Глава 7. Методика изучения аппаратных средств компьютерной техники

7.1. Методика изучения архитектуры компью­ тера

7.1.1.Понятие об архитектуре компьютера

Вшкольном курсе информатики и ИКТ устройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. Описание архи тектуры – это такое представление об устройстве и функ ционировании компьютера, которое достаточно для поль зователя, в том числе и программиста. Здесь можно при вести аналогию с архитектурой здания, – когда говорят о ней, то отмечают форму здания, его этажность, назначе ние, но такие подробности как: толщина стен, материал кирпичей, особенности их кладки и т.п., для него не суще ственны. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера. Как это ни уди вительно, архитектура современных компьютеров в осно ве своей остается неизменной уже более полувека! Такой феномен не часто встретишь даже в обычной архитектуре, где стили и вкусы быстро меняются, тем более с появлени ем новых строительных материалов. Однако уже сменяет ся четвертое поколение компьютеров, а принципиальное строение подавляющего большинства из них остается не изменным.

Вбазовом курсе принята следующая схема раскры тия архитектуры:

240

•назначение ЭВМ;

•основные устройства, входящие в состав ЭВМ, и вы полняемые функции;

•организация внутренней и внешней памяти:

•особенности архитектуры персонального компьютера;

•типы и свойства устройств, входящих в состав персо нального компьютера.

Для продвинутых пользователей и в профильных курсах рассматриваются программное управление работой компьютера, структура процессора, состав команд процес сора, структура программы и алгоритм её выполнения процессором (цикл работы процессора).

7.1.2. Методика изучения архитектуры ЭВМ фон Неймана

Основы архитектуры ЭВМ установил в конце 1940 го дов выдающийся американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман. В конце второй миро вой войны он участвовал в создании первой ламповой ЭВМ ENIAC и разработал принципы построения вычисли тельных машин, описав их со своими соавторами Г. Голд стайном и А. Берксом в статье: «Предварительное рас смотрение логической конструкции электронно вычислительного устройства». Эти принципы принято так же называть принципами Неймана. К ним относятся:

1.Состав и структура однопроцессорной ЭВМ.

2.Использование двоичной системы счисления в машинной арифметике.

3.Адресуемость памяти ЭВМ.

241

4.Совместное хранение данных и программ в общей памяти ЭВМ.

5.Структура машинной команды.

6.Состав системы команд процессора.

7.Цикл работы процессора (алгоритм выполнения программы процессором).

В базовом курсе информатики следует лишь кратко рассмотреть принципы фон Неймана, а более подробно – в профильных курсах. Изучая эти принципы с учащимися, учителю следует также осветить некоторые вопросы по истории создания первых ЭВМ и особенностям работы на них. Например, в первых ЭВМ для представления данных использовали десятичный код, а программа задавалась путем установки вручную проводных перемычек и пере ключателей на специальной коммутационной панели. Для машины ENIAC эта процедура занимала несколько дней, в то время как собственно счёт выполнялся всего лишь не сколько минут, но и за это время успевало перегореть не сколько электронных ламп! В те времена срок службы электронных ламп составлял около 1000 часов, а их в ма шине насчитывалось 17468 штук.

Нейман первым предложил, чтобы программа также хранилась в двоичном коде в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Это давало принципиальную возможность ЭВМ самой определять для себя программу действий в соответствии с результатами вычислений.

Основными блоками ЭВМ с архитектурой по Нейману являются:

•устройство управления (УУ) и арифметико логическое устройство (АЛУ), объединяемые в цен тральный процессор;

•оперативная память;

242

•внешняя память;

•устройства ввода и вывода информации.

Схема архитектуры такой ЭВМ показана на рис. 7.1.

ВЗУ

ОЗУ

Рис. 7.1. Схема архитектуры ЭВМ по фон Нейману

Нейман сформулировал также основополагающие принципы организации и работы логического устройства ЭВМ. Структура ЭВМ, предложенная Нейманом, оказалась очень удачной и реализовывалась многие годы на первых двух поколениях машин.

Изучая с учащимися архитектуру ЭВМ, учитель дол жен иметь в виду необходимость проведения профориен тационной работы. Программистам и, в особенности, сис темным программистам требуется наиболее глубокое зна ние архитектуры ЭВМ и принципов фон Неймана.

243