3.2. Методические подходы к раскрытию понятия архитектуры эвм

3.2.1.Подходы к раскрытию темы в учебной литературе

В курсе информатики устройство компьютера изучается на уровне его архитектуры.

Под архитектурой понимают описание устройства и принципов работы ЭВМ без подробностей

технического характера (электронных схем, конструктивных деталей и пр.). Описание

архитектуры — это представление о компьютере, достаточное для человека, работающего за

компьютером, но не конструирующего или ремонтирующего его, т.е. для пользователя (в том

числе и программиста).

Различным пользователям, в зависимости от уровня использования ими ЭВМ, требуется

различный уровень знаний об архитектуре. Как можно обрисовать диапазон понятий,

подходящих под определение архитектуры ЭВМ? Самый поверхностный уровень — это

понятия об основных устройствах, входящих в состав ЭВМ, и их назначений. Самый глубокий

уровень описания архитектуры ЭВМ --. это описание системы команд процессора (языка

машинных команд), правил работы процессора при выполнении программы.

В учебниках по базовому курсу информатики [Гейн, Ершов, Семакин, Каймин] принята

следующая схема раскрытия архитектуры ЭВМ: вначале ведется разговор о назначении ЭВМ,

об основных устройствах входящих в состав компьютера (память, процессор, устройства ввода-

вывода), и выполняемых ими функциях. Рассказывается также об особенностях организации

персонального компьютера, о типах и свойствах устройств, входящих в состав ПК. В

материале, ориентированном на второй год обучения, на примере простой модели ЭВМ

раскрывается механизм программного управления работой компьютера. Здесь описывается

структура процессора, состав команд процессора, структура программы и алгоритм ее

выполнения процессором — цикл работы процессора.

Такая методическая схема представляется достаточно обоснованной.

3.2.2. Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:

• Основные устройства ЭВМ.

• Принцип программного управления.

• Виды памяти ЭВМ.

• Организация внутренней памяти.

• Организация внешней памяти.

• Архитектура персонального компьютера.

• Видеосистема персонального компьютера.

• Изучение архитектуры ЭВМ на учебных моделях.

В ходе изучения базового курса ученики должны постепенно углублять свои знания об

архитектуре компьютера вплоть до получения представлений о языке машинных команд, о

работе процессора. Необходимость таких знаний следует из основной концепции курса:

направленности на фундаментальное, базовое образование.

Как правило, в учебниках разъясняются общие понятия архитектуры без привязки к

конкретным маркам ЭВМ. Практическая работа на уроках происходит на определенных

моделях компьютеров. В связи с этим возникает проблема увязки общетеоретических знаний с

практикой. Эту проблему должен решать учитель. Вводя общие понятия, например объем

памяти, разрядность процессора, тактовая частота и др., следует сообщать ученикам, какие

конкретно значения этих параметров имеются у школьных компьютеров. Рассказывая о

назначении устройств ввода и вывода, о носителях информации учитель должен

продемонстрировать эти устройства, познакомить учеников с их характеристиками, с

правилами обращения. Безусловно, нужно рассказывать о возможностях и характеристиках

более совершенной и современной техники, чем та, что есть в школе раскрывать перспективы

ее развития. Однако прежде всего ученики должны хорошо узнать свой компьютер.

Основные устройства ЭВМ и принцип программного управления. Главные понятия

данной темы: архитектура ЭВМ, память ЭВМ (оперативная, внешняя); процессор;

устройства ввода; устройства вывода; программное управление.

О смысле понятия «архитектура ЭВМ» говорилось выше. Для раскрытия этого понятия

можно использовать дидактический прием аналогии. Суть его сводится к следующему. По

своему назначению компьютер — это универсальная машина для работы с информацией. Но в

природе уже есть такая «биологическая машина» — это человек! Информационная функция

человека рассматривалась в предыдущих разделах курса. Она сводится к умению осуществлять

три типа информационных процессов: хранение информации, обработку информации, прием-

передачу информации, т. е. поддерживать информационную связь с внешним миром. Значит, в

состав устройств компьютера должны входить технические средства для реализации этих

процессов. Они называются: память, процессор, устройства ввода и вывода (табл.).

Таблица

Функция

Человек Компьютер

Хранение информации

Память Устройства памяти

0брабогка информации Мышление Процессор

Прием информации Органы чувств Устройства ввода

Передача информации

Речь, двигательная

система

Устройства вывода

Деление памяти компьютера на внутреннюю и внешнюю также поясняется через

аналогию с человеком. Внутренняя память — это собственная (биологическая) память

человека; внешняя память — это разнообразные средства записи информации: бумажные,

магнитные и пр.

Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи

информации. Из внешнего мира информация поступает в компьютер через устройства ввода;

поступившая информация попадает 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 во внешний мир (человеку или

другим компьютерам) через устройства вывода.

?????? Сделайте схему!

Архитектуру ЭВМ нельзя описывать статично. В сознании учеников с самого начала

необходимо создавать представление о функционировании компьютера. Для решения любой

задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. И данные и

программа представляются в определенной форме-«понятной» машине, заносятся во

внутреннюю память и затем компьютер переходит к выполнению программы, т.е. решению

задачи. Компьютер является формальным исполнителем программ.'

Необходимо подчеркнуть, что любая работа выполняется компьютером по программе,

будь _______то решение математической задачи, перевод текста с иностранного языка, получение

рисунков и экране, игра с пользователем и пр. Подводя итог теме, следует сказать, что суть

принципа программного управления компьютером сводится к следующим трем положениям:

1) любая работа выполняется компьютером по программе;

2) исполняемая программа находится в оперативной памяти;

3) программа выполняется автоматически.

Виды памяти ЭВМ. О делении памяти на внутреннюю и внешнюю уже было сказано.

Какие свойства каждого из этих видов памяти должны усвоить ученики? Следует говорить о

двух типах свойств: о физических свойствах и о принципах организации информации.

Внутренняя память. К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие

свойства:

• это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит

информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно

назвать энергозависимой;

• это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения)

очень маленькое — микросекунды;

• это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

В качестве дополнительной информации ученикам можно сообщить, что в компьютере

имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от

электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в

ПЗУ не меняется. ПЗУ — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ

— и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.

Внешняя память. Есть две разновидности носителей информации, используемых в

устройствах внешней памяти: магнитные и оптические. Существуют магнитные ленты и

магнитные диски. Оптические диски называются СD-RОМ. На магнитные носители

информацию можно записывать многократно, на оптические — только один раз. По аналогии с

отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти, свойства внешней памяти

описываются так:

•внешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от

того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;

• внешняя память — медленная по сравнению с оперативной; в порядке возрастания

скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так:

магнитные ленты — магнитные диски — оптические диски;

• объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а

с учетом возможности смены носителей — неограничен.

Необходимо обращать внимание учеников на точность в используемой терминологии.

Ленты, диски — это носители информации. Устройство компьютера, которое работает с

магнитной лентой, записывает и считывает с нее информацию, называется накопителем на

магнитной ленте (НМЛ). Употребляется также английское название этого устройства —

стример. Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном

диске (НМД), или дисководом. С оптическими дисками работает оптический дисковод.

Теперь — о принципах организации информации. Изучив базовый курс, ученики

должны будут узнать, что

1) компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации);

символьными, числовыми, графическими, звуковыми;

2) любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в

двоичном виде.

Сформулированные положения следует сообщить ученикам в данной теме и в

последующих темах к ним возвращаться.

Двоичный вид обозначает то, что любая информация в памяти компьютера

представляется с помощью всего двух символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из

двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления

информации еще называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит

передача и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так: есть

сигнал — единица, нет сигнала — нуль. На магнитных носителях единице соответствует

намагниченный участок поверхности, нулю — не намагниченный.

Организация внутренней памяти. Самостоятельно!

Организация внешней памяти. Информационная структура внешней памяти —

файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является файл. Для

объяснения этого понятия в учебной литературе часто предлагается книжная аналогия: файл —

это аналог наименьшего поименованного раздела книги (параграфа, рассказа). 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

должно быть указано имя файла, в котором она содержится; сохранение информации

производится в файле с конкретным именем.

Надо сказать, что понятие файла усваивается детьми постоянно, с накоплением опыта

практической работы на компьютере. В первой прикладной теме — работа с текстом, им

предстоит самим сохранять файлы, открывать файлы. И только после этого представление о

файлах из абстрактного превратится в конкретное.

На магнитные носители информация записывается (и считывается) с помощью

магнитной головки накопителя, подобно бытовому магнитофону. Линия, по которой магнитная

головка контактирует с магнитной поверхностью носителя, называется дорожкой. На ленте

дорожки продольные (прямые), на диске -круговые. Магнитная головка дисковода подвижная.

Она может перемещаться вдоль радиуса диска. При таком перемещении происходит переход с

одной дорожки на другую.

Книжная аналогия помогает понять ученикам назначение корневого каталога диска —

его своеобразного оглавления. Это список, в котором содержатся сведения о файлах на диске;

иногда его называют директорией диска. В каталоге содержатся сведения о файле (имя, размер

в байтах, дата и время создания или последнего изменения). Эта информация всегда хранится

на определенных дорожках. Если список файлов вывести на экран, то, подобно просмотру

оглавления книги, из него можно получить представление о содержимом диска.

Архитектура персонального компьютера (ПК). Самостоятельно проработать

материал и представить его графически (схемы, рисунки, таблицы

Видеосистема персонального компьютера. В учебнике [Семакин] дается описание

состава и принципов работы технических средств компьютерной графики. Следует напомнить

учащимся, что при первом знакомстве с устройством компьютера говорилось о том, что

работой каждого внешнего устройства ПК управляет специальный контроллер. Основным

устройством вывода графических изображений является дисплей. Работой дисплея управляет

видеоконтроллер. Употребляется также другой термин для обозначения этого устройства —

видеоадаптер; в комплекте устройств ПК его еще называют видеокартой.

Основные представления об устройстве дисплея, которые должны извлечь ученики из

этого материала: дискретная (пиксельная) структура экрана; сетка пикселей (растр);

сканирование растра электронным лучом; частота сканирования; трехцветная структура

пикселя цветного монитора. Данный материал изобилует физическими понятиями:

электронный луч, люминесценция, смешение трех базовых цветов. Эти понятия относятся к

областям электроники и физической оптики, еще не знакомым ученикам из курса физики. Не

следует долго и подробно задерживаться на этих вопросах. Вполне достаточно того

описательного уровня объяснения, который приведен в учебнике. Впоследствии в старших

классах на уроке физики ученики подробно узнают о сути данных физических явлений. Первое

же знакомство с ними на уроке информатики станет своеобразной пропедевтикой и, кроме того,

хорошей иллюстрацией системности научных знаний.

Материал данного раздела позволяет «заглянуть внутрь» видеоконтроллера. Как и

раньше, это знакомство происходит на уровне архитектуры, т. е. не изучаются вопросы

технической реализации, а дается лишь функциональное описание. С этой точки зрения

видеоконтроллер состоит из двух частей: видеопамяти и дисплейного процессора. Ученикам

следует дать представление о роли этих устройств в процессе получения изображения на

экране.

Основной универсальный для ЭВМ принцип заключается в том, что компьютер работает

с информацией, хранящейся в его памяти в двоичном виде. Следовательно, всякое изображение

на экране _ это отражение информации в памяти ЭВМ — видеоинформации. Первоначально

видеоинформация формируется в оперативной памяти (при открытии графического файла, при

рисовании в графическом редакторе). Вывод на экран происходит в результате передачи

видеоинформации контроллеру монитора: информация записывается в видеопамять и сразу же

воспроизводится на экране, вследствие непрерывной работы дисплейного процессора

управляющего работой монитора. Таким образом, видеопамять является своеобразным

буфером между ОЗУ и дисплеем. Смена «картинки» на экране является следствием смены

содержимого видеопамяти. Ученики должны понять, что система вывода на экран работает

совершенно одинаково, не зависимо от того, какого рода информация выводится: текст ли это,

неподвижный рисунок или анимация.

В качестве устройства ввода изображения с листа в компьютерную память используется

сканер. Следует подчеркнуть взаимообратную функцию системы вывода изображения на экран

и системы ввода изображения с помощью сканера.

Изучение архитектуры ЭВМ на учебных моделях. Основные идеи архитектуры ЭВМ

были сформулированы в конце 40-х гг. XX в. Джоном фон Нейманом. Эти идеи принято

называть принципами Неймана. К их числу относятся:

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).

Изучение архитектуры ЭВМ в базовом курсе информатики фактически сводится к

раскрытию перечисленных принципов. Первые четыре принципа уже присутствовали в

рассмотренном ранее материале.

Как уже было сказано, представление пользователей об архитектуре ЭВМ может иметь

разный уровень глубины. Наиболее глубокие знания архитектуры требуются программистам.

Как любой школьный предмет курс информатики наряду с другими педагогическими задачами

должен выполнять и профориентационную задачу. Профессия программиста в наше время

является достаточно популярной и престижной. Именно программистами созданы все

существующие средства системного и прикладного программного обеспечения ЭВМ.

Знание принципов 5 и 6 из перечисленного списка необходимы профессиональному

программисту. В любом случае, знакомство с ними углубляет фундаментальную компоненту

содержания базового курса.

Было бы слишком сложно в рамках базового курса изучать эти вопросы в полном

объеме на примере реальной ЭВМ. Поэтому в ряде учебников информатики используется

следующий методический прием: рассматривается некоторая упрощенная модель реального

компьютера. Так напзываемая модель учебного компьютера (УК). К числу таких моделей

относятся: «Кроха» из учебника А. Г. Гейна и др. (1992 года), «Малютка» из учебника тех же

авторов 1998 года]; ToyCom из пакета учебного ПО фирмы БИТ. В учебниках А. П. Ершова и

А. Г. Кушниренко также рассматривается упрощенная модель работы процессора с

архитектурой типа РDР-11. Учебный компьютер с архитектурой процессора типа Intel описан и

реализован Е.А. Ереминым. В учебнике И. Г. Семакина и др. введена модель учебного

компьютера, которая носит название «Нейман». Этим названием авторы хотели подчеркнуть

тот факт, что архитектура данной модели полностью соответствует принципам Неймана. Для

любого варианта учебных компьютеров можно предложить общую методическую схему их

использования в базовом курсе информатики.

1. Определить назначение учебного компьютера.

2. Определить структуру оперативной памяти

3. Описать способ внутреннего представления данных

4. Описать структуру команды процессора.

5- Описать систему команд.

Согласно принципам Неймана в систему команд процессора должны входить

следующие типы команд:

— арифметические и логические команды:, выполняют четыре действия арифметики и

некоторые логические операции;

— команды внутренней пересылки данных:, позволяют перемещать полностью

машинные слова или байты из одного места памяти в другое;

— команды передачи управления:, служат для определения порядка выполнения команд

программы (условные и безусловные переходы);

— команды ввода-вывода: служат для организации обмена данными между оперативной

памятью и внешними устройствами.

6. Привести пример простейшей линейной программы на языке машинных команд

учебного компьютера.

7. Описать структуру процессора учебного компьютера.

В состав любого процессора входят три основных составляющих:

— АЛУ — арифметико-логическое устройство: блок, выполняющий арифметические и

логические команды программы;

- УУ — устройство управления: управляет работой компьютера по заданной программе;

— регистры процессорной памяти: служат для размещения всей необходимой

информации для выполнения очередной команды.

8. Описать алгоритм работы процессора.