы программирования – это средства, предназначенные для создания системного и прикладного ПО.

По ходу объяснения материала полезно предложить учащимся заполнять таблицу

Программы	Пояснения	Примеры
Системное ПО
…	…	…
…	…	…
Прикладное ПО
…	…	…
…	…	…
Системы программирования
…	…	…
…	…	…

Приводимые в третьей колонке примеры желательно продемонстрировать учащимся.