Теоретическая часть

В школьном курсе информатики и ИКТ устройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера.

Основы архитектуры ЭВМ установил в конце 1940 годов выдающийся американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман. В конце второй мировой войны он участвовал в создании первойламповой ЭВМ ENIAC и разработал принципы построения вычислительных машин, описав их со своими соавторами Г. Голдстайном и А. Берксом в статье: «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно‐вычислительного устройства». Эти принципы принято так же называть принципами фон Неймана. К ним относятся:

1. Состав и структура однопроцессорной ЭВМ.

2. Использование двоичной системы счисления в машинной арифметике.

3. Адресуемость памяти ЭВМ.

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 первых ЭВМ для представления данных использовали десятичный код, а программа задавалась путем установки вручную проводных перемычек и переключателей на специальной коммутационной панели. Для машины ENIAC эта процедура занимала несколько дней, в то время как собственно счёт выполнялся всего лишь несколько минут, но и за это время успевало перегореть несколько электронных ламп! В те времена срок службы электронных ламп составлял около 1000 часов, а их в машине 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 центральный процессор;

оперативная память;

внешняя память;

устройства ввода и вывода информации.

Схема архитектуры такой ЭВМ показана на рис. 7.1.

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.

Все устройства ПК связаны между собой каналами передачи информации. Извне информация поступает в ПК через устройства ввода и затем попадает во внутреннюю память(оперативную память или кєш-память). Если необходимо длительно хранить информацию, то из внутренней памяти её переписывают во внешнюю – на магнитные или оптические носители. Сама обработка информации осуществляется процессором, при этом он осуществляет двустороннюю непрерывную связь с внутренней памятью: извлекает исходные данные, туда же помещает результаты обработки. Информация из внутренней памяти может быть передана через устройства вывода вовне – человеку или другому компьютеру.

Структурную схему ПК можно представить через информационные потоки, т.е. с точки зрения маршрута движения информации в компьютере. Такая схема приведена на рис. 7.2. Она показывает направления (цели) процессов информационного обмена в компьютере.

Рис. 7.2. Структура персонального компьютера и направления информационных потоков

Обратите внимание на два важных момента:

1) Когда информация поступает в компьютер, то результатом её ввода является запись данных в оперативную память. На устройство вывода информация выводится тоже из оперативной памяти. Поэтому нельзя ввести данные непосредственно во внешнюю память, минуя внутреннюю.

2) Для решения любой задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы с ними. Данные и программа должны быть представлены в определённой форме, которая понятна компьютеру. Они заносятся во внутреннюю память, после чего компьютер переходит к выполнению программы. Таким образом, компьютер является формальным исполнителем программы. То, что любая работа выполняется компьютером по программе – есть принцип программного управления компьютером, который сводится к трем основным положениям:

· любая работа выполняется компьютером по программе;

· исполняемая в данный момент программа находится в оперативной памяти;

· программа выполняется компьютером автоматически.

Данные – это та информация, которая обрабатывается компьютером по определённой программе.

Быстродействие компьютера определяется его тактовой частотой. Она определяет частоту выполнения вычислительных операций (команд) компьютером. Современные ПК (на 2007 год) имеют тактовую частоту до 4 ГГц. Специализированные компьютеры могут иметь тактовую частоту на порядок выше.

Запоминающие устройства компьютера подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренняя память(ПЗУ, ОЗУ, кєш-память) построена на электронных элементах – микросхемах. Она хранит информацию только при наличии электропитания.

К запоминающих устройств компьютера относятся также внешние средства хранения информации - магнитные и оптические диски, магнитные ленты.

Архитектура персонального компьютера может быть представлена схемой с общей шиной. Такая архитектура ещё имеет другое название – магистральная архитектура. Она показана на рисунке и дополняет схему на рисунке.

На этой схеме не указан винчестер – устройство внешней памяти. Широкие стрелки от монитора, дисковода, клавиатуры и принтера обозначают контроллеры – устройства, обеспечивающие сопряжение монитора, клавиатуры, дисковода, принтера и других внешних устройств с процессором через шину. Она представляет собой многопроводную электрическую магистраль, по которой передаются электрические сигналы. Таким образом, все информационные потоки идут через шину. Процессор через соответствующий контроллер управляет всеми внешними устройствами.

Рис. 7.3. Шинная архитектура персонального компьютера

IBM‐совместимых персональных компьютеров является открытой, т.е. позволяет легко изменять их конфигурацию путем добавления или замены устройств и, тем самым, делать изменение и наращивание параметров компьютера в зависимости от потребностей конкретного пользователя.

Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется

через информационную магистраль (другое название - общая шина). Магистраль - это кабель, состоящий из совокупности проводников. По одной группе проводников {шина данных) передаются данные, которые обрабатываются, по другой {шина адреса) - адреса полей внутренней памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Существует еще третья часть магистрали - шина управления, по которой передаются сигналы управления (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал на

начало работы устройства и т.п.). Количество битов, передаваемых через

шину одновременно через параллельные проводники, называется разрядностью

шины (разрядностью компьютера). Любая информация, передаваемая

от процессора к другим устройствам через шину данных, сопровождается

адресом, который передается через адресную шину (как письмо сопровождается

адресом на конверте). Это может быть адрес поля запоминающего пространства в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллеры (от англ. To control - управлять) монтируются на отдельных платах, которые называют адаптерами. На одной плате могут размещаться контроллеры одного или нескольких внешних устройств. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство могло принять этот сигнал и

правильно отреагировать на него. Далее устройство работает независимо от

процессора под управлением контроллера. Набор внешних устройств компьютера можно изменять, и такой набор модулей может быть произвольным.

Программное управление работой внешнего устройства производится через программу-драйвер, которая является компонентой операционной системы.

Итак, для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо использовать соответствующий контроллер (установить его к системному блоку) и загрузить в памяти компьютера соответствующий драйвер.

В состав современного компьютера входит системный блок и устройства ввода / вывода,

подсоединяются к системному блоку. Кроме того, в специальные разъемы (Слоты) на системной (материнский) плате могут устанавливаться контроллеры (специальные микросхемы) дополнительных периферийных устройств (внутренний модем, сканер, плоттер, дигитайзер и др.)., к которым по кабелю подключаются соответствующие внешние устройства. Таким образом, подключение новых устройств (модулей) компьютера расширяет его функциональные возможности.

Основные принципы функционирования компьютера:

1. Принцип двоичного кодирования данных и программы: сообщение любого типа и программы в оперативном запоминающем устройства подаются с помощью двоичных кодов в порядке наборов нулей и единиц.

2. Принцип программного управления работой компьютера заключается в том, что все арифметико-логические и управляющие операции в компьютере осуществляются по программам, которые хранятся в оперативной памяти.

3. Принцип адресности состоит в том, что данные и программы находятся в отдельных полях пространства для хранения кодов сообщений (ячейках, регистрах) в оперативном запоминающем устройства. Каждое поле имеет свой адрес - место его нахождения в общем пространстве для хранения кодов сообщений (внутренней памяти). При обработке информации процессор выбирает данные и программы из памяти по конкретным адресам их нахождения. Эти адреса пересылаются к процессору через специальную шину адресов, а данные направляются в запоминающие устройства или к процессору через шину данных. Управляющие сигналы поступают от процессора к периферийным устройствам и

запоминающих устройств через шину управления (рис. 2.5).

4. Магистрально-модульный принцип, который заключается в том, что к информационной магистрали компьютера (шины) могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение внутренней памяти, замена микропроцессора на более мощный.

Методическая схема

Заданиям смысловой линии «Компьютер и его составляющие» является начальным ознакомлением учеников с составными частями компьютера, их назначением, а также применением компьютеров, в разных сферах современного информационного общества. Сначала (2-й класс) предлагается продемонстрировать ученикам основные составляющие компьютера, такие как системный блок, клавиатура и мышь, монитор и принтер, сообщить об их назначении, произвести навыки использования мыши и клавиатуры с помощью программ-тренажеров и развивающих программ. На втором этапе (3-й класс) предусматривается обзорное ознакомление учеников с памятью и процессором, как устройствами, которые обеспечивают хранение и проработку данных, то есть реализацию информационных процессов с использованием компьютера. На следующих этапах, работая с разными программами, ученики закрепляют знание о составляющих компьютера и расширяют представление об отраслях его приложения для проработки информационных данных. вводить буквы, цифры и знаки препинаний, из клавиатуры, а на конец курса ученики должны достичь определенной скорости в клавиатурном введении данных. Для этого необходимо предусмотреть систематическую работу учеников с клавиатурным тренажером, развивающими и учебными программами при организации практической составляющей урока. В 2-ом классе важно научить детей правильно и быстро.

Процесс формирования понятия компьютера можно разделить на следующие основные этапы, каждый из которых имеет свои задачи:

1. Первоначальное ознакомление с понятием компьютера.

2. Изучение функциональной структуры компьютера, назначение основных устройств, формирование представлений о принципах их действия.

3. Работа на персональном компьютере. Техника безопасности при роботе с компьютером. 4. Основные принципы функционирования компьютера.

5. Основные области применения компьютера. На первом этапе необходимо систематизировать и обобщить знания учеников об компьютер, которые они получили из различных информационных источников. При формировании представлений о компьютере следует исходить из того, что они должны быть связанными с понятиями информации и алгоритма. Именно этот этап уже с самого начала дает возможность совместить три основные понятия курса - информация, алгоритм, компьютер. На уроке учителю следует использовать беседу, построенную на частично- поисковой основе, которую можно начать с попытки сравнить компьютер с любым устройством, предназначенным для обработки некоторой сырья, например мясорубки. На первый взгляд это совершенно несравнимы вещи, но, с другой стороны, сравнение именно с бытовым устройством позволит, опираясь на ассоциативное мышление учащихся, определить существенные признаки компьютера. Беседу можно построить таким образом. Чтобы получить нужный результат при использовании бытового устройства, необходимо к нему через специально приспособлен для этого устройство вложить некоторую сырье. Затем сырье следует переделать разными способами (механически или с помощью электроэнергии), что зависит от человека, который работает с сырьем (используя различные ножи для обработки: для мяса - один, для картофеля - другой, для теста - третий). Причем сырье перед обработкой необходимо подготовить и подать в определенном виде (например, мясо порезать на куски и вырезать из него кости, лук почистить и т.п.), то есть в подготовленном для использования в устройстве виде. В результате обработки вложенной в устройства сырья обретаем ту же сырье, однако обработанную, и в таком виде через специальное устройство она выводится для дальнейшего использования. Аналогичные процессы происходят и в компьютере, только за его помощью можно обрабатывать сообщения (коды сообщений), которые сначала следует ввести к компьютеру. Сообщение при этом должны быть поданы в определенном виде, чтобы компьютер мог их проработать. В результате этого (тип обработки также зависит от человека, который указывает, как именно при решении конкретной задачи следует проработать сообщение) получаются новые сообщения, которые человек может использовать далее. Целесообразно привести примеры обработки сообщений, в которых обращается внимание на то, с чего начиналось проработки - входные данные, и что получили после обработки - выходные данные. Практика свидетельствует, что понятие компьютера при этом усваивается сознательно и ученики легко и свободно объясняют его функциональное назначение, указывают устройства, без наличия которых компьютер не будет работать правильно.

Еще один типичный методический приёмом в этом случае является показ аналогии компьютера с человеком, что иллюстрирует следующая таблица. При изучении таблицы учащимся можно предложить задание – дополнить таблицу своими примерами.

Важно также, чтобы ученики сразу сознательно пользовались понятием компьютера. Для этого целесообразно выделить существенные признаки компьютера, каждую из которых, по возможности, проиллюстрировать на конкретных примерах.

1. Компьютер - достаточно сложное электронное устройство, которое состоит из некоторой совокупности взаимосвязанных и взаимодействующих электронных устройств, каждый из которых выполняет свои функции, то есть компьютер - это система устройств.

2. Компьютер способен автоматически, без вмешательства человека, с большой скоростью обрабатывать сообщение по заранее введенными в его запоминающих устройств правилам, совокупность которых называют программой.

3. Компьютер может обрабатывать разные (но не все) сообщения, которые поступают через соответствующие устройства ввода превращают сообщение на совокупность электрических сигналов, которые в соответствии фиксируются в памяти компьютера.

4. Компьютер может запоминать в специальных устройствах (внешних и внутренних) как входящие, так и сообщения получаемые после обработки.

5. Проработаны сообщение компьютер может выдавать в разной форме через соответствующие устройства вывода в виде рисунков, графики, текстов, электрических сигналов, звуковых сообщений
и т.д.
6. Компьютер может работать только по правилам (программами), которые заранее были разработаны и введены в запоминающих устройств компьютера человеком.

Выделены основные существенные признаки компьютера позволяют быстро и четко определить назначение основных устройств, составить представления о сферы применения компьютера, о различных типах компьютеров, о целесообразность использования того или иного типа компьютера в зависимости от круг задач, решаемых с его помощью и от условий, в которых он эксплуатируется.
Ученики должны усвоить, что:
1) компьютер работает с такими видами сообщений: символьными, числовыми, графическими, звуковыми;
2) любая информация в памяти компьютера подается в виде двоичного кода. Двоичный код означает, что информация в памяти компьютера подается с помощью лишь двух символов: нуля и единицы. В электронных элементах компьютера происходит передачи и преобразования электрических сигналов. Двоичные символы рассуждают так: есть сигнал - единица, нет сигнала - ноль.
На магнитных носителях единицы соответствует намагничена участок поверхности, нулю - ненамагниченый.
После выделения существенных признаков компьютера целесообразно объяснить, что слово компьютер в переводе означает вычислитель. Такой термин возник тогда, когда эти электронные устройства по своими возможностями могли обрабатывать только числовую информацию, то есть они в основном использовались для выполнения вычислений - операций над числами. Со временем технические характеристики компьютера совершенствовались, что привело к расширение возможностей его использования по обработке разных сообщений - текстовых, графических, звуковых и др. Именно поэтому с научной точки зрения такое устройство правильно называть иинформационной системой. В такой системе можно выделить две части:
аппаратную и информационную. В информационной части входят программы по которым работает компьютер, и различные наборы данных (рис. 2.1).
Вполне логично далее переходить к ознакомления с аппаратной составляющей.
Современный компьютер доступен практически каждому. Эта доступность обусловлена тем, что компьютер оснащен мощным программным обеспечением. Если пользователю необходимо выполнить некую работу на компьютере, то он должен найти и выбрать нужную для решения таких задач программу из программного обеспечения, обработать ее при помощью нужны данные, получить результаты и проанализировать их. Таким
образом, использование компьютера человеком происходит по схеме:
задача - выбор и инициализация программы - работа - анализ полученных результатов.
Слово задача в этом контексте означает любую информационную потребность пользователя, которую можно удовлетворить с помощью компьютера: создать текстовый документ, подготовить иллюстрации, выполнить
вычисления, получить справку, принять и отправить почту и т.д.
В дальнейшем учителю необходимо обращать внимание на то, чтобы ученики четко понимали с помощью каких программных средств, какие информационные задачи можно решать. При этом учащиеся должны научиться различать задачи, которые можно решить с помощью услуг операционной системы, задачи, для решения которых нужно воспользоваться прикладными программами. Например, понимать, что копирование или удаление файлов осуществляется с помощью операционной системы, а редактирования текстового документа - с помощью текстового редактора, т.е. прикладной программы.

В школьном курсе информатики и ИКТ устройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. Описание архитектуры – это такое представление об устройстве и функционировании компьютера, которое достаточно для пользователя, в том числе и программиста. Здесь можно привести аналогию с архитектурой здания, – когда говорят о ней, то отмечают форму здания, его этажность, назначение, но такие подробности как: толщина стен, материал кирпичей, особенности их кладки и т.п., для него не существенны. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера. Как это ни удивительно, архитектура современных компьютеров в основе своей остается неизменной уже более полувека! Такой феномен не часто встретишь даже в обычной архитектуре, где стили и вкусы быстро меняются, тем более с появлением новых строительных материалов. Однако уже сменяется четвертое поколение компьютеров, а принципиальное строение подавляющего большинства из них остается неизменным.

В базовом курсе принята следующая схема раскрытия архитектуры:

•назначение ЭВМ;

•основные устройства, входящие в состав ЭВМ, и выполняемые функции;

•организация внутренней и внешней памяти:

•особенности архитектуры персонального компьютера;

•типы и свойства устройств, входящих в состав персонального компьютера.

Выделенные пункты схемы рассматриваются в начальной школе.

Овладение смысловым линией ≪Компьютер≫ происходит по двум направлениям:

• теоретическое изучение устройства, принципов функционирования и организации данных в компьютере;

• практическое освоение компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных видов работы с информацией.

Изучение правил работы на компьютере целесообразно проводить параллельно с изучением основного материала. При этом обучение работе на компьютере проходит несколько этапов.

Прежде всего необходимо изучить с учениками правила техники безопасности при работе с компьютером. Здесь им разрешается доступ к клавиатуре. Обучать учащихся пользованию любыми другими средствами управления компьютером на этом этапе не следует.

Для изучения назначения клавиш клавиатуры следует использовать клавиатурный тренажер.

При ознакомлении с основными устройствами компьютера целесообразно

вместе с учениками построить соответствующие таблицы для отображения их

основных характеристик.

Ознакомление учащихся с понятием процессора можно начать с его

обобщенного описания. Главное - понимание учащимися назначение этого

устройства и функций.

Рассматривая деление памяти компьютера на внутреннюю и внешнюю, можно остановиться на аналогии – использование человеком памяти. Внутренняя память – это мозг человека, его собственная биологическая память, а внешняя память – это записи на бумаге, «узелки на память» и т.п.

Изложенный выше материал должен изучаться постепенно, к нему учителю следует неоднократно возвращаться по мере изучения работы компьютера. Полезно иметь в кабинете информатики постоянно висящую схему архитектуры компьютера, схему шинной архитектуры и другие.

Имеет продолжение эта линия в 3 классе.

Практическая часть

1. Разработать тематическое планирование для 2-го класса(с указанием соответствующих номеров разделов учебника Рывкинда).

2. Изучить в учебнике для 2 класса уроки 1 -11, 20-24. Найдите в учебнике и запишите ответы на следующие вопросы:

Перечислите основные устройства компьютера.

Перечислите назначения основных устройств компьютера.

Назовите основные группы клавиш.

3. Выполнить в рабочей тетради для 2-го класса задания уроков, связанных с темой «Компьютер и его составляющие». (1-11 уроки, с.20-24).

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 531; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!