Методика использования визуальной учебной модели для организации изучения архитектуры компьютера
ART 53388
Авторы:
М.
С. Герасимов, Е.
В. Киргизова
М.
С. Герасимов, Е.
В. Киргизова Библиографическое описание статьи для цитирования:
Герасимов
М.
С.,
Киргизова
Е.
В. Методика использования визуальной учебной модели для организации изучения архитектуры компьютера // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
1926–1930. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53388.htm.
Аннотация. Данная научная статья посвящена: разработке основных компонентов и структуре учебной визуальной модели
компьютера; рассмотрению методических особенностей использования визуальной модели компьютера для организации изучения темы «Архитектура компьютера» в
школьном курсе информатики.
Ключевые слова:
визуальная модель, архитектура компьютера, система
команд, устройства ввода-вывода, регистры процессора, решение учебных задач, оперативная память
Текст статьи
Герасимов Максим Сергеевич,студент, Лесосибирский педагогический институт –филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», г. ЛесосибирскMaksimSergeevi4SFU@gmail.com
Киргизова Елена Викторовна,кандидат педагогических наук, доцент кафедры высшей математики и информатики, Лесосибирский педагогический институт –филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», ЛесосибирскEvk221161@yandex.ru
Методика использования визуальной учебной модели для организации изучения архитектуры компьютера
Аннотация.Данная научная статья посвящена: Разработке основных компонентов и структуре учебной визуальной модели компьютера;Рассмотрению методических особенностей использования визуальной модели компьютера для организации изучения темы «Архитектура компьютера» в школьном курсе информатики. Ключевые слова:визуальная модель, архитектура компьютера, система команд, устройства вводавывода, регистры процессора, решение учебных задач, оперативная память.Изучение темы «Архитектура компьютера» является одной из важных составляющих обучения школьников. «Бурное развитие информационных технологий и их основной технической базы –компьютеров –приводит к большему насыщению ими практически всех сфер деятельности человека» [1]. В этих условиях для учителя информатики необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его основных технических характеристик и функциональных возможностей. Это важно не только для преподавания информатики в школе. Такое знание дает возможность более осознанно осуществлять выбор, организовывать обслуживание, модернизацию персональных компьютеров кабинета информатики, планировать развитие школьного компьютерного центра. «Задача учителя информатики заключается в том, чтобы в максимально сжатые сроки дать учащимся полное представление об основных понятиях архитектуры современного персонального компьютера (ПК)» [2], познакомить с устройством важнейших компонентов аппаратных средств ПК, механизмами пересылки и управления информацией, основными правилами логического проектирования. Для полного усвоения темы «Архитектура компьютера» нами разработана визуальная учебная модель компьютера.На начальном этапе была разработана система команд, описывающих работу ПК, позволяющая выполнить несложные учебные задачи. Система команд представляет набор действий четырех видов:Одноадресные командыДвухадресные командыТрехадресные командыБезадресные командыОдноадресные команды отражены в таблице 1. Таблица 1Одноадресные командыКодЯчейка памятиИспользованиеОписание0000xxxx0000 xxxxВыполняет ввод данных из входной корзины в указанную ячейку памяти xxxx.0001xxxx0001 xxxxВыполняет удаление данных из указанной ячейки памяти xxxx.0110xxxx0110 xxxxПрибавить к значению находящемуся в АЛУ, значение ячейки xxxx.0111xxxx0111 xxxxВычесть из значения, находящегося в АЛУ, значение ячейки xxxx.1001xxxx1001 xxxxКопировать значение, находящегося в АЛУ, в указанную ячейку памяти xxxx.1010xxxx1010 xxxxКопировать значение, находящееся в ячейке xxxx, в АЛУ.Двухадресный тип команд представляет единственная команда для работы с памятью. Это команда копирования значения из одной ячейки памяти в другую. Код этой команды 1000; для использования необходимо ввести код команды и два адреса ячеек памяти: первый адрес –копируемое значение, второй адрес, ячейка, куда необходимо скопировать данные. Формат записи: 1000 xxxxxxxx.Список трехадресных команд представлен в таблице 2. Таблица 2Трехадресные командыКодЯП 1ЯП 2ЯП 3ИспользованиеОписание0010xxxxxxxxxxxx0010 xxxx xxxx xxxxСкладывает значения ячеек 1 и 2, результат выполнения операции помещает в ячейку памяти 3.0011xxxxxxxxxxxx0011 xxxx xxxx xxxxВычитает по модулю значения ячейки 1 из значения ячейки 2, результат выполнения операции помещает в ячейку памяти 3.0100xxxxxxxxxxxx0100 xxxx xxxx xxxxПроизводит умножение значения ячейки 1 и значение ячейки 2, результат помещает в ячейку 3.0101xxxxxxxxxxxx0101 xxxx xxxx xxxxВыполняет операцию деления значения из ячейки 1 на значение из ячейки 2, результат выполнения помещает в ячейку 3. Деление выполняется нацело.1011xxxxxxxxxxxx1011 xxxx xxxx xxxxЕсли значение ячейки 1 и 2 равны, то значение из ячейки 1 копируется в ячейку 3. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 записывается 0.1100xxxxxxxxxxxx1100 xxxx xxxx xxxxЕсли значение ячейки 1, больше значения ячейки 2, то в ячейку 3 заносится большее значение. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 заносится 0.1110xxxxxxxxxxxx1110 xxxxxxxxxxxxЕсли значение ячейки 1, меньше значения ячейки 2, то в ячейку 3 заносится меньшее значение. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 заносится 0.Трехадресные команды позволяют использовать сразу три ячейки памяти: в том числе, команды, выполняющие логические переходы, что является необходимой функцией, например, для решения задач на сравнение значений, а также команды, выполняющие основные арифметические действия. Следует заметить, что модель может работать только с целыми положительными числами от 0 до 32767.Проектируемая модель компьютера использует единственную безадресную команду. Эта команда вывода значения ячейки видеопамяти на экран создана с целью показать пользователю, как происходит вывод информации на монитор компьютера. Данное действие сильно упрощено, но принцип работы видеопамяти в общем виде понятен. Используя код команды 1101, указывать адрес ячейки не требуется.Из представленного списка команд можно сделать вывод, что разработанная модель может выполнять простейшие арифметические операции, операции условных переходов, ввод и вывод данных, отражая общий принцип построения памяти.После разработки системы команд был созданкомпонент модели –память типа ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).Память модели представляет собой 16 ячеек (для Рабочей панели), адреса ячеек задаются двоичным кодом, подобно кодам символов в таблицах кодировок. Организация памяти представлена нарисунке1.
Рис. 1. Организация оперативной памятиОбращение к какойлибо ячейке памяти выполняется указанием ее адреса: адрес указывается 4 цифрами, первые 2 –это цифры, расположенные напротив ячейки памяти в столбце, вторые 2 –это цифры, расположенные напротив ячейки памяти в строке. Например, адрес первой ячейки памяти представлен цифрами 0000. Ячейки памяти не содержат регистров.Взаимодействия компонентов компьютера, арифметические операции, работу с памятью выполняет АЛУ (арифметикологическое устройство). Соответственно для обеспечения работоспособности модели следующим шагом стало создание арифметикологического устройства.АЛУ модели выполняет две функции:перевод входных данных в двоичную систему счисления для того, чтобы показать пользователю,что ПК работает с информацией, представленной в двоичной системе;арифметические и логические операции в десятичной системе счисления. (Десятичная система взята для упрощения восприятия пользователем выполнения задаваемых им операций).АЛУ имеет два блокав соответствии с количеством выполняемых функций. Устройство представлено на рисунке2.
Рис. 2. Схема устройства АЛУТакже модель имеет экран, содержащий единственное окно для вывода информации, занесенной в ячейку видеопамяти.В школьном курсе информатики и ИКТустройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. «Описание архитектуры –это такое представление об устройстве и функционировании компьютера, которое достаточно для пользователя, в том числе и программиста» [3]. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера. Как это ни удивительно, архитектура современных компьютеров в основе своей остается неизменнойуже более полувека. Такой феномен не часто встретишь даже в обычной архитектуре, где стили и вкусы быстро меняются, тем более с появлением новых строительных материалов. Однако уже сменяется четвертое поколение компьютеров, а принципиальное строение подавляющего большинства из них остается неизменным.На базовом уровне принята следующая схема раскрытия архитектуры:назначение ЭВМ(электронной вычислительной машины);основные устройства, входящие в состав ЭВМ, и выполняемые функции;организация внутренней и внешней памяти;особенности архитектуры персонального компьютера;типы и свойства устройств, входящих в состав персонального компьютера.Для продвинутых пользователей и в профильных курсах рассматриваются программное управление работой компьютера, структура процессора, состав команд процессора, структура программы и алгоритм её выполнения процессором (цикл работы процессора).Изучение архитектуры и работы ЭВМ на примере какогото реального компьютера было бы слишком сложным, поэтому методисты предлагаютприменять методический приём использовать специальное средство обучения, так называемый учебный компьютер. Он есть упрощенная виртуальная модель какоголибо реального компьютера. В учебниках и методической литературе описаны различные модели таких компьютеров «Кроха», «Малютка», «Нейман» и др. Для учебных целей отечественная промышленность в советское время выпускала специальные модели учебных компьютеров, которые имели прозрачные крышки и доступные для обозрения элементы. Они сохранились до настоящего времени в некоторых школах и могут использоваться для изучения архитектуры компьютера, структуры и системы команд процессора, структуры оперативной памяти и др.Как виртуальный компьютеру учебный компьютер широко используется для изучения некоторых вопросов алгоритмизации и программирования. Во многих учебниках по информатике описывается учебный компьютер «УК Нейман», архитектура которого соответствует, в основном, архитектуре компьютеров второго поколения. У этого компьютера основное преимущество простота, что позволяет даже в базовом курсе информатики дать учащимся представление о механизме программного управления работой компьютера, показать, каким образом происходят вычисления с целыми числами. Общие понятия об архитектуре компьютера в школьных учебниках по информатике даются без привязки к конкретной модели. В настоящее время большинство школ оснащены IBMсовместимыми персональными компьютерами, поэтому их архитектуру следует рассматривать на конкретной модели. «Изучая архитектуру компьютера, учителю следует одновременно показывать и принципы его функционирования» [3]. 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 и 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, изображенного на рисунке 3. Она показывает направления (цели) процессов информационного обмена в компьютере.
Рис. 3. Структурная схема ПКИзложенный выше теоретический материал должен изучаться постепенно. Учитель обращается к нему по мере изучения работы компьютера. Рассмотрим применение визуальной учебной модели компьютера в процессе изучения содержательной линии «Компьютер как универсальное устройство».Архитектура и структура компьютераПри объяснении понятия архитектура компьютера следует рассмотреть принципы Джона фон Неймана, его модель реализации функциональных узлов компьютера. Визуальная учебная модель построена на архитектуре фон Неймана. На рисунке 4показана рабочая панель учебной модели компьютера (1 –арифметикологическое устройство, 2 –ячейки памяти, 3 –панель ввода команд, 4 –окно ввода значений).
Рис. 4. Рабочая панельНа примере следует показать взаимодействие функциональных узлов, каждый процесс сопровождается визуализацией. Подсвечиваются активные ячейки памяти, блоки АЛУ, которые выполняют арифметические и логические операции. Пример 1.«Даны значения целых чисел b,c,d,e. Составить программувычислений по формуле» [4]:a= (b+c)/d–e.Для решения задачи требуется ввести значения целых чисел в память визуальной модели. Для указания ячеек памятинеобходимо задать адреса: первые 2 цифры адреса –это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в столбце, вторые 2 –это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в строке. Например, адрес первой ячейки памяти представлен цифрами 0000. Ячейка с адресом 0000 –переменная b, 0001 –c, 0010 –d, 0011 –e. После ввода значений выполняются арифметические операции. Для выполнения операции сложения необходимо указать модификатор команды сложения двух чисел –0010, ячейки памяти в которых записаны значения переменных bи с, и адрес ячейки с результатом операции. Команда деления –0101, команда вычитания –0011, ячейки памяти указываются аналогично. Для вывода полученного значения на экран предлагаемой модели необходимо выполнить копирование (команда 1000) в ячейку видеопамяти с адресом 1111 и вывести на экран значение, используя команду 1101. Алгоритм решения задачи представлен в таблице 3.Таблица 3
Алгоритм решения задачиMODY1Y2Y3ЗначениеПояснение00000000
Целое числоВвод значения b00000001
Целое числоВвод значения c00000010
Целое числоВвод значения d00000011
Целое числоВвод значения e0010000000010100Сумма чиселОперация сложения значений переменных bи c0101010000100101Частное чиселОперация деления (b+c)/d0011010100110110Разница чиселОперация вычитания (b+c)/de100001101111
Значение результатаКопирование результата вычислений в ячейку видеопамяти1101
Вывод ячейки видеопамятиПринцип двоичного кодирования также отражен в модели: когда значение заносится в ячейку памяти, то происходит перевод десятичного числа в двоичную систему счисления в прямом коде, так как модель оперирует только целыми положительными числами. На рисунке 5отражена данная операция. 4231
Рис. 5. Преобразование десятичного числа в прямой кодПроцессор –центральное устройство компьютераСовременные процессоры состоят из множества функциональных блоков, но для начального представления об устройстве процессора нет необходимости рассматривать их все. В модели реализованы два функциональных блока АЛУ. На рисунке 6изображена структура процессора визуальной учебной модели компьютера (1 –первый блок арифметикологического устройства, обеспечивает выполнение арифметических и логических операций, заданных пользователем. 2 –второй блок арифметикологического устройства, обеспечивает запись и считывание значений в память модели. 3 –индикатор выполнения операции первым блоком АЛУ. 4 –индикатор выполнения операции вторым блоком АЛУ).
Рис. 6. Структура процессораКогда модель компьютера выполняет арифметические и логические операции, то подсвечивается 3 индикатор первого блока АЛУ. Когда модель компьютера выполняет запись или считывание информации, то подсвечивается 4 индикатор второго блока АЛУ. Визуальная учебная модель компьютера оперирует 15 командами четырех видов. Безадресные (команды, не использующие ячейки ОЗУ)Одноадресные (команды, которые используют одну ячейку ОЗУ, например, команда ввода значений в ячейки памяти)Двухадресные (команды, которые используют две ячейку ОЗУ, например, команда Прибавить к АЛУ значение)Трехадресные (команды, которые используют три ячейки ОЗУ, например, команда Сложение двух чисел)Для того чтобы не вводить по одной команде, в модели создана панель задания алгоритма, изображенная на рисунке 7(1 –таблица задания алгоритма: ячейка MOD–модификатор, необходима для записи наименования команды; ячейки Y1, Y2, Y3 предназначены для ввода адресов ячеек памяти, в последнюю ячейку заносятся числа, которые необходимо записать в ячейку ОЗУ; 2 –кнопки добавления и удаления строк в таблице задания алгоритма; 3 –окно выбора временного диапазоны: через промежутки времени модель будет выполнять команды, по умолчанию данный параметр равен 1 секунде; 4 –окно со списком команд, доступных модели). Задав программе алгоритм, имеем возможность 4321следить за процессом выполнения алгоритма с заданным промежутком времени между командами.
Рис.7. Панель задания алгоритмаДля наиболее полного понимания устройства процессора и его взаимодействия с памятью компьютера в визуальной модели реализована панель Центральный процессор (ЦП).
Рис. 8. Центральный процессор (1 –ОЗУ, 2 –блок обработки данных, 3 –блок обработки команд, 4 –устройство управления)На панели расположены 30 ячеек ОЗУ, 16 из которых –это ячейки ОЗУ, предназначенные для работы с данными, 14 ячеек представляют область памяти, в которой записана система команд. Адреса ячеек для работы с данными задаются двоичным кодом, подобно кодам символов в таблицах кодировок. Ячейки с командами задаются такими же двоичными кодами, но с префиксом «С».Блок обработки данных включает в себя регистры: Ак –аккумулятор;АЛУ –арифметикологическое устройство;РОН –регистр общего назначения.Блок обработки команд состоит из:РК –регистр команд;РА –регистр адреса;СК –счетчик команд.Для начала работы с данной панелью следует заполнить регистры, которые необходимы для выполнения команды: это регистры команд, адреса и регистр общего назначения. Остальные регистры, которые недоступны для 123411234редактирования пользователю заполняются автоматически и подсвечиваются красным цветом в случае активности при выполнении команд. При изучении принципа работы центрального процессора ПК для учащихся необходимо создать ситуации полной или частичной неопределенности. Учителю необходимо сообщить лишь расшифровки регистров, далее ученики самостоятельно работают с панелью, определяют, за что отвечает тот или иной регистр процессора, решают учебные задачи. После чего необходимо дать определения каждого регистра и их назначение, что позволит наиболее полно изучить принцип работы ЦП.Учащиеся смогут выполнять практические задания, используя данную визуальную модель компьютера. Это могут быть как простейшие задания на выполнение арифметических операций, так и задания более сложные, например, нахождение суммы двух наибольших чисел из множества заданных. Количество операций ограничено только 16 ячейками памяти, а используемые числа могут принадлежать диапазону от 0 до 65536.Оперативная и долговременная памятьВ визуальной учебной модели (Рабочая панель) реализовано оперативнозапоминающее устройство в виде 16 ячеек памяти (1 –ячейка ОЗУ, модель содержит 16 ячеек памяти, 2 –индекс строки, 3 –индекс столбца).
Рис. 9. ОЗУАдреса ячеек указываются индексом строки и индексом столбца, на пересечении которых находятся.Если ячейка памяти является активной, т.е. в нее записано какоелибо значение или модель выполняет операцию, в которой используется данная ячейка, то ячейка ОЗУ подсвечивается красным цветом. Процесс изображен на рисунке 10.
Рис. 10. Активная ячейка ОЗУ с адресом 0000Если ячейка памяти содержит какоелибо значение, то при нажатии на данную ячейку появляется окно, которое отражает значение ячейки в прямом коде.Устройства вводавывода информацииВ визуальной учебной модели компьютера реализовано окно для ввода команд (1 –ячейка для ввода идентификатора команды; 2 –ячейка для указания первой ячейки памяти, используемой при выполнении команды; 3 ячейка для указания второй ячейки памяти, используемой при выполнении команды; 4 ячейка для указания третьей ячейки памяти, используемой при выполнении команды). Второе окно предназначено для ввода значений. Подразумевается, что устройством ввода информации является клавиатура.
Рис. 11.Окно для ввода команд
Рис. 12. Окно ввода значений Ячейка ОЗУ с адресом 1111 выполняет функцию видеопамяти, поэтому в модели реализован дисплей для отображения значения ячейки видеопамяти. Дисплей включается из главного меню модели.
Рис. 13. Вывод информации на экран Представленная визуальная учебная модель компьютера отражает основные принципы функционирования компьютера, модель имеет удобный пользовательский интерфейс, процессы обработки информации визуально отражаются, что позволяет наглядно показать, как функционируют и взаимодействуют между собой основные функциональные блоки ПК. Модель свободна от технических аспектов построения компьютеров, учащимся не требуются знания микроэлектроники для полного восприятия информации. Разработаны методические рекомендации по использованию визуальной учебной модели компьютера в процессе обучения. Таким образом, изучение темы «Архитектура компьютера» на основе использования визуальной учебной модели компьютера является эффективным средством в образовательном процессе.
Ссылки на источники1.Архитектура компьютера [Электронный ресурс], режим доступа: http://www.physics.unialtai.ru/2.Угринович,Н.Д.Преподаваниекурса«ИнформатикаиИКТ»восновнойистаршейшколе:Методическоепособие/Н.Д.Угринович.–2‐еизд.,испр.идоп. –М.:БИНОМ.Лабораториязнаний, 2005. –182с.3.Преподаваниебазовогокурсаинформатикивсреднейшколе:Методическоепособие/И.Г.Семакин,Т.Ю.Шеина. 2‐еизд.,испр.идоп.М.:
БИНОМ.Лабораториязнаний, 2004. –540с.4.Занимательныезадачипоинформатике/Л.Л.Босова, А.Ю. Босова, Ю.Г. Коломенская. –М.: БИНОМ. Лабораториязнаний, 2005. 119с.
Gerasimov Maxim Sergeevich,the student of Lesosibirsk Pedagogical Institute –the branch of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education “Siberian Federal University”, LesosibirskMaksimSergeevi4SFU@gmail.com
1234Kirgizova Elena Victorovna,candidate of Pedogogical Sciences, Associate Professor of chair of Higher Mathematics and Computer Science, Lesosibirsk Pedagogical Institute –the branch of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education “Siberian Federal University”, LesosibirskEvk221161@yandex.ru
The methodology of using visual training model for the organization of thestudy of computer architecture
Annotation.The article is devoted to the development of basic components and structure of learning a visual model of the computer. There is a review of methodological features of the visual model for the organization of the computer study of the topic "Computer Architecture" in the school curriculum of computer science.Keywords:visual model, computer architecture, instruction set, inputoutput devices, CPU registers, the solution of educational problems, RW memory.
Киргизова Елена Викторовна,кандидат педагогических наук, доцент кафедры высшей математики и информатики, Лесосибирский педагогический институт –филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», ЛесосибирскEvk221161@yandex.ru
Методика использования визуальной учебной модели для организации изучения архитектуры компьютера
Аннотация.Данная научная статья посвящена: Разработке основных компонентов и структуре учебной визуальной модели компьютера;Рассмотрению методических особенностей использования визуальной модели компьютера для организации изучения темы «Архитектура компьютера» в школьном курсе информатики. Ключевые слова:визуальная модель, архитектура компьютера, система команд, устройства вводавывода, регистры процессора, решение учебных задач, оперативная память.Изучение темы «Архитектура компьютера» является одной из важных составляющих обучения школьников. «Бурное развитие информационных технологий и их основной технической базы –компьютеров –приводит к большему насыщению ими практически всех сфер деятельности человека» [1]. В этих условиях для учителя информатики необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его основных технических характеристик и функциональных возможностей. Это важно не только для преподавания информатики в школе. Такое знание дает возможность более осознанно осуществлять выбор, организовывать обслуживание, модернизацию персональных компьютеров кабинета информатики, планировать развитие школьного компьютерного центра. «Задача учителя информатики заключается в том, чтобы в максимально сжатые сроки дать учащимся полное представление об основных понятиях архитектуры современного персонального компьютера (ПК)» [2], познакомить с устройством важнейших компонентов аппаратных средств ПК, механизмами пересылки и управления информацией, основными правилами логического проектирования. Для полного усвоения темы «Архитектура компьютера» нами разработана визуальная учебная модель компьютера.На начальном этапе была разработана система команд, описывающих работу ПК, позволяющая выполнить несложные учебные задачи. Система команд представляет набор действий четырех видов:Одноадресные командыДвухадресные командыТрехадресные командыБезадресные командыОдноадресные команды отражены в таблице 1. Таблица 1Одноадресные командыКодЯчейка памятиИспользованиеОписание0000xxxx0000 xxxxВыполняет ввод данных из входной корзины в указанную ячейку памяти xxxx.0001xxxx0001 xxxxВыполняет удаление данных из указанной ячейки памяти xxxx.0110xxxx0110 xxxxПрибавить к значению находящемуся в АЛУ, значение ячейки xxxx.0111xxxx0111 xxxxВычесть из значения, находящегося в АЛУ, значение ячейки xxxx.1001xxxx1001 xxxxКопировать значение, находящегося в АЛУ, в указанную ячейку памяти xxxx.1010xxxx1010 xxxxКопировать значение, находящееся в ячейке xxxx, в АЛУ.Двухадресный тип команд представляет единственная команда для работы с памятью. Это команда копирования значения из одной ячейки памяти в другую. Код этой команды 1000; для использования необходимо ввести код команды и два адреса ячеек памяти: первый адрес –копируемое значение, второй адрес, ячейка, куда необходимо скопировать данные. Формат записи: 1000 xxxxxxxx.Список трехадресных команд представлен в таблице 2. Таблица 2Трехадресные командыКодЯП 1ЯП 2ЯП 3ИспользованиеОписание0010xxxxxxxxxxxx0010 xxxx xxxx xxxxСкладывает значения ячеек 1 и 2, результат выполнения операции помещает в ячейку памяти 3.0011xxxxxxxxxxxx0011 xxxx xxxx xxxxВычитает по модулю значения ячейки 1 из значения ячейки 2, результат выполнения операции помещает в ячейку памяти 3.0100xxxxxxxxxxxx0100 xxxx xxxx xxxxПроизводит умножение значения ячейки 1 и значение ячейки 2, результат помещает в ячейку 3.0101xxxxxxxxxxxx0101 xxxx xxxx xxxxВыполняет операцию деления значения из ячейки 1 на значение из ячейки 2, результат выполнения помещает в ячейку 3. Деление выполняется нацело.1011xxxxxxxxxxxx1011 xxxx xxxx xxxxЕсли значение ячейки 1 и 2 равны, то значение из ячейки 1 копируется в ячейку 3. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 записывается 0.1100xxxxxxxxxxxx1100 xxxx xxxx xxxxЕсли значение ячейки 1, больше значения ячейки 2, то в ячейку 3 заносится большее значение. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 заносится 0.1110xxxxxxxxxxxx1110 xxxxxxxxxxxxЕсли значение ячейки 1, меньше значения ячейки 2, то в ячейку 3 заносится меньшее значение. Если условие не выполняется, то в ячейку 3 заносится 0.Трехадресные команды позволяют использовать сразу три ячейки памяти: в том числе, команды, выполняющие логические переходы, что является необходимой функцией, например, для решения задач на сравнение значений, а также команды, выполняющие основные арифметические действия. Следует заметить, что модель может работать только с целыми положительными числами от 0 до 32767.Проектируемая модель компьютера использует единственную безадресную команду. Эта команда вывода значения ячейки видеопамяти на экран создана с целью показать пользователю, как происходит вывод информации на монитор компьютера. Данное действие сильно упрощено, но принцип работы видеопамяти в общем виде понятен. Используя код команды 1101, указывать адрес ячейки не требуется.Из представленного списка команд можно сделать вывод, что разработанная модель может выполнять простейшие арифметические операции, операции условных переходов, ввод и вывод данных, отражая общий принцип построения памяти.После разработки системы команд был созданкомпонент модели –память типа ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).Память модели представляет собой 16 ячеек (для Рабочей панели), адреса ячеек задаются двоичным кодом, подобно кодам символов в таблицах кодировок. Организация памяти представлена нарисунке1.
Рис. 1. Организация оперативной памятиОбращение к какойлибо ячейке памяти выполняется указанием ее адреса: адрес указывается 4 цифрами, первые 2 –это цифры, расположенные напротив ячейки памяти в столбце, вторые 2 –это цифры, расположенные напротив ячейки памяти в строке. Например, адрес первой ячейки памяти представлен цифрами 0000. Ячейки памяти не содержат регистров.Взаимодействия компонентов компьютера, арифметические операции, работу с памятью выполняет АЛУ (арифметикологическое устройство). Соответственно для обеспечения работоспособности модели следующим шагом стало создание арифметикологического устройства.АЛУ модели выполняет две функции:перевод входных данных в двоичную систему счисления для того, чтобы показать пользователю,что ПК работает с информацией, представленной в двоичной системе;арифметические и логические операции в десятичной системе счисления. (Десятичная система взята для упрощения восприятия пользователем выполнения задаваемых им операций).АЛУ имеет два блокав соответствии с количеством выполняемых функций. Устройство представлено на рисунке2.
Рис. 2. Схема устройства АЛУТакже модель имеет экран, содержащий единственное окно для вывода информации, занесенной в ячейку видеопамяти.В школьном курсе информатики и ИКТустройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. «Описание архитектуры –это такое представление об устройстве и функционировании компьютера, которое достаточно для пользователя, в том числе и программиста» [3]. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера. Как это ни удивительно, архитектура современных компьютеров в основе своей остается неизменнойуже более полувека. Такой феномен не часто встретишь даже в обычной архитектуре, где стили и вкусы быстро меняются, тем более с появлением новых строительных материалов. Однако уже сменяется четвертое поколение компьютеров, а принципиальное строение подавляющего большинства из них остается неизменным.На базовом уровне принята следующая схема раскрытия архитектуры:назначение ЭВМ(электронной вычислительной машины);основные устройства, входящие в состав ЭВМ, и выполняемые функции;организация внутренней и внешней памяти;особенности архитектуры персонального компьютера;типы и свойства устройств, входящих в состав персонального компьютера.Для продвинутых пользователей и в профильных курсах рассматриваются программное управление работой компьютера, структура процессора, состав команд процессора, структура программы и алгоритм её выполнения процессором (цикл работы процессора).Изучение архитектуры и работы ЭВМ на примере какогото реального компьютера было бы слишком сложным, поэтому методисты предлагаютприменять методический приём использовать специальное средство обучения, так называемый учебный компьютер. Он есть упрощенная виртуальная модель какоголибо реального компьютера. В учебниках и методической литературе описаны различные модели таких компьютеров «Кроха», «Малютка», «Нейман» и др. Для учебных целей отечественная промышленность в советское время выпускала специальные модели учебных компьютеров, которые имели прозрачные крышки и доступные для обозрения элементы. Они сохранились до настоящего времени в некоторых школах и могут использоваться для изучения архитектуры компьютера, структуры и системы команд процессора, структуры оперативной памяти и др.Как виртуальный компьютеру учебный компьютер широко используется для изучения некоторых вопросов алгоритмизации и программирования. Во многих учебниках по информатике описывается учебный компьютер «УК Нейман», архитектура которого соответствует, в основном, архитектуре компьютеров второго поколения. У этого компьютера основное преимущество простота, что позволяет даже в базовом курсе информатики дать учащимся представление о механизме программного управления работой компьютера, показать, каким образом происходят вычисления с целыми числами. Общие понятия об архитектуре компьютера в школьных учебниках по информатике даются без привязки к конкретной модели. В настоящее время большинство школ оснащены IBMсовместимыми персональными компьютерами, поэтому их архитектуру следует рассматривать на конкретной модели. «Изучая архитектуру компьютера, учителю следует одновременно показывать и принципы его функционирования» [3]. 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 и 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, изображенного на рисунке 3. Она показывает направления (цели) процессов информационного обмена в компьютере.
Рис. 3. Структурная схема ПКИзложенный выше теоретический материал должен изучаться постепенно. Учитель обращается к нему по мере изучения работы компьютера. Рассмотрим применение визуальной учебной модели компьютера в процессе изучения содержательной линии «Компьютер как универсальное устройство».Архитектура и структура компьютераПри объяснении понятия архитектура компьютера следует рассмотреть принципы Джона фон Неймана, его модель реализации функциональных узлов компьютера. Визуальная учебная модель построена на архитектуре фон Неймана. На рисунке 4показана рабочая панель учебной модели компьютера (1 –арифметикологическое устройство, 2 –ячейки памяти, 3 –панель ввода команд, 4 –окно ввода значений).
Рис. 4. Рабочая панельНа примере следует показать взаимодействие функциональных узлов, каждый процесс сопровождается визуализацией. Подсвечиваются активные ячейки памяти, блоки АЛУ, которые выполняют арифметические и логические операции. Пример 1.«Даны значения целых чисел b,c,d,e. Составить программувычислений по формуле» [4]:a= (b+c)/d–e.Для решения задачи требуется ввести значения целых чисел в память визуальной модели. Для указания ячеек памятинеобходимо задать адреса: первые 2 цифры адреса –это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в столбце, вторые 2 –это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в строке. Например, адрес первой ячейки памяти представлен цифрами 0000. Ячейка с адресом 0000 –переменная b, 0001 –c, 0010 –d, 0011 –e. После ввода значений выполняются арифметические операции. Для выполнения операции сложения необходимо указать модификатор команды сложения двух чисел –0010, ячейки памяти в которых записаны значения переменных bи с, и адрес ячейки с результатом операции. Команда деления –0101, команда вычитания –0011, ячейки памяти указываются аналогично. Для вывода полученного значения на экран предлагаемой модели необходимо выполнить копирование (команда 1000) в ячейку видеопамяти с адресом 1111 и вывести на экран значение, используя команду 1101. Алгоритм решения задачи представлен в таблице 3.Таблица 3
Алгоритм решения задачиMODY1Y2Y3ЗначениеПояснение00000000
Целое числоВвод значения b00000001
Целое числоВвод значения c00000010
Целое числоВвод значения d00000011
Целое числоВвод значения e0010000000010100Сумма чиселОперация сложения значений переменных bи c0101010000100101Частное чиселОперация деления (b+c)/d0011010100110110Разница чиселОперация вычитания (b+c)/de100001101111
Значение результатаКопирование результата вычислений в ячейку видеопамяти1101
Вывод ячейки видеопамятиПринцип двоичного кодирования также отражен в модели: когда значение заносится в ячейку памяти, то происходит перевод десятичного числа в двоичную систему счисления в прямом коде, так как модель оперирует только целыми положительными числами. На рисунке 5отражена данная операция. 4231
Рис. 5. Преобразование десятичного числа в прямой кодПроцессор –центральное устройство компьютераСовременные процессоры состоят из множества функциональных блоков, но для начального представления об устройстве процессора нет необходимости рассматривать их все. В модели реализованы два функциональных блока АЛУ. На рисунке 6изображена структура процессора визуальной учебной модели компьютера (1 –первый блок арифметикологического устройства, обеспечивает выполнение арифметических и логических операций, заданных пользователем. 2 –второй блок арифметикологического устройства, обеспечивает запись и считывание значений в память модели. 3 –индикатор выполнения операции первым блоком АЛУ. 4 –индикатор выполнения операции вторым блоком АЛУ).
Рис. 6. Структура процессораКогда модель компьютера выполняет арифметические и логические операции, то подсвечивается 3 индикатор первого блока АЛУ. Когда модель компьютера выполняет запись или считывание информации, то подсвечивается 4 индикатор второго блока АЛУ. Визуальная учебная модель компьютера оперирует 15 командами четырех видов. Безадресные (команды, не использующие ячейки ОЗУ)Одноадресные (команды, которые используют одну ячейку ОЗУ, например, команда ввода значений в ячейки памяти)Двухадресные (команды, которые используют две ячейку ОЗУ, например, команда Прибавить к АЛУ значение)Трехадресные (команды, которые используют три ячейки ОЗУ, например, команда Сложение двух чисел)Для того чтобы не вводить по одной команде, в модели создана панель задания алгоритма, изображенная на рисунке 7(1 –таблица задания алгоритма: ячейка MOD–модификатор, необходима для записи наименования команды; ячейки Y1, Y2, Y3 предназначены для ввода адресов ячеек памяти, в последнюю ячейку заносятся числа, которые необходимо записать в ячейку ОЗУ; 2 –кнопки добавления и удаления строк в таблице задания алгоритма; 3 –окно выбора временного диапазоны: через промежутки времени модель будет выполнять команды, по умолчанию данный параметр равен 1 секунде; 4 –окно со списком команд, доступных модели). Задав программе алгоритм, имеем возможность 4321следить за процессом выполнения алгоритма с заданным промежутком времени между командами.
Рис.7. Панель задания алгоритмаДля наиболее полного понимания устройства процессора и его взаимодействия с памятью компьютера в визуальной модели реализована панель Центральный процессор (ЦП).
Рис. 8. Центральный процессор (1 –ОЗУ, 2 –блок обработки данных, 3 –блок обработки команд, 4 –устройство управления)На панели расположены 30 ячеек ОЗУ, 16 из которых –это ячейки ОЗУ, предназначенные для работы с данными, 14 ячеек представляют область памяти, в которой записана система команд. Адреса ячеек для работы с данными задаются двоичным кодом, подобно кодам символов в таблицах кодировок. Ячейки с командами задаются такими же двоичными кодами, но с префиксом «С».Блок обработки данных включает в себя регистры: Ак –аккумулятор;АЛУ –арифметикологическое устройство;РОН –регистр общего назначения.Блок обработки команд состоит из:РК –регистр команд;РА –регистр адреса;СК –счетчик команд.Для начала работы с данной панелью следует заполнить регистры, которые необходимы для выполнения команды: это регистры команд, адреса и регистр общего назначения. Остальные регистры, которые недоступны для 123411234редактирования пользователю заполняются автоматически и подсвечиваются красным цветом в случае активности при выполнении команд. При изучении принципа работы центрального процессора ПК для учащихся необходимо создать ситуации полной или частичной неопределенности. Учителю необходимо сообщить лишь расшифровки регистров, далее ученики самостоятельно работают с панелью, определяют, за что отвечает тот или иной регистр процессора, решают учебные задачи. После чего необходимо дать определения каждого регистра и их назначение, что позволит наиболее полно изучить принцип работы ЦП.Учащиеся смогут выполнять практические задания, используя данную визуальную модель компьютера. Это могут быть как простейшие задания на выполнение арифметических операций, так и задания более сложные, например, нахождение суммы двух наибольших чисел из множества заданных. Количество операций ограничено только 16 ячейками памяти, а используемые числа могут принадлежать диапазону от 0 до 65536.Оперативная и долговременная памятьВ визуальной учебной модели (Рабочая панель) реализовано оперативнозапоминающее устройство в виде 16 ячеек памяти (1 –ячейка ОЗУ, модель содержит 16 ячеек памяти, 2 –индекс строки, 3 –индекс столбца).
Рис. 9. ОЗУАдреса ячеек указываются индексом строки и индексом столбца, на пересечении которых находятся.Если ячейка памяти является активной, т.е. в нее записано какоелибо значение или модель выполняет операцию, в которой используется данная ячейка, то ячейка ОЗУ подсвечивается красным цветом. Процесс изображен на рисунке 10.
Рис. 10. Активная ячейка ОЗУ с адресом 0000Если ячейка памяти содержит какоелибо значение, то при нажатии на данную ячейку появляется окно, которое отражает значение ячейки в прямом коде.Устройства вводавывода информацииВ визуальной учебной модели компьютера реализовано окно для ввода команд (1 –ячейка для ввода идентификатора команды; 2 –ячейка для указания первой ячейки памяти, используемой при выполнении команды; 3 ячейка для указания второй ячейки памяти, используемой при выполнении команды; 4 ячейка для указания третьей ячейки памяти, используемой при выполнении команды). Второе окно предназначено для ввода значений. Подразумевается, что устройством ввода информации является клавиатура.
Рис. 11.Окно для ввода команд
Рис. 12. Окно ввода значений Ячейка ОЗУ с адресом 1111 выполняет функцию видеопамяти, поэтому в модели реализован дисплей для отображения значения ячейки видеопамяти. Дисплей включается из главного меню модели.
Рис. 13. Вывод информации на экран Представленная визуальная учебная модель компьютера отражает основные принципы функционирования компьютера, модель имеет удобный пользовательский интерфейс, процессы обработки информации визуально отражаются, что позволяет наглядно показать, как функционируют и взаимодействуют между собой основные функциональные блоки ПК. Модель свободна от технических аспектов построения компьютеров, учащимся не требуются знания микроэлектроники для полного восприятия информации. Разработаны методические рекомендации по использованию визуальной учебной модели компьютера в процессе обучения. Таким образом, изучение темы «Архитектура компьютера» на основе использования визуальной учебной модели компьютера является эффективным средством в образовательном процессе.
Ссылки на источники1.Архитектура компьютера [Электронный ресурс], режим доступа: http://www.physics.unialtai.ru/2.Угринович,Н.Д.Преподаваниекурса«ИнформатикаиИКТ»восновнойистаршейшколе:Методическоепособие/Н.Д.Угринович.–2‐еизд.,испр.идоп. –М.:БИНОМ.Лабораториязнаний, 2005. –182с.3.Преподаваниебазовогокурсаинформатикивсреднейшколе:Методическоепособие/И.Г.Семакин,Т.Ю.Шеина. 2‐еизд.,испр.идоп.М.:
БИНОМ.Лабораториязнаний, 2004. –540с.4.Занимательныезадачипоинформатике/Л.Л.Босова, А.Ю. Босова, Ю.Г. Коломенская. –М.: БИНОМ. Лабораториязнаний, 2005. 119с.
Gerasimov Maxim Sergeevich,the student of Lesosibirsk Pedagogical Institute –the branch of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education “Siberian Federal University”, LesosibirskMaksimSergeevi4SFU@gmail.com
1234Kirgizova Elena Victorovna,candidate of Pedogogical Sciences, Associate Professor of chair of Higher Mathematics and Computer Science, Lesosibirsk Pedagogical Institute –the branch of Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education “Siberian Federal University”, LesosibirskEvk221161@yandex.ru
The methodology of using visual training model for the organization of thestudy of computer architecture
Annotation.The article is devoted to the development of basic components and structure of learning a visual model of the computer. There is a review of methodological features of the visual model for the organization of the computer study of the topic "Computer Architecture" in the school curriculum of computer science.Keywords:visual model, computer architecture, instruction set, inputoutput devices, CPU registers, the solution of educational problems, RW memory.
