Информационные процессы в компьютере
план-конспект урока по информатике и икт (10 класс)

10 – ___ класс

Урок с применением технологий:

информационно-коммуникационная, здоровьесберегающая,

дифференцированное обучение

Тема урока: «Информационные процессы в компьютере»

Цель урока: 

Учащиеся должны знать: этапы истории развития ЭВМ; что такое неймановская архитектура ЭВМ; для чего используются периферийные процессоры (контроллеры); архитектуру персонального компьютера; основные принципы архитектуры суперкомпьютеров.

Задачи:

Образовательные – ознакомить учащихся с этапами развития ЭВМ; дать понятие архитектуры персонального компьютера; объяснить основные принципы архитектуры суперкомпьютеров;

Развивающие – развивать творческую и мыслительную деятельность учащихся на уроке посредством анализа демонстрационных примеров, способность к обобщению, быстрому переключению, способствовать формированию навыков коллективной и самостоятельной работы, умения чётко и ясно излагать свои мысли;

Воспитательные – способствовать развитию смысловой памяти, умений анализировать, сравнивать, отбирать материал, формированию поисковой самостоятельности и коммуникативных качеств учащихся.

Ход урока.

1. Организационный момент.
2. Проверка домашнего задания. Опрос по теме «Автоматическая обработка информации».

(Дифференцированное обучение)

Вопросы (устно):

• Приведите примеры процессов обработки информации, которые чаще всего вам приходится выполнять во время учёбы. Для каждого примера определите исходные данные, результаты и правила обработки. К каким видам обработки относятся ваши примеры?
• Если вы решаете задачу по математике или физике и при этом используете калькулятор, то какова ваша функция в этом процессе и какова функция калькулятора?
• Используя алгоритм Евклида, найдите НОД для чисел 114 и 66. Сколько шагов алгоритма при этом вам пришлось выполнить?
• Какие проблемы решает теория алгоритмов?
• Почему калькулятор нельзя назвать алгоритмической машиной, а компьютер можно?

        Карточка с заданием (письменно – 3-4 учащихся):

• Придумайте минимально необходимую систему команд для кассового аппарата, который подсчитывает стоимость покупок и сумму сдачи покупателю. Опишите алгоритм управления работой такого автомата.

3. Физкультминутка.

(Здоровьезберегающая технология)

4. Новая тема. «Информационные процессы в компьютере».

(Информационно-коммуникационная технология)

Как уже известно: (слайд 2-4)

1. Компьютер (ЭВМ) – автоматическое, программно-управляемое устройство для работы с информацией.
2. В состав компьютера входят

1. устройства памяти (хранение данных и программ)
2. процессор (обработка информации)
3. устройства ввода/вывода (приём/передача информации)

3. В 1946 году Джоном фон Нейманом были сформулированы основные принципы устройства ЭВМ, которые называют фон-неймановской архитектурой. Для неймановской архитектуры характерно наличие одного процессора, который управляет работой всех остальных устройств.
4. Современный компьютер представляет собой единство аппаратуры (hardware) и программного обеспечения (software).

Серийное производство ЭВМ начинается в разных странах в 1950-х годах. Историю развития ЭВМ принято делить на поколения.

Переход от одного поколения к другому связан (слайд 5-6)

• со сменой элементной базы, на которой создавались машины
• с изменением архитектуры ЭВМ
• с развитием основных технических характеристик (скорости вычисления, объема памяти и др.)
• с изменением областей применения и способов эксплуатации машин.

Однопроцессорная архитектура ЭВМ. (слайд 7-11)

Сплошные стрелки – передача данных

Пунктирные стрелки – управляющее воздействие

Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти – в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина (элемент данных) занимают определённые ячейки памяти:

• Процессор начинает выполнение программы с первой команды и заканчивает на команде остановки, назовём её STOP.
• При выполнении очередной команды процессор извлекает из памяти обрабатываемые величины и заносит их в специальные ячейки внутренней памяти процессора – регистры.
• Затем выполняется команда, после чего полученный результат записывается в определённую ячейку памяти.
• Процессор переходит к выполнению следующей команды.
• Исполнение программы закончится, когда процессор обратится к команде STOP.

Среди команд программы существуют: (слайд 12-14)

• Команды обработки данных
• Команды обращения к внешним устройствам

Команды обработки данных выполняет сам процессор с помощью входящего в него арифметико-логического устройства – АЛУ, и этот процесс происходит сравнительно быстро.

А команды управления внешними устройствами выполняются самими этими устройствами: устройствами ввода/вывода, внешней памятью. Время выполнения этих команд во много раз больше, чем выполнения команд обработки данных.

При однопроцессорной архитектуре ЭВМ процессор, отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения её выполнения. При большом числе обращений к внешним устройствам может оказаться, что большую часть времени выполнения программы процессор «простаивает» и, следовательно, его КПД оказывается низким.

Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10-20 тыс. операций в секунду.

Использование периферийных процессоров. (слайд 15-19)

Сплошные стрелки – передача данных

Пунктирные стрелки – управляющее воздействие

Треугольника – периферийные процессоры управления внешними устройствами

Следующим шагом в развитии архитектуры ЭВМ стал отказ от однопроцессорного устройства. Уже на последних моделях машин второго поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода.

Их задача состояла в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор.

В результате КПД центрального процессора существенно возрос. Быстродействие некоторых моделей машин с такой архитектурой составило от 1 до 3 млн. оп./с.

На всех моделях ЭВМ третьего поколения использовалась архитектура с одним процессором и периферийными процессорами внешних устройств.

Такая многопроцессорная архитектура позволяла реализовать мультипрограммный режим работы: пока одна программа занята вводом/выводом данных, которым управляет периферийный процессор, другая программа занимает центральный процессор, выполняя вычисления.

Благодаря совершенствованию элементной базы и других аппаратных средств на некоторых моделях ЭВМ третьего поколения достигалось быстродействие до 10 млн. оп./с.

Для разделения ресурсов ЭВМ между несколькими выполняемыми программами потребовалось создание специального программного обеспечения: операционной системы (ОС). К разделяемым ресурсам, прежде всего, относятся время работы центрального процессора и оперативная память. Задачи ОС состоит в том, чтобы разные программы, выполняемые одновременно на ЭВМ, не мешали друг другу и чтобы КПД центрального процессора был максимальным, иначе говоря, чтоб ЦП не «простаивал». ОС берёт на себя так же заботу об очерёдности использования несколькими программами общих внешних устройств: внешней памяти, устройств ввода/вывода.

Архитектура персонального компьютера. (слайд 20-23)

Появление ПК связано с созданием микропроцессоров, которое началось в 1970-х годах. До недавнего времени в устройстве ПК существовал один центральный процессор и множество периферийных процессоров, управляющих внешними устройствами, которые называются контроллерами.

Сплошные стрелки – направление потоков информации

Пунктирные стрелки – направление управляющих сигналов

К – контроллер

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль, которая называется системной шиной.

Системная шина состоит из трёх частей:

• Шина данных (для передачи данных)
• Шина адреса (для передачи адресов устройств, которым передаются данные)
• Шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств)

Важное достоинство такой архитектуры – возможность подключения к компьютеру новых устройств или замена старых устройств на более современные. Это называется принципом открытой архитектуры. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер, а в составе операционной системы имеется управляющая программа, которая называется драйвером устройства.

Открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.

Важное событие в совершенствовании архитектуры ПК произошло в 2005 году: был создан первый двухъядерный микропроцессор. Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора. Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность.

Архитектура ненеймановских вычислительных систем. (слайд 24-30)

Ведущий принцип: отказ от последовательного выполнения операций.

Рассмотрим пример.

Есть массив из 100 чисел. Требуется найти их сумму.

Первый вариант (для 1-го человека): последовательно сложить все числа.

Это пример последовательного вычислительного процесса.

Второй вариант (для 25 человек):

• Распределить по два числа на человека, чтоб каждый посчитал сумму своих чисел
• Полученные 50 чисел снова распределить по два числа на человека, чтоб каждый посчитал сумму своих чисел
• Так продолжать до тех пор, пока не останется одно число – искомая сумма

Это пример распараллеливания вычислений.

Для реализации подобной схемы компьютеру потребуется 25 процессоров, объединённых в одну архитектуру и способность работать параллельно.

Такие многопроцессорные вычислительные комплексы – реальность сегодняшней вычислительной техники.

Но, вернёмся к нашему примеру. В нём есть ещё источники проблем.

При записи в память компьютера суммы каждой пары чисел произойдет одновременное обращение 25 процессоров к системной шине. Но поскольку шина одна, числа по ней могут пересылаться только по одному. А для этого нужно организовать очередь на передачу чисел в память. Тут же возникает вопрос: не сведёт ли к нулю эта очередь все преимущества параллельности выполнения операций. А если преимущества останутся, то насколько они велики? Окупятся ли расходы на 24 дополнительных процессора?

В возникшей ситуации естественен следующих шаг «изобретательской мысли»: ввод  в архитектуру нескольких системных шин. А если ещё подумать над возможными проблемами, то и нескольких устройств оперативной памяти.

Обсуждаемые изменения в устройстве компьютера приводят к «ненеймановским» архитектурам.

Варианты реализации ненеймановских вычислительных систем. (слайд 31-33)

В самом общем смысле под параллельными вычислениями понимаются процессы обработки данных, в которых одновременно могут выполняться несколько машинных операций. Параллельные вычисления реализуются как за счёт новой архитектуры вычислительной техники, так и за счёт новых технологий программирования. Такие технологии называют параллельным программированием.

Распределённые вычисления – способ реализации параллельных вычислений путём использования множества компьютеров, объединённых в сеть. Такие вычислительные системы ещё называют мультикомпьютерными.

Распределённые вычисления часто реализуются с помощью компьютерных кластеров – нескольких компьютеров, связанных в локальную сеть и объединённых специальным программным обеспечением, реализующим параллельный вычислительный процесс.

Распределённые вычисления могут производиться и с помощью многомашинных вычислительных комплексов, образуемых объединением нескольких отдельных компьютеров через глобальные сети.

Мультипроцессорные системы образуют единый компьютер, который относится к классу суперкомпьютеров. Достижение параллелизма в них происходит благодаря возможности независимой работы отдельных устройств и их дублирования: несколько процессоров, блоков оперативной памяти, шин и т.д. Мультипроцессорная система может использовать разные способы доступа к общей для всей системы памяти. Если все процессоры имеют равный (однородный) доступ к единой памяти, то соответствующая вычислительная система называется векторным суперкомпьютером.

Один из самых мощных в мире суперкомпьютеров под названием «Ломоносов» произведён в России и работает в Московском государственном университете. Его быстродействие составляет более ста триллионов операций в секунду.

5. Подведение итогов урока.
6. Домашнее задание.

Изучить § 11; изучить конспект.