Методическое пособие для выполнения практической работы по теме: "Знакомство с ПК. Архитектура компьютера. Принципы фон Неймана. Логические узлы компьютера"

Разработал преподаватель ГБПОУ КК СМТТ

Конарев В.А.

2016 год

«Информатика и ИКТ»

Тема: Знакомство с ПК. Архитектура компьютера. Принципы фон Неймана. Логические узлы компьютера. Выполнение программы

Цель: Ознакомиться с понятием архитектуры, с аппаратным обеспечением персонального компьютера, принципами фон Неймана, логическими узлами компьютера. Выполнение интерактивных заданий и компьютерного теста по теме.

Подготовка к работе: Изучить теоретический материал и конспект лекций по теме

  Краткие теоретические сведения.

На бытовом уровне термин «архитектура» у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра. В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие «архитектура ЭВМ» (электронно-вычислительная машина) уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века. Для того чтобы разобраться в том, каким образом происходит выполнение программ, сценариев на компьютере, необходимо в первую очередь знать, как устроена работа каждой из его составляющих. Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

 Введение

Со­вре­мен­ную об­ра­бот­ку ин­фор­ма­ции невоз­мож­но пред­ста­вить без та­ко­го устрой­ства, как ком­пью­тер. Его сле­ду­ет рас­смат­ри­вать, как со­во­куп­ность двух со­став­ля­ю­щих:

• ап­па­рат­ной части (hardware);

• про­грамм­ной части (software, soft).

Также ап­па­рат­ную часть ино­гда на­зы­ва­ют «же­ле­зо».

Ар­хи­тек­ту­ра ком­пью­те­ра – это его устрой­ство и прин­ци­пы вза­и­мо­дей­ствия его ос­нов­ных эле­мен­тов – ло­ги­че­ских узлов, среди ко­то­рых ос­нов­ны­ми яв­ля­ют­ся про­цес­сор, внут­рен­няя па­мять (ос­нов­ная и опе­ра­тив­ная), внеш­няя па­мять и устрой­ства вво­да-вы­во­да ин­фор­ма­ции (пе­ри­фе­рий­ные) (Рис. 1).

Рис. 1. Услов­ная мо­дель струк­ту­ры ар­хи­тек­ту­ры ЭВМ (Ис­точ­ник)

Прин­ци­пы, ле­жа­щие в ос­но­ве ар­хи­тек­ту­ры ЭВМ, были сфор­му­ли­ро­ва­ны в 1945 году Джо­ном фон Ней­ма­ном, ко­то­рый раз­вил идеи Чарль­за Беб­би­джа, пред­став­ляв­ше­го ра­бо­ту ком­пью­те­ра как ра­бо­ту со­во­куп­но­сти устройств: об­ра­бот­ки, управ­ле­ния, па­мя­ти, вво­да-вы­во­да.

Прин­ци­пы фон Ней­ма­на.

1. Прин­цип од­но­род­но­сти па­мя­ти. Над ко­ман­да­ми можно вы­пол­нять такие же дей­ствия, как и над дан­ны­ми.

2. Прин­цип ад­ре­су­е­мо­сти па­мя­ти. Ос­нов­ная па­мять струк­тур­но со­сто­ит из про­ну­ме­ро­ван­ных ячеек; про­цес­со­ру в про­из­воль­ный мо­мент вре­ме­ни до­ступ­на любая ячей­ка. От­сю­да сле­ду­ет воз­мож­ность да­вать имена об­ла­стям па­мя­ти, так чтобы к хра­ня­щим­ся в них зна­че­ни­ям можно было бы впо­след­ствии об­ра­щать­ся или ме­нять их в про­цес­се вы­пол­не­ния про­грам­мы с ис­поль­зо­ва­ни­ем при­сво­ен­ных имен.

3. Прин­цип по­сле­до­ва­тель­но­го про­грамм­но­го управ­ле­ния. Пред­по­ла­га­ет, что про­грам­ма со­сто­ит из на­бо­ра ко­манд, ко­то­рые вы­пол­ня­ют­ся про­цес­со­ром ав­то­ма­ти­че­ски друг за дру­гом в опре­де­лен­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти.

4. Прин­цип жест­ко­сти ар­хи­тек­ту­ры. Неиз­ме­ня­е­мость в про­цес­се ра­бо­ты то­по­ло­гии, ар­хи­тек­ту­ры, спис­ка ко­манд.

Ком­пью­те­ры, по­стро­ен­ные на прин­ци­пах фон Ней­ма­на, имеют клас­си­че­скую ар­хи­тек­ту­ру, но, кроме нее, су­ще­ству­ют дру­гие типы ар­хи­тек­ту­ры. На­при­мер, Гар­вард­ская. Ее от­ли­чи­тель­ны­ми при­зна­ка­ми яв­ля­ют­ся:

• хра­ни­ли­ще ин­струк­ций и хра­ни­ли­ще дан­ных пред­став­ля­ют собой раз­ные фи­зи­че­ские устрой­ства;

• канал ин­струк­ций и канал дан­ных также фи­зи­че­ски раз­де­ле­ны.

В ис­то­рии раз­ви­тия вы­чис­ли­тель­ной тех­ни­ки ка­че­ствен­ный ска­чок про­ис­хо­дил при­мер­но каж­дые 10 лет. Такой ска­чок свя­зы­ва­ет с по­яв­ле­ни­ем но­во­го по­ко­ле­ния ЭВМ. Идея де­лить ма­ши­ны по­яви­лась по при­чине того, что за время ко­рот­кой ис­то­рии сво­е­го раз­ви­тия ком­пью­тер­ная тех­ни­ка про­де­ла­ла боль­шую эво­лю­цию как в смыс­ле эле­мент­ной базы (лампы, тран­зи­сто­ры, мик­ро­схе­мы и др.), так и в смыс­ле из­ме­не­ния ее струк­ту­ры, по­яв­ле­ния новых воз­мож­но­стей, рас­ши­ре­ния об­ла­стей при­ме­не­ния и ха­рак­те­ра ис­поль­зо­ва­ния. Более по­дроб­но все этапы раз­ви­тия ЭВМ по­ка­за­ны на Рис. 2. Для того чтобы по­нять, как и по­че­му одно по­ко­ле­ние сме­ня­лось дру­гим, необ­хо­ди­мо знать смысл таких по­ня­тий, как па­мять, быст­ро­дей­ствие, сте­пень ин­те­гра­ции и т. д.

Рис. 2. По­ко­ле­ния ЭВМ (Ис­точ­ник)

Среди ком­пью­те­ров не клас­си­че­ской, не фон Ней­ма­нов­ской ар­хи­тек­ту­ры, можно вы­де­лить так на­зы­ва­е­мые ней­ро­ком­пью­те­ры. В них мо­де­ли­ру­ет­ся ра­бо­та кле­ток го­лов­но­го мозга че­ло­ве­ка, ней­ро­нов, а также неко­то­рых от­де­лов нерв­ной си­сте­мы, спо­соб­ных к об­ме­ну сиг­на­ла­ми.

Каж­дый ло­ги­че­ский узел ком­пью­те­ра вы­пол­ня­ет свои функ­ции. Функ­ции про­цес­со­ра (Рис. 3):

- об­ра­бот­ка дан­ных (вы­пол­не­ние над ними ариф­ме­ти­че­ских и ло­ги­че­ских опе­ра­ций);

- управ­ле­ние всеми осталь­ны­ми устрой­ства­ми ком­пью­те­ра.

Рис. 3. Цен­траль­ный про­цес­сор ком­пью­те­ра (Ис­точ­ник)

Про­грам­ма со­сто­ит из от­дель­ных ко­манд. Ко­ман­да вклю­ча­ет в себя код опе­ра­ции, ад­ре­са опе­ран­дов (ве­ли­чин, ко­то­рые участ­ву­ют в опе­ра­ции) и адрес ре­зуль­та­та.

Вы­пол­не­ние ко­ман­ды де­лит­ся на сле­ду­ю­щие этапы:

·                    вы­бор­ку ко­ман­ды;

• фор­ми­ро­ва­ние ад­ре­са сле­ду­ю­щей ко­ман­ды;

• де­ко­ди­ро­ва­ние ко­ман­ды;

• вы­чис­ле­ние ад­ре­сов опе­ран­дов;

• вы­бор­ку опе­ран­дов;

• ис­пол­не­ние опе­ра­ции;

• фор­ми­ро­ва­ние при­зна­ка ре­зуль­та­та;

• за­пись ре­зуль­та­та.

Не все из эта­пов при­сут­ству­ют при вы­пол­не­нии любой ко­ман­ды (за­ви­сит от типа ко­ман­ды), од­на­ко этапы вы­бор­ки, де­ко­ди­ро­ва­ния, фор­ми­ро­ва­ния ад­ре­са сле­ду­ю­щей ко­ман­ды и ис­пол­не­ния опе­ра­ции имеют место все­гда. В опре­де­лен­ных си­ту­а­ци­ях воз­мож­ны еще два этапа:

• кос­вен­ная ад­ре­са­ция;

• ре­ак­ция на пре­ры­ва­ние.

 Опе­ра­тив­ная па­мять (Рис. 4) устро­е­на сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

• прием ин­фор­ма­ции от дру­гих устройств;

• за­по­ми­на­ние ин­фор­ма­ции;

• пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции по за­про­су в дру­гие устрой­ства ком­пью­те­ра.

Рис. 4. ОЗУ (Опе­ра­тив­ное за­по­ми­на­ю­щее устрой­ство) ком­пью­те­ра (Ис­точ­ник)

В ос­но­ве ар­хи­тек­ту­ры со­вре­мен­ных ЭВМ лежит ма­ги­страль­но-мо­дуль­ный прин­цип (Рис. 5). Мо­дуль­ный прин­цип поз­во­ля­ет ком­плек­то­вать нуж­ную кон­фи­гу­ра­цию и про­из­во­дить необ­хо­ди­мую мо­дер­ни­за­цию. Он опи­ра­ет­ся на шин­ный прин­цип об­ме­на ин­фор­ма­ци­ей между мо­ду­ля­ми. Си­стем­ная шина или ма­ги­страль ком­пью­те­ра вклю­ча­ет в себя несколь­ко шин раз­лич­но­го на­зна­че­ния. Ма­ги­страль вклю­ча­ет в себя три мно­го­раз­ряд­ные шины:

• шину дан­ных;

• шину ад­ре­са;

• шину управ­ле­ния.

Рис. 5. Ма­ги­страль­но-мо­дуль­ный прин­цип по­стро­е­ния ПК (Ис­точ­ник)

Шина дан­ных ис­поль­зу­ет­ся для пе­ре­да­чи раз­лич­ных дан­ных между устрой­ства­ми ком­пью­те­ра; шина ад­ре­са при­ме­ня­ет­ся для ад­ре­са­ции пе­ре­сы­ла­е­мых дан­ных, то есть для опре­де­ле­ния их ме­сто­по­ло­же­ния в па­мя­ти или в устрой­ствах ввода/вы­во­да; шина управ­ле­ния вклю­ча­ет в себя управ­ля­ю­щие сиг­на­лы, ко­то­рые слу­жат для вре­мен­но­го со­гла­со­ва­ния ра­бо­ты раз­лич­ных устройств ком­пью­те­ра, для опре­де­ле­ния на­прав­ле­ния пе­ре­да­чи дан­ных, для опре­де­ле­ния фор­ма­тов пе­ре­да­ва­е­мых дан­ных и т. д.

Такой прин­цип спра­вед­лив для раз­лич­ных ком­пью­те­ров, ко­то­рые можно услов­но раз­де­лить на три груп­пы:

• ста­ци­о­нар­ные;

• ком­пакт­ные (но­ут­бу­ки, нет­бу­ки и т. д.);

• кар­ман­ные (смарт­фо­ны и пр.).

В си­стем­ном блоке ста­ци­о­нар­но­го ком­пью­те­ра или в кор­пу­се ком­пакт­но­го на­хо­дят­ся ос­нов­ные ло­ги­че­ские узлы – это ма­те­рин­ская плата с про­цес­со­ром, блок пи­та­ния, на­ко­пи­те­ли внеш­ней па­мя­ти и т. д.

Задание. Выполнение практических заданий и компьютерное тестирование в обучающей программе «Учебник компьютерной грамотности».

1. Найти на Рабочем столе значок программы «Учебник компьютерной грамотности» и запустить программу.

2. После запуска нажать кнопку Далее, в правом нижнем углу окна программы.

3. В появившемся окне выбрать тему «Знакомство с ПК».

4. Ознакомиться с теоретическим материалом.

5. Выполнить интерактивные практические задания по теме.

6. Пройти проверочный тест по теме (критерии оценивания: менее 70% правильных ответов – оценка «2». 70-84% правильных ответов – оценка «3». 85-95% правильных ответов – оценка «4». 96-100% правильных ответов – оценка «5».

Окно программы «Учебник компьютерной грамотности»

Проверочный тест

Теория

Интерактивные практические задания

Интерактивные практические задания

Проверочный тест по теме

Перечень учебных изданий, дополнительной литературы для студентов:

1. Цветкова М.С., Великович Л.С. Информатика и ИКТ: учебник. – М.: Астафьева Н.Е., Гаврилова С.А., Цветкова М.С. Информатика и ИКТ М.: 2014:

2. Практикум для профессий и специальностей технического и социально- экономического профилей / под ред. М.С. Цветковой. – М.: 2014

3. Малясова С. В., Демьяненко С. В. Информатика и ИКТ: Пособие для подготовки к ЕГЭ /Под ред. М.С. Цветковой. – М.: 2013

4. Цветкова М.С., Хлобыстова И.Ю. Информатика и ИКТ: Практикум для профессий и специальностей естественно-научного и гуманитарного профилей. – М.: 2014

5. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник 10-11 кл. 2014.

6. Угринович Н.Д. и др. Практикум по информатике и информационным технологиям 10–11 кл. – М., 2014.