Методика изучения архитектуры персонального компьютера

Разумеется, современные персональные компьютеры шагнули далеко вперед, но их архитектура осталась почти без изменений. Если ПК не на гарантии, то учитель может легко снять кожух с системного блока и показать внутреннее устройство компьютера, подключение внешних устройств, разъёмы, вентиляторы и т.п. Некоторые современные ПК имеют прозрачные боковые стенки с внутренней подсветкой, что позволяет получить даже эстетическое наслаждение, любуясь их устройством.

Общие понятия об архитектуре компьютера в учебниках даются без привязки к конкретной модели. Практически в настоящее время большинство школ оснащены IBM–совместимыми персональными компьютерами, поэтому их архитектуру и следует иметь в виду, привязывая к конкретной модели. Изучая архитектуру компьютера, учителю следует одновременно показывать и принципы его функционирования. Типичным методическим приёмом в этом случае является показ аналогии компьютера с человеком, что иллюстрирует таблица. При изучении таблицы учащимся можно предложить задание – дополнить таблицу своими примерами.

Таблица

Сравнение функций, выполняемых человеком и компьютером

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.

Важным моментом изучения архитектуры является рассмотрение того, как осуществляется передача информации внутри компьютера. Все устройства ПК связаны между собой каналами передачи информации. Извне информация поступает в ПК через устройства ввода и затем попадает во внутреннюю 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. Она показывает направления (цели) процессов информационного обмена в компьютере.

Рис. Структура персонального компьютера и направления информационных потоков

Рассматривая эту схему, учителю следует подробно остановиться на двух важных моментах.

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. Это есть фундаментальное понятие при изучении работы компьютера, и оно должно обязательно быть усвоено всеми школьниками.

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.

На этом этапе обучения следует остановиться на различии между программой и данными. Данные – это та информация, которая обрабатывается компьютером по определённой программе. Учащимся можно привести аналогию – когда решают задачу по физике, то данными будет условие задачи, а порядок её решения будет программой.

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. Учащимся можно предложить задание: где на схеме следует указать винчестер? 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.

Шинная архитектура персонального компьютера

Учителю следует особо обратить внимание на то, что архитектура 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. Поэтому даже не очень «продвинутые» пользователи могут самостоятельно выполнить некоторую простую модернизацию своего домашнего компьютера, например, установить дополнительную оперативную память, второй винчестер и др.

Завершая изучение архитектуры компьютера, учителю нужно остановиться на понятии быстродействие компьютера, которое 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. Хорошей аналогией в этом случае может быть музыкальная. Аналогом тактовой частоты является частота ударов метронома, задающего темп исполнения музыкального произведения. А различные устройства компьютера подобны музыкантам большого ансамбля, исполняющими одно произведение.

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.