Методическая разработка "Аппаратное обеспечение"
методическая разработка

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА

УРОК НА ТЕМУ: «Аппаратное обеспечение информационных технологий»

        Цель: Сформировать у студентов знания о принципах, на которых основана архитектура компьютеров, и повысить уровень уже имеющихся знаний по основным устройствам компьютера.

Задачи:

Образовательные: Дать понятие компьютера и архитектуры компьютера. Познакомить студентов с магистрально-модульным принципом и принципами Джона фон Неймана. Изучить все основные устройства компьютера. Сформировать умения и навыки по установке основных устройств компьютера.

Воспитательная: Воспитание информационной культуры студентов, внимательности, дисциплинированности, усидчивости.

Развивающая: Развитие познавательных интересов, самостоятельной работы, умения работать в группе, умения конспектировать.

Личностные:

- Проявление познавательного интереса к процессу обучения;

- Проявление эмоционально-ценностного отношения к изучаемой теме.

Метапредметные:

Познавательные:

- Научится применять полученные знания на практике;

- Научиться обобщать полученную информацию;

- Давать оценку своим действиям, оценивать результат;

- Находить ответы на вопросы, используя свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке.

Регулятивные:

- Работать по предложенному преподавателем плану, при выполнении практических заданий;

- Научиться формулировать вопрос, проблему, затруднение, с которыми столкнулись студенты.

Коммуникативные:

- Научится высказывать свою точку зрения, формулировать высказывание;

- Работать в группе, сотрудничать, договариваться о последовательности действий и результате, учиться представлять другим ход работы и ее результат, выслушивать мнение других;

- Адекватно использовать речевые средства для дискуссии и аргументации своей позиции.

Предметные:

- Усвоить состав и структуру персонального компьютера и принципы, на которых построены современные компьютеры;

- Получить умения и навыки по установке основных устройств персонального компьютера;

Тип урока: изучение нового материала

По форме организации: активная лекция

Оснащение: Экран, проектор, ПК, компьютерная презентация, наглядные материалы (устройства ПК), модель системного блока, карточки с названием профессий.

План занятия:

1. Организационный момент;
2. Изучение нового материала;
3. Закрепление изученного материала;
4. Подведение итогов занятия.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент.

Приветствие студентов.

Почти каждый из вас имеет свой персональный компьютер у себя дома, каждый из вас практически каждый день сталкивается с работой на компьютере. Вы садитесь перед экраном компьютера, общаетесь в социальных сетях, выполняете домашнюю работу, смотрите фильмы, слушаете музыку и т.д. и даже не задумываетесь, как это устроено и как это работает.

Вопрос к студентам: А знаете ли вы что такое компьютер? (Ответы учащихся)

Компьютер (от англ. Computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, предназначенное для хранения, обработки и передачи информации.

Но, как известно, компьютер это сложное устройство, состоящее из множества различных устройств, которые обычно называют аппаратным обеспечением компьютера.

Итак, тема сегодняшнего занятия – аппаратное обеспечение информационных технологий.

2. Изучение нового материала.

Аппаратное обеспечение компьютера

Аппаратное обеспечение компьютера - это все электронные и механические устройства компьютера.

Несмотря на огромное многообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными и в частности архитектура ЭВМ.

Вопрос к учащимся: А что вы понимаете под словом архитектура ЭВМ? (Ответы учащихся)

Архитектура компьютера – это его описание на некотором общем уровне. В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип и принципы Джона фон Неймана. Запишем их в тетрадь.

Магистрально-модульный принцип заключается в том, что компьютер состоит из некоторого количества устройств – модулей, связанных между собой через набор электронных линий – магистраль. Магистраль обеспечивает обмен данными между устройствами компьютера. В связи с этим принципом, каждый пользователь может комплектовать свой компьютер по собственному желанию. Он может заменять одни устройства на другие, тем, самым модернизируя свой компьютер.

Принципы Джона фон Неймана:

1. Наличие устройств ввода-вывода информации;
2. Адресуемая память;
3. Процессор, состоящий из устройств управления и арифметико-логического устройства;
4. Данные и программы хранятся вместе.

На основе этих принципов построены все современные компьютеры. Любой персональный компьютер состоит из системного блока, устройства вывода графической информации – монитора, устройств ввода информации – компьютерной мыши, клавиатуры и различных соединительных кабелей.

Структура ПК

Представьте, что вы выбираете компьютер в магазине. И вам нужно определиться с выбором основных устройств. Для этого, вам нужно знать какие функции выполняет данное устройство, на какие характеристики следует обратить внимание, по какому принципу работает устройство. Каждой из групп достается одно из устройств компьютера: процессор, видеокарта, оперативная память и жесткий диск. Вам нужно заполнить специальную таблицу используя имеющиеся у вас знания:

Форма таблицы

Каждая из групп готовит выступление. По мере выступления групп информация о структурных компонентах ПК дополняется преподавателем совместно со студентами. Основополагающие понятия и принципы работы структурных компонентов ПК записываются студентами в тетрадь

1. Материнская плата – это самое большое и сложное устройство. Материнская плата — сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы (компьютера). Чтобы все устройства на материнской плате функционировали, на материнской плате имеется разъем для подключения блока питания. Именно к материнской плате подключаются все другие устройства, входящие в состав системного блока. Она обеспечивает связь между всеми устройствами ПК, посредством передачи сигнала от одного устройства к другому. На материнской плате имеется большое количество разъемов предназначенных для установки других устройств: socket (сокет)– гнездо для процессора (Слайд 15), slots (слоты) – разъемы под оперативную память и платы расширения (Слайд 16), а также портов для подключения устройств ввода-вывода. Поэтому при выборе материнской платы стоит внимательно изучить все ее разъемы и порты и понять подходит ли она вам или нет.

И наверно, самым важным устройством, которое подключается к материнской плате, является процессор.

2. Процессор - устройство, выполняющее арифметические и логические операции, и управляющее другими устройствами компьютера. В его состав входят:

1. арифметико-логическое устройство (АЛУ);
2. устройство управления (УУ);
3. регистры;

Современные процессоры работают согласно принципам машины фон Неймана (архитектуре фон Неймана).

        Вопрос к студентам: Основная характеристика процессора

        Мощность процессора измеряется в его тактовой частоте. Тактовая частота–количество элементарных операций (тактов) за 1 секунду и измеряется в [Hz, MHz, GHz]. При выборе процессора нужно обратить внимание на тактовую частоту внутренней и внешней шины, на кэш-память и на количество ядер. Кроме того разъемы процессоров (сокеты) даже одной фирмы-производителя могут отличаться.

3. Модуль оперативной памяти

Рядом с процессором, в специальном слоте находится модуль оперативной памяти или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Это набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, при включенном компьютере. В ОЗУ хранятся выполняемые программы и данные, которые они обрабатывают (Например, если мы работаем в Microsoft Office Word в ОЗУ находится данная программа и текст, с которым мы работаем. Если документ не сохранить, т.е. не записать во внешнюю память (винчестер, флэшка), то при выключении компьютера данные будут потеряны). При выборе оперативной памяти нужно обратить внимание на тип памяти, ее объем и частоту.

Виды памяти в компьютере

Далее подробнее рассмотрим виды памяти в компьютере.

Вопрос к учащимся: Какие виды памяти вы знаете? (Ответы учащихся)

Память компьютера бывает внутренняя и внешняя

Внутренняя память:

• Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - энергозависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация стирается).
• Постоянная память или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация сохраняется). ПЗУ используется только для чтения, на ней хранится информация, которая никогда не будет изменяться. 

Внешняя память используется для долговременного хранения данных и программ. (Слайд) Информация, записанная на внешнюю память, не стирается при выключении компьютера (энергонезависимая). (Слайд 30)

В ее состав входят:

• накопители информации - устройства чтения и записи;
• носители информации - место хранения информации.

Внутреннюю память мы рассмотрели ранее, теперь давайте рассмотрим внешнюю.

4. Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD) (Слайд), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.(Слайд 31) Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет нескольконанометров(в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При выборе жесткого диска стоит обратить внимание на скорость вращения, она начинается от 5400 об./мин. Чем выше скорость вращения тем дороже диск. Но не стоит забывать, что диски с 10000 об./мин. очень шумны в работе.

Кроме НЖМД в современных компьютерах в качестве дополнительного накопителя используют твердотельный накопитель (англ. solid-state drive, SSD) (Слайд 33) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Различают два вида твердотельных накопителей: основанных на оперативной памяти, и основанных на флэш - памяти. В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности.

Преимущества таких носителей:

• Отсутствие движущихся частей, отсюда:

• Полное отсутствие шума (уровень шума — 0 дБ);
• Высокая механическая стойкость (порядка 1500 g);
• Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации.

• Высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жёсткого диска. 

• Низкое энергопотребление;
• Малые габариты и вес.

Недостатки:

• Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи.
• Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта HDD.
• Невозможность восстановить информацию при перепаде напряжения. Так как контроллер и носитель информации в SSD находятся на одной плате, то при превышении или перепаде напряжения чаще всего сгорает весь SSD носитель с безвозвратной потерей информации. Напротив, в жёстких дисках чаще сгорает только плата контроллера, что делает возможным восстановление информации с приемлемой трудоёмкостью.

Вопрос к студентам: Исходя из отмеченных преимуществ и недостатков, ответьте на вопрос, для каких целей можно использовать ssd – накопитель? (Ответы учащихся)

Все верно! Такие накопители лучше использовать для установки на него операционной системы для повышения скорости работы компьютера из-за высокой скорости передачи данных.

5. Видеокарта

Чуть ниже процессора расположены слоты для плат расширения. Среди них находится графический контроллер или видеокарта. Это устройство для обработки и вывода на монитор графической информации. Видеокарта, как правило, дополнительная плата (но может быть и встроенная в материнскую плату), она обладает собственной оперативной памятью. Также видеокарта может иметь собственную систему охлаждения, как и процессор.

Современные видеокарты — это одна из самых сложных и дорогих составляющих ПК. Фактически видеокарта представляет собой своеобразный компьютер в компьютере. Плата видеокарты превосходит по сложности разводки и количеству слоев материнскую плату. На самой видеокарте имеется свой процессор и своя оперативная память.

Любая видеокарта включает в себя следующие обязательные компоненты:

1. графический процессор;        

2. микросхему BIOS;

3. видеопамять;

4. цифроаналоговый преобразователь (RAMDAC);

5. контроллер интерфейса.

При выборе видеокарты нужно определиться, для каких целей нужна видеокарта. Если для работы с трехмерной графикой, то понадобится видеокарта помощнее, для бытовых целей можно обойтись и послабее. При этом нужно обратить внимание на ряд технических характеристик (объем оперативной памяти, разрядность шины данных, количество и типы входов и выходов, тип слота на материнской плате (AGP или PCI-E).

6. Звуковая карта — дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать).

Большинство звуковых карт имеют разъёмы одинакового количества. Через эти миниатюрные разъемы сигналы подаются с платы на акустические системы, наушники и входы стереосистемы; к аналогичным разъемам подключается микрофон, проигрыватель компакт-дисков и магнитофон. Ноутбуки обычно оборудованы всего двумя разъемами: линейным входом и линейным выходом. Некоторые звуковые адаптеры высокого класса дополнительно содержат разъемы для подключения устройств воспроизведения объемного и цифрового звука стандартов 5.1 и 7.1.

В настоящее время звуковые карты бывают как встроенными в материнскую плату, так и отдельными платами расширения или как внешними устройствами. И на данный момент встроенных звуковых карт достаточно для потребностей обычного пользователя. Внешние же приобретаются очень узким кругом пользователей, в основном для создания и обработки звука.

Назначение звуковых карт:

- аудиокарты для вывода мультимедийного аудио;
- для игр;
- для создания музыки;
- для прослушивания высококачественной музыки hi-fi и hi-end и домашнего кинотеатра.

7. Сетевая плата – периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Несмотря на то, что практически на всех материнских платах, выпущенных в последние несколько лет, уже есть встроенная (интегрированная) сетевая карта, может появиться необходимость её заменить или установить дополнительную (например - для подключения второго компьютера).

Сетевые карты бывают нескольких видов (для организации проводных и беспроводных сетей (Wi-Fi)).

Еще одной платой расширения является звуковая карта.

8. Блок питания – вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений. Для того чтобы все устройства компьютера нормально функционировали нужно правильно выбрать блок питания. Мощность блока питания современных ПК колеблется от 300W до 1500W и выше. Для того чтобы выбрать оптимальную мощность, нужно знать энергопотребление всех устройств компьютера или воспользоваться специальным сервисом в интернете, который подсчитает какой мощности блок питания нужен для функционирования компьютера с данным «железом».

Ну, вот практически все устройства компьютера мы с вами рассмотрели. И у вас наверняка возник вопрос – а что же такое северный и южный мосты?

Северный и южный мосты компьютера (а правильнее будет сказать, материнской платы) - это два основных функциональных контроллера, которые отвечают за работу всех компонентов системной платы и называются чипсетом (от англ. chipset). Рассмотрим их по отдельности. Начнем с северного моста.

9. Северный мост (Northbridge) - это системный контроллер, являющийся одним из элементов чипсета материнской платы, отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видеоадаптером и процессором (CPU) (Слайд 41). Северный мост отвечает за частоту системной шины, тип оперативной памяти и ее максимально возможный объем. Одной из основных функций северного моста является обеспечение взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функциональная особенность северного моста являет собой еще и управление шиной видеоадаптера и ее быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных устройств с южным мостом.

Северный мост получил свое название благодаря "географическому" расположению на материнской плате. Внешне это квадратной формы микрочип, расположенный под процессором, но в верхней части системной платы. Как правило, северный мост использует дополнительное охлаждение. Обычно это пассивный радиатор, реже - радиатор с активным охлаждением в виде небольшого кулера. Связано это с тем, что температура северного моста примерно на 30 градусов Цельсия всегда выше температуры "южного собрата".

Завышенная температура вполне обоснована. Во-первых, северный мост находится в непосредственной близости от центрального процессора, во-вторых, он находится выше видеокарты, жестких дисков и южного моста. Это означает, что часть тепла от вышеупомянутых устройств доходит до северного моста. Ну и в-третьих, самое главное - северный мост отвечает за обработку команд самых сильных компонентов системы - процессор, память и графику. Поэтому будем считать, что увеличенный номинал температуры является нормой для северного моста любой материнской платы.

10. Южный мост (Southbridge) - это функциональный контроллер, известен как контроллер ввода-вывода или ICH (In/Out Controller Hub) (Слайд 42). Отвечает за так называемые "медленные" операции, к которым относится отработка взаимодействия между интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio и северным мостом системы, который, в свою очередь, напрямую связан с процессором и другими важными компонентами, такими как оперативная память или видеоподсистема. Также южный мост отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCI-E.

Список обслуживаемых систем материнской платы южным мостом довольно велик. Помимо приведенных выше IDE, SATA, USB, LAN и прочего, южный мост отвечает еще и за SM шину (используется для управления вентиляторами на плате), DMA-контроллер, IRQ-контроллер, системные часы, BIOS, системы энергообеспечения APM и ACPI, шину LPC Bridge.

Как правило, выход из строя южного моста ставит точку в жизни системной платы. Именно южный мост является порой первым щитом, принявшим "удар на себя". Ввиду технологических особенностей это так. Причин "гибели" южного моста на порядок больше, чем северного, ведь он работает напрямую с "внешними" устройствами. Так, частой причиной выхода из строя ЮМ является банальный перегрев, вызванный коротким замыканием, например, USB-разъема. Либо неисправности питания жесткого диска. Т.к. в большинстве случаев южный мост не оборудован системой дополнительного охлаждения, он перегревается и сгорает. Реже причиной поломки южного моста является заводской брак.

Для продления жизни южного моста можно поставить самодельное охлаждение. Незамысловатый пассивный радиатор на термоклее может продлить жизнь Вашей материнской плате в случае симптома повышенного нагрева. Обнаружить такой симптом непросто. Не все материнские платы оснащены термодатчиками в северном и южном мостах системной платы. В последнее время для решения проблемы южных мостов некоторые производители системных плат стали оборудовать эти чипы дополнительным пассивным охлаждением и датчиком температуры, который в случае чего оповестит пользователя о проблеме. Отметим, однако, что в нормальных условиях причин для повышенного нагрева южного моста нет и быть не может, но помните, что южный мост отвечает за множество устройств, которые могли бы способствовать его перегреву и сгоранию. Будьте внимательны.

Схема системного блока

        Закрепление изученного материала

Задание 1. Ответьте на вопросы: (Слайд 43)

За каждый правильный ответ группа получает 1 балл.

1. Что такое компьютер?
2. Что такое архитектура ЭВМ?
3. В чем заключается магистрально – модульный принцип?
4. Перечислите принципы Джона фон Неймана.
5. Что определяет тактовая частота?
6. Какие функции выполняет процессор?
7. Дайте определение оперативного запоминающего устройства.
8. Для чего необходимо постоянно запоминающее устройство?
9. Что такое внешнее запоминающее устройство? Какие устройства к ним относятся?
10. Что такое северный и южный мост?

В качестве закрепления изученного материала предлагаю вам посмотреть видеоролик. (Включаю видеоролик «Компьютер изнутри в 3D», создатель ролика- фирма Enterplay, главный автор - Ладонкин Вячеслав. Ссылка на ролик: http://www.youtube.com/watch?v=xrhtLwKVo_Q)

Подведение итогов занятия. Выставление оценок.