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 использвИ вания ими ЭВМ, требуется различный уровень знаний об архитек-Г туре. Наиболее глубокие знания архитектуры компьютера требуюЯ ся программистам, особенно системным программистам. Как же! можно обрисовать диапазон понятий, подходящих под определЦ ние архитектуры ЭВМ? Самый поверхностный уровень — это пЛ нятия об основных устройствах, входящих в состав ЭВМ, и их на значений. Самый глубокий уровень описания архитектуры ЭВМ Щ это описание системы команд процессора (языка машинных кЯ манд), правил работы процессора при выполнении программы.! В учебниках по базовому курсу информатики [2, 4, 6,12, 13,1Я1 принята следующая схема раскрытия архитектуры ЭВМ: вначаяИ ведется разговор о назначении ЭВМ, об основных устройст ва^ входящих в состав компьютера (память, процессор, устройства ввШ да-вывода), и выполняемых ими функциях. Рассказывается танШ об особенностях организации персонального компьютера, о типаИ и свойствах устройств, входящих в состав ПК. В материале, орие|Д тированном на второй год обучения, на примере простой модели ЭВМ раскрывается механизм программного управления работой компьютера. Здесь описывается структура прЬцессора, состав к| I манд процессора, структура программы и алгоритм ее выполнени ■ процессором — цикл работы процессора. Такая методическая схема представляется достаточно обосня I ванной. Обсудим более подробно ее реализацию. ш 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 yflj лублять свои знания об архитектуре компьютера вплоть до получ<Я ния представлений о языке машинных команд, о работе процессов ра. Необходимость таких знаний следует из основной концепщш курса: направленности на фундаментальное, базовое образованная Как правило, в учебниках разъясняются общие понятия архите* I туры без привязки к конкретным маркам ЭВМ. Практическая Я ■ работа на уроках происходит на определенных моделях компьютера* ■ В связи с этим возникает проблема увязки общетеоретических зн«| ■ ний с практикой. Эту проблему должен решать учитель. Вводя общ?! ■ понятия, например объем памяти, разрядность процессора, такт» вая 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 в учебнике [6] используется 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. 9.2). 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 процессо-
ром при непрерывной двусторонней связи с внутренней памям тью: оттуда извлекаются исходные данные, туда же помещаются результаты обработки. Информация из внутренней памяти можвИ быть передана во внешний мир (человеку или другим компьютер! рам) через устройства вывода. Сказанное схематически отображ&Я но на рис. 9.1.
Ш Небольшой комментарий к рис. 9.1. Иногда структурную схемуЯ ЭВМ изображают иначе: информационные потоки, идущие отЯ устройств ввода к устройствам вывода, связывают не с внутрен-Д ней памятью, а с процессором. С точки зрения маршрута движе-1 ния информации в компьютере, это справедливо. Действительной все операции в компьютере, в том числе и ввод-вывод, произво-Ц дятся с участием регистров процессора. Схема на рис. 9.1 отражает! скорее не маршруты, а цели (результаты) процессов информацион-Щ ного обмена в компьютере. Результатом ввода является запись дан-1 ных в оперативную память. На устройства вывода выносится ин-1 формация из оперативной памяти. Из рис. 9.1 ясно видно, что,] например, нельзя ввести данные непосредственно во внешнюю] память, минуя внутреннюю. Именно эти положения должны быть! поняты учениками при изучении работы компьютера. Архитектуру ЭВМ нельзя описывать статично. В сознании уче-1 ников с самого начала необходимо создавать представление о] функционировании компьютера. Для решения любой задачи ком-1 пьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. 1 И данные и программа представляются в определенной форме, 1 «понятной» машине, заносятся во внутреннюю память и затем] компьютер переходит к выполнению программы, т.е. решению 1 задачи. Компьютер является формальным исполнителем программы. I Необходимо подчеркнуть, что любая работа выполняется ком- I пьютером по программе, будь то решение математической зада- 1 чи, перевод текста с иностранного языка, получение рисунков на I 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^ггения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. O6bi4Hq,n3y 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 CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory — компактный диск — только для чтения). 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, уст-
ройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты - I магнитные диски — оптические диски; • объем информации, помещающейся во внешней памяти, больЦ ше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей -т неограничен. Необходимо обращать внимание учеников на точность в исЩ пользуемой терминологии. Ленты, диски — это носители инфор-j мации. Устройство компьютера, которое работает с магнитной лентой, записывает и считывает с нее информацию, называется накопителем на магнитной ленте (НМЛ). Употребляется также анЦ глийское название этого устройства — стример. Устройство чтеЯ ния/записи на магнитный диск называется накопителем на магЩ нитном диске (НМД), или дисководом. С оптическими дисками раЩ ботает оптический дисковод. Он умеет только читать информацию! с CD-ROM. Кроме того, существуют специальные приставки ка компьютеру, позволяющие записывать информацию на «чистый*! оптический диск. Теперь — о принципах организации информации. Изучив базо-1 вый курс, ученики должны будут узнать, что 1) компьютер работает со следующими видами данных (обра-1 батываемой информации): символьными, числовыми, графичесц! кими, звуковыми; 2) любая информация в памяти компьютера (в том числе Щ программы) представляется в двоичном виде. Сформулированные положения следует сообщить ученикам в 1 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 алфа-1 вита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму пред-! ставления информации еще называют битовой формой. В элект-1 ронных элементах компьютера происходит передача и преобразо-1 вание электрических сигналов. Двоичные символы распознаются 1 так: есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль. На магнитных! носителях единице соответствует намагниченный участок поверх-1 ности, нулю — не намагниченный. Организация внутренней памяти. Информационную структуру! внутренней памяти следует представлять как последовательность 1 двоичных ячеек — битов. Схематически такое представление изоб- 1 ражено на рис. 9.2.
Битовая структура внутренней памяти определяет ее первое | свойство: дискретность. Каждый бит памяти в данный момент хра- | нит одно из двух значений: 0 или 1, т.е. один бит информации. | В процессе работы компьютера эти нули и единички «мигают» в 1 ячейках. Можно предложить ученикам такой зрительный образ: 1 представьте себе память компьютера в виде фасада многоэтажно- 1 го дома вечером. В одних окнах горит свет, в других — нет. Окно — это бит памяти. Окно светится — единица, не светится — нуль.' И если все жильцы начнут щелкать выключателями, то фасад будет подобен памяти работающего компьютера, в которой перемигиваются единички и нули. Второе свойство внутренней памяти называется адресуемостью. Но адресуются не биты, а байты — 8 расположенных подряд битов памяти. Адрес байта — это его порядковый номер в памяти. Здесь снова можно предложить аналогию с домом: квартиры в доме пронумерованы; порядковый номер квартиры — ее адрес. Только в отличие от квартир, нумерация которых начинается с единицы, номера байтов памяти начинаются с нуля. Доступ к информации в оперативной памяти происходит по адресам: чтобы записать данные в память, нужно указать, в какие байты ее следует занести. Точно так же и чтение из памяти производится по адресам. Таким способом процессор общается с оперативной памятью. Можно продолжить аналогию с домом: чтобы попасть в нужную квартиру или переслать туда письмо, нужно знать адрес. Итак, информационная структура внутренней памяти — бито-во-байтовая. Ее размер (объем) обычно выражают в килобайтах, мегабайтах. Организация внешней памяти. Информационная структура внеш-ней 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 постепенно, 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 конЧ! кретное. На магнитные носители информация записывается (и считы-щ вается) с помощью магнитной головки накопителя, подобно бы-1 товому магнитофону. Линия, по которой магнитная головка кон-Д тактирует с магнитной поверхностью носителя, называется до-Щ рожкой. На ленте дорожки продольные (прямые), на диске —1 круговые. Магнитная головка дисковода подвижная. Она может пе-1 ремещаться вдоль радиуса диска. При таком перемещении проис-1 ходит переход с одной дорожки на другую. § Книжная аналогия помогает понять ученикам назначение корневого каталога диска — его своеобразного оглавления. Это спи-1 сок, в котором содержатся сведения о файлах на диске; иногда 1 его называют директорией диска. В каталоге содержатся сведения о I файле (имя, размер в байтах, дата и время создания или после-] днего изменения). Эта информация всегда хранится на определен- J ных дорожках. Если список файлов вывести на экран, то, подоб-1 но просмотру оглавления книги, из него можно получить пред-! ставление о содержимом диска. Архитектура персонального компьютера (ПК). Существуют раз-1 личные классы электронно-вычислительных машин: суперЭВМ, 1 большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ. Персональные компью- 1 теры (ПК) относятся к классу микроЭВМ. В абсолютном боль- I шинстве учебных заведений используются ПК. По этой причине 1 ученики прежде всего должны получить представление об устрой- 1 стве персонального компьютера. Структуру ПК, изображенную на рис. 9.3, принято называть 1 архитектурой с общей шиной (другое название — магистральная щ архитектура). Впервые она была применена на мини-ЭВМ тре- 1 тьего поколения, затем перенесена на микроЭВМ и ПК. Ее глав- | ное достоинство — простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств. Отмеченные возможности принято называть принципом открытой архитектуры ПК.
Рис. 9.3, так же как и рис. 9.1, отражает информационное взаимодействие между устройствами, но применительно к персональному компьютеру. Этот рисунок содержит в себе некоторые конструктивные детали, характерные для ПК. В нем присутствует следующая информация: роль центрального процессора в ПК выполняет микропроцессор; в качестве устройства ввода используется клавиатура; устройства вывода — монитор и принтер; устройство внешней памяти — дисковод. Информационная связь между устройствами осуществляется через общую многопроводную магистраль (шину); внешние устройства подсоединены к магистрали через контроллеры (обозначены треугольниками). Необходимо обратить внимание учеников на то, что принципы информационного взаимодействия, отраженные на рис. 9.1, справедливы и для ПК. Таким образом, эти две схемы дополняют друг друга. Можно сказать, что основным устройством ПК является микропроцессор (МП). Это мозг машины. В первую очередь, возможности МП определяют возможности компьютера;8 целом. Для пользователя наиболее важным свойством ЭВМ является ее быстродействие, т.е. скорость обработки информации. ДляЭВМ первых поколений было принято выражать быстродействие компьютера в количестве операций, выполняемых за одну секундуи(опер./с). В те времена компьютеры использовались главным образом для математических расчетов, поэтому имелись в виду арифметические и логические операции. Такая характеристика быстродействия позволяла спрогнозировать время решения математической задачи. На современных компьютерах гораздо более разнообразны типы решаемых задач, виды обрабатываемой информации. Единица «опер./с» сейчас не употребляется. Скорость раШЬл компьютера зависит от целого ряда его характеристик. Важнейшими из них являются две характеристики процессора: тактовая частота и разрядность. Можно использовать аналогию Понятию тактовой частоты с частотой ударов метронома, задающего темп исполнения музыкального произведения. Кстати, эту музыкальную аналогию можно усилить, если сказать о том, что различные устройства компьютера подобны музыкантам ансамбля, исполняющим одно произведение. Своеобразной партитуройздесь является программа, а генератор тактовой частоты задает темп исполнению. Ич чем быстрее он «стучит», тем быстрее работает компьютер, решается задача. Разрядность процессора — это размер той порции информации, которую процессор может обработать за одну операцию (одну команду). Такими порциями процессор обменивается данными с
оперативной памятью. На современных компьютерах чаще всего используются 32- и 64-разрядные процессоры. Фактически раз! рядность тоже влияет на быстродействие, поскольку, чем болыщ| разрядность, тем больший объем информации может обработать процессор за единицу времени. В архитектуре различных типов ПК имеются свои особенное-* ти. Например, в IBM PC между микропроцессором и внутренней! памятью имеется линия прямой связи, помимо общей шины. Кла-j виатура с микропроцессором также связана отдельным каналомj Схема на рис. 9.3 носит упрощенный, обобщенный характер. Щ качестве дополнительной информации учитель может рассказать] об особенностях архитектуры модели школьного ПК, используя дополнительную литературу, например, для IBM PC пособие» [11]. Однако нужно соблюдать меру и не «сваливать сразу на го-, ловы детей» множество технических подробностей. Такую информацию следует давать постепенно, небольшими порциями в течение всего курса. Видеосистема персонального компьютера. В учебнике [6] 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 (рис. 9.4). 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). I 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 глу-1 бокие знания архитектуры требуются программистам. Как любой] школьный предмет курс информатики наряду с другими педаго-| гическими задачами должен выполнять и профориентационнук»! задачу. Профессия программиста в наше время является достаточ-| но популярной и престижной. Именно программистами созданы! все существующие средства системного и прикладного программ-! ного обеспечения ЭВМ. Знание принципов 5 и 6 из перечисленного списка необходимы! профессиональному программисту. В любом случае, знакомство с ни ми углубляет фундаментальную компоненту содержания базового курса.' j Было бы слишком сложно в рамках базового курса изучать! эти вопросы в полном объеме на примере реальной ЭВМ. Поэто-| му в ряде учебников информатики используется следующий ме-| тодический прием: рассматривается некоторая упрощенная мо-1 дель реального компьютера. Будем называть такую модель учебным^ компьютером (УК). К числу таких моделей относятся: «Кроха» из j учебника А. Г. Гейна и др. [12], «Малютка» из учебника [2]; ToyComl из пакета учебного ПО фирмы БИТ. В учебниках А. П. Ершова [15} | и А. Г. Кушниренко [14] также рассматривается упрощенная мо-| дель работы процессора с архитектурой типа PDP-11. Учебный! компьютер с архитектурой процессора типа Intel описан и реали-1 зован Е. А. Ереминым [3]. В учебнике И. Г. Семакина и др. [6] введе-1 на модель учебного компьютера, которая носит название «Нейман». | Этим названием авторы хотели подчеркнуть тот факт, что архитек-1 тура 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. Большинство известных моделей учебных компьютеров пред- j назначены для выполнения арифметических вычислений с целы- \ ми числами! 2. Определить структуру оперативной памяти. Например:; — В УК «Малютка» память содержит 256 12-разрядных ячеек; адреса ячеек изменяются от 0 до FF (в шестнадцатеричной системе). ' — В УК «Нейман» объем памяти — 256 байт; память делится на 64 ячейки по 4 байта (32-разрядные); адреса ячеек изменяются с шагом 4: 0, 4, 8, С,..., FC. 3. Описать способ внутреннего представления данных. Обычно это представление целых чисел в формате с фиксированной точкой. 4. Описать структуру команды процессора. Всякая машинная команда состоит из двух частей: кода операции (КОП) и адресной части. КОП | Адресная часть | В машинной команде может содержаться следующая информация: 1) какая выполняется операция; 2) какие используются операнды; 3) куда поместить результат операции; 4) какую команду выполнять следующей. Ответ на вопрос 1 задается кодом операции — КОП. Ответы на вопросы 2—4 чаще всего определяются указанием адресов памяти, где хранятся операнды, куда помещается результат, где хранится следующая исполняемая команда. В зависимости от структуры адресной части команды процессоры ЭВМ делятся на трехадресные, двухадресные, одноадресные и безадресные (стековые). Например, команда УК «Малютка» имеет одноадресную структуру.
|