Урок.Магистр-модульный_принцип.
план-конспект урока по информатике и икт на тему

Этапы урока

Деятельность учителя

Орг. Момент

- Здравствуйте! Меня зовут Александра Евгеньевна (Софья Васильевна). Проверьте свою готовность к уроку.

Теоретическая часть

Сегодня на уроках мы с вами познакомимся с функциональной организацией компьютера (архитектурой ПК) и его аппаратной реализацией.

Архитектура ПК — это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов его работы.

Несмотря на огромное разнообразие, подавляющее большинство современных компьютеров построено с использованием общих принципов:

1. Собраны по принципу открытой архитектуры. Спецификации на создание тех или иных устройств разрабатываются отраслевыми объединениями и известны всем заинтересованным производителям. Это позволяет собирать компьютеры, подбирая комплектующие в зависимости от заявленных критериев. Архитектуры также предусматривают обмен данными с любыми устройствами — это позволяет разрабатывать устройства любого назначения, не предусматривавшиеся при проектировании.

2. Соблюдается магистрально-модульный принцип построения. В соответствие с этим принципом, компьютер представляет собой набор блоков, взаимодействующих на основе общего канала обмена информацией. Каждый блок выполняет специализированные операции. Обмениваются блоки данными по общему каналу (шине). Микросхемы поддержки шины и средства взаимодействия блоков собраны на основной плате компьютера — материнской. Такая архитектура позволяет организовать обработку любых данных, которые могут быть представлены в цифровой форме.

  В 1945 году в своем докладе математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы быть универсальным устройством для работы с информацией. Эти принципы носят его имя; говорят о принципах фон Неймана, или об архитектуре фон Неймана:

• принцип программного управления, согласно которому программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности;
• принцип однородности памяти, согласно которому программы и данные хранятся в одной и той же памяти (оперативном запоминающем устройстве - ОЗУ). Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;
• принцип адресности, согласно которому основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Конструктивно современные компьютеры реализуются в виде взаимодействующих специализированных устройств, созданных из микросхем (основные модули – СБИС (сверхбольшие интегральные схемы)), напаянных на печатных платах.

Кроме классической архитектуры (фон Неймана) существуют также:

1. Многопроцессорная архитектура.

(ОЗУ – оперативное запоминающее устройство,

АЛУ – арифметико-логическое устройство,

УУ – устройство управления)

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Задача расчленяется на несколько параллельных подзадач или частей. Каждая решается на своем процессоре. За счет такого разделения существенно увеличивается производительность. Параллельное вычисление особенно эффективно в задачах, где применяется большое количество операций с матрицами (таблицами).

2. Архитектура с параллельным процессором.

Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе - по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры удается получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции необходимо выполнить одновременно на различных однотипных наборах данных.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений.

Однако анализ самых новых решений построения структуры компьютера показывает, что процессор, память, устройства ввода-вывода составляют основу любого компьютера.

Магистрально-модульный принцип архитектуры компьютера

Магистрально-модульный принцип архитектуры компьютера положен в основу всех современных компьютеров. Он позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.

Магистраль - это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и внешние устройства.
Однако системная шина, как основная информационная магистраль, не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере используются локальные шины, которые связывают микропроцессор с периферийными устройствами.

Локальная шина, связывающая микропроцессор с периферийными устройствами.

Системная шина (магистраль)

К классическому типу архитектуры относится архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. 

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы:

- шину адреса 

- шину данных

- шину управления

Обмен информацией между устройствами производится по образующим магистраль трем шинам, соединяющим все модули - шине данных, шине адреса, шине управления.

Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот - от устройства к процессору, то есть шина данных является двунаправленной. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N = 2I , где I — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 236 = 68 719 476 736.

По шине управления передаются управляющие сигналы, обеспечивающие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее. Шина управления так же является однонаправленной.

По Самылкиной (объяснение схемы): в ходе работы компьютера информация с помощью устройств ввода или путём считывания с устройств внешней памяти через информационную магистраль попадает во внутреннюю память; процессор извлекает информацию, работает с ней и помещает обратно результаты работы; полученные результаты могут также через устройства вывода сообщаться пользователю или сохраняться во внешней памяти.

Таким образом, из рассмотренной нами схемы видно, что все  устройства компьютера не могут работать по отдельности. Каждое из выполняет строго отведённые для него функции и взаимодействует с остальными устройствами.

Давайте рассмотрим структурную схему компьютера:

В соответствии с назначением компьютера как инструмента обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки данных.

Для пояснения сказанного рассмотрим приведенную на рисунке структурную схему обработки информации компьютером, на которой в верхнем ряду указаны  основные этапы этого процесса. Выполнение каждого из этих этапов определяется наличием в структуре компьютера соответствующих устройств. Очевидно, что ввод и вывод информации осуществляется с помощью устройств ввода (клавиатура, мышь и др.) и вывода (монитор, принтер и др.). Для хранения информации используются внутренняя и внешняя память на различных носителях (магнитные или оптические диски, магнитные ленты и пр.). Для обработки информации служит процессор (с ним более основательно мы познакомимся на 2-м уроке).

Темные стрелки обозначают обмен информацией между различными устройствами компьютера. Пунктирные линии со стрелками символизируют управляющие сигналы, которые поступают от процессора. Светлые пустые стрелки отображают потоки входной и выходной информации соответственно.

Компьютер представляет собой систему взаимосвязанных компонентов. Конструктивно все основные компоненты компьютера объединены в системном блоке, который является важнейшей частью персонального компьютера.

Практическая часть

Электронный тест, задание № 2 (см. распечатки)

Итоги урока, выставление оценок

- Какие принципы Джона фон Неймона вы знаете?

- На каких двух принципах основаны современные компьютеры.

- В чем заключается принцип открытой архитектуры?

- В чем заключается магистрально – модульный принцип?