Дополнительный материал для углубленного изучения базового курса

Методические рекомендации по изложению теоретического материала

1. Основные понятия, которые вводятся в § 7—9

учебника:

архитектура ЭВМ;

память ЭВМ (оперативная, внешняя);

процессор;

устройства ввода;

устройства вывода;

программа;

данные;

программное управление. О смысле понятия "архитектура ЭВМ" говорилось выше. В тексте § 7 заложен методический прием, кото­рый предлагается использовать при объяснении данно­го материала. Это 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 раньше. Она сводится к умению осуще­ствлять три типа информационных процессов: хране­ние информации; обработку информации; прием-пере­дачу информации, т.е. информационную связь с внеш­ним миром. Значит, в состав устройств компьютера должны входить технические средства для осуществле­ния этих процессов. Они называются: память, процес­сор, устройства ввода и вывода.

Функция	Человек	Компьютер
Хранение информации	Память	Устройства памяти
Обработка 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 двухсторонней связи с внутренней памятью: оттуда извлекаются исходные данные, туда же помещаются результаты обработки. Информация из внутренней памяти может быть пер(у дана во внешний мир (человеку или другим компью­терам) через устройства вывода. Сказанное схемати­чески отображено в учебнике на рис. 2.1".

2. Необходимо объяснить ученикам разницу меж­ду понятиями "данные" и "программа". Как уже было сказано, между различными устройствами компьютера циркулирует информация. Всю эту информацию можно разделить на две разновид­ности: данные и программы. Здесь следует вспом­нить утверждение, которое было сделано в раз­деле "Человек и информация", о том, что все многообразие информации, с которой человек имеет дело, можно поделить на декларативную (я знаю, что...) и процедурную (я знаю, как...). Для компьютера декларативная информация — это данные, а процедурная — это программы. Данные — это информация, которая обрабаты­вается компьютером автоматически в соответствии с программой.

Полезно еще раз использовать прием аналогии между человеком и компьютером. Следует привести какой-нибудь знакомый ученикам пример решения информационной задачи. Вот, например, задача вычислений объема прямоугольного параллелепипеда:

Исходные данные

Три числа: а, Ь, с — длины ребер параллелепипеда

Программа

1. Вычислить площадь основания: S = а • b

2. Вычислить объем: V = S • с

Здесь данными являются пять чисел: а, Ь, с, S, V. Они делятся на исходные данные — а, b, с; промежу­точные S и окончательные (результаты) — V,

Программа состоит из двух команд, которые дол­жен выполнить человек, чтобы решить задачу. И если человек умеет выполнять операцию умножения, то он решит эту задачу, даже, может быть, и не понимая, почему ее надо решать таким образом; т.е. человек будет действовать формально. В таком случае его мож­но назвать формальным исполнителем программы.

Ситуация с компьютером аналогична. Для решения рассмотренной задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. И данные, и программа представляются в определенной форме, "по­нятной" компьютеру, заносятся во внутреннюю память компьютера, и затем компьютер переходит к выполне­нию программы, т.е. решению задачи. Компьютер яв­ляется формальным исполнителем программы.

Необходимо подчеркнуть, что любая работа выпол­няется компьютером по программе, будь то решение математической задачи, перевод текста с иностранного языка, получение рисунков на 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. 3. Знакомство учеников с архитектурой ЭВМ долж­но происходить путем постепенного высвечива­ния того "черного ящика", каким первоначально был для них компьютер. Этот процесс начинает­ся со 2-й главы учебника и продолжается в неко­торых последующих главах. В § 8 "высвечивает­ся" компьютерная память. О делении памяти на внутреннюю и внешнюю уче­ники уже знают. Какие свойства каждого из этих ви­дов памяти им нужно усвоить на данном этапе курса? Следует говорить о двух типах свойств: о физических свойствах и о принципах организации информации.

Внутренняя память

К физическим относятся следующие свойства:

• память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой при­чине внутреннюю память можно назвать энерго­зависимой;

• быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень малень­кое — микросекунды;

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

Быструю энергозависимую внутреннюю память на­зывают оперативной памятью, или ОЗУ — оператив­ным запоминающим устройством.

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 — 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 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 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 — стрим­мер. Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном диске (НМД), или дисководом. С оптическими дисками работает оптический дисковод. Он умеет только чи­тать информацию с CD-ROM. Кроме того, существу­ют специальные приставки к компьютеру, позволяю­щие записывать информацию на "чистый" оптичес­кий диск.

Теперь — о принципах организации информации. Изучив базовый курс, ученики должны будут узнать, что

1) компьютер работает со следующими видами дан­ных (обрабатываемой информации): символь­ным, числовым, графическим, звуковым;

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 — ноль. На магнитных носите­лях единице соответствует намагниченный участок поверхности, нулю — не намагниченный.

Информационную структуру внутренней па­мяти следует представлять как последовательность дво­ичных ячеек — битов. В учебнике она изображена на рис. 2.2. Битовая структура внутренней памяти опре­деляет ее первое свойство: дискретность. Каждый бит памяти в данный момент хранит одно из двух значе­ний: 0 или 1, т.е. один бит информации. В процессе работы компьютера эти нули и единички "мигают" в ячейках. Можно предложить ученикам такой зритель­ный образ: представьте себе память компьютера в виде фасада многоэтажного дома вечером. В одних окнах горит свет, в других — нет. Окно — это бит памяти. Окно светится — единица, не светится — ноль. 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 — битово-байтовая. Ее размер (объем) обычно выражают в килобайтах, мегабайтах.

Информационная структура внешней памяти — файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является файл. Для объяснения этого понятия в учебнике 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 указываться 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 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.

4. Существуют различные классы электронно-вычис­лительных машин: суперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ. Персональные компью­теры (ПК) относятся к классу микроЭВМ. В аб­солютном большинстве учебных заведений исполь­зуются ПК. По этой причине ученики прежде всего должны получить представление об устрой­стве персонального компьютера.

В § 7 и § 9 присутствуют три схемы (рис. 2.1, 2.2, 2.3), имеющие отношение к устройству компьютера. Давайте в них разберемся и определим разницу в назначении этих схем.

Рис. 2. 1 представляет собой схему информационного взаимодействия основных устройств компьютера любого класса. Это схема, которая была предложена Джоном фон Нейманом еще в 1946 году для однопро­цессорной ЭВМ. Заметим, что в настоящее время суще­ствуют компьютеры с многопроцессорной архитекту­рой (суперЭВМ), к которым эта схема неприменима. Большинство же типов персональных компьютеров име­ют один центральный процессор, и их устройство соот­ветствует рис. 2.1. Данная схема полностью лишена каких-либо конструктивных деталей. Ее назначение — отразить пути информационного обмена между устройст­вами компьютера в процессе его работы.

Рис. 2.4 тоже 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. Необ­ходимо обратить внимание учеников на то, что прин­ципы информационного взаимодействия, отраженные на рис. 2.1, справедливы и для ПК. Таким образом, эти две схемы дополняют друг друга.

Структуру ПК, изображенную на рис. 2.4, принято называть архитектурой с общей шиной (другое назва­ние — магистральная архитектура). Впервые она была применена на мини-ЭВМ третьего поколения, затем перенесена на микроЭВМ и ПК. Ее главное достоинстство — простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или заме­ны старых устройств. Отмеченные возможности при­нято называть принципом открытой архитектуры ПК.

В архитектуре различных типов ПК имеются свои особенности. Например, в IBM PC между микропро­цессором и внутренней памятью, помимо общей шины, имеется линия прямой связи. Клавиатура с микропро­цессором также связана отдельным каналом. Схема на рис. 2.4 носит упрощенный, обобщенный характер. В качестве дополнительной информации учитель может рассказать об особенностях архитектуры модели школь­ного ПК, используя дополнительную литературу (на­пример, для IBM PC: в.Аеонтьев. Новейшая энцикло­педия персонального компьютера. М.: Олма-Пресс, 1999). Однако следует соблюдать меру и не "сваливать сразу на головы детей" множество технических подроб­ностей. Такую информацию можно давать постепенно, небольшими порциями в течение всего курса.

Схему на рис. 2.3 можно назвать компоновочной схемой. Она отражает состав комплекта блоков (от­дельных корпусов) настольного варианта персонального компьютера, а также содержимое системного Кока. Компоновка устройств портативных ПК другая. В них все основные устройства объединены в одном корпусе, используется жидкокристаллический монитор.

Можно говорить о том, что основным устройством ПК является микропроцессор (МП). Это мозг машины. В первую очередь возможности МП определяют возмож­ности компьютера в целом. Для пользователя наиболее важным свойством ЭВМ является ее быстродействие, т.е. скорость обработки информации. Для ЭВМ первых по­колений было принято выражать быстродействие ком­пьютера в количестве операций, выполняемых за одну секунду (опер./сек.). 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./сек." сейчас не употреб­ляется. Скорость работы компьютера зависит от целого ряда его характеристик. Важнейшими из них являются две характеристики процессора: тактовая частота и разрядность. В учебнике приводится аналогия 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 партитурой здесь является програм­ма, а генератор тактовой частоты задает темп исполне­нию. И 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 разрядность тоже влияет на быстродействие, поскольку, чем больше разрядность, тем больший объем информации может обработать процессор за единицу времени.

Дополнительный материал для углубленного изучения базового курса

При наличии дополнительного учебного времени полезно обсудить с учениками понятие "машинное слово", а также подробнее, чем это было сделано выше, рассмотреть информационную структуру магнитных дисков. Практические задания по этим вопросам име­ются в пособии [2].

Машинное слово — это еще одна информационная единица оперативной памяти. Но если понятие бита и байта инвариантно, т.е. не зависит от типа компьюте­ра, то машинное слово у разных ЭВМ бывает разным. Размер машинного слова (6 битах) равен разряднос­ти процессора. Следовательно, у компьютера с 8-раз­рядным процессором машинное слово равно 1 байту, с 16-разрядным процессором — 2 байтам, с 32-раз­рядным процессором — 4 байтам и т.д. Данное ранее правило можно перефразировать теперь так: обмен ин­формацией между процессором и оперативной памятью происходит порциями, равными машинному слову.

В ОЗУ слово — это адресуемая часть памяти. Адрес слова памяти равен адресу входящего в него младше­го байта. Если размер слова равен 1 байту, то адреса слов, как и адреса байтов, изменяются через единицу;

если слово равно 2 байтам, то адреса слов меняются через двойку: 0, 2, 4, 6,..., т.е. являются четными чис­лами. На следующем рисунке показан принцип деле­ния памяти на слова для 32-разрядного компьютера:

 

Адреса слов	Байты ОЗУ

 

Из всех устройств внешней памяти наиболее актив­но используемыми являются магнитные диски. Они позволяют считывать и записывать информацию, пере­носить информацию с одного компьютера на другой, длительно хранить информацию вне компьютера. Ин­формационный объем магнитного диска — величина конечная. Поэтому пользователь должен уметь сопос­тавлять эту величину с объемом информации, которую собирается сохранить.

Учитель, рассказывая на уроке об устройстве персо­нального компьютера, имеющегося в компьютерном классе, обязательно уделяет внимание типам использу­емых дисковых устройств. Он рассказывает ученикам о том, что существуют жесткие, встроенные в систем­ный блок магнитные диски большого объема — вин­честеры. Гибкие диски — дискеты пользователь может сам вставлять в дисковод, это сменные носители. Учи­тель сообщает ученикам информационную емкость используемых на ПК носителей.

В качестве дополнительного материала можно рас­сказать об информационной структуре диска более под­робно, чем об этом написано в учебнике. Представле­ние о магнитной дорожке уже было введено. Теперь можно ввести понятие магнитная поверхность (или сторона) дискового накопителя. Дискета — однодис­ковое устройство, поэтому у нее может быть одна или две магнитных поверхности. С каждой поверхностью контактирует отдельная магнитная головка. Винчестер представляет собой пакет дисков, закрепленных на об­щей оси. Соответственно, число магнитных поверхно­стей может быть до 2 х п, где п — число дисков в пакете. Дорожки на магнитных поверхностях распо­ложены концентрично, их количество на каждой по­верхности одинаково. Например, если диск четырех­сторонний и на каждой стороне расположено по 10 дорожек, то на всем диске — 40 магнитных дорожек. На каждой магнитной поверхности дорожки прону­мерованы.

Еще одно новое понятие — сектор. Каждая до­рожка поделена на целое число одинаковых секто­ров. Все сектора имеют равный информационный объем. Характерным размером сектора является ве­личина 512 байт — 0,5 Кб. Размер сектора — это та наименьшая порция информации, которая передает­ся при обмене между оперативной памятью и маг­нитным диском. Сектора на дорожке пронумерова­ны. Таким образом, координаты сектора на магнит­ной поверхности определяются номером дорожки и номером сектора. По этим координатам и происхо­дит поиск информации на диске.

Процедура разметки магнитного диска на дорожки и сектора называется форматированием, диска. Фор­матирование производится с помощью специальной си­стемной программы. Ученикам следует знать, что если на диске ранее была записана какая-то информация, то вследствие форматирования она будет потеряна.