МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

Герасимов М.С., Киргизова Е.В.

Лесосибирский педагогический институт –

филиал Сибирского федерального университета, Россия

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. «В этих условиях для учителя информатики необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его основных технических характеристик и функциональных возможностей» [3]. 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.

Модель компьютера позволяет наглядно и достаточно просто изучить назначение функциональных блоков ЭВМ, логику выполнения операций, понять сущность информационных процессов происходящих в компьютере, визуально проследить за порядком исполнения той или иной операции, научиться говорить на языке компьютера.

В рамках нашей работы мы разработали модель компьютера, в наименьшей степени, отражающую техническую сторону построения ЭВМ и в наибольшей степени визуализирующую процесс выполнения команд компьютером, принцип построения и работу памяти и АЛУ.

Учебная модель включает:

1. систему команд, предназначенные для описания работы ПК: одноадресные команды (выполняют функции ввода информации в ячейки памяти, удаления значений из памяти, арифметические операции, происходящие в АЛУ, а также копирование значений в функциональный блок арифметико-логического устройства); двухадресная команда (команда для работы с памятью); трехадресные команды (арифметические операции, условные переходы); безадресная команда (команда вывода значения ячейки видеопамяти на экран). Команды имеют одинаковую структуру, первые 4 значащие цифры это наименование команды, затем в зависимости от количества используемых адресов применяются наименования ячеек памяти.

2. компонент модели – память, типа ОЗУ представляет собой 16 ячеек, адреса ячеек задаются двоичным кодом, подобно кодам символов в таблицах кодировок.

Обращение, к какой-либо ячейке памяти выполняется указанием ее адреса: адрес указывается 4 цифрами, первые 2 – это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в столбце, вторые 2 – это двоичные цифры, расположенные напротив ячейки памяти в строке. Например, для обращения к первой ячейке памяти, ее адрес представлен цифрами 0000. Ячейки памяти не содержат регистров.

3. арифметико-логическое устройство выполняет две функции: перевод входных данных в двоичную систему счисления, представление арифметических и логических операций в десятичной системе счисления.

2

1

4

3

Скрин1 копия

Рис. 1 Рабочая панель (1 – ОЗУ, 2 – АЛУ, 3 – окно ввода данных, 4 – окно ввода команд)

Для начала работы пользователю требуется выполнить запись входных данных в ячейку памяти, путем ввода значения в окно входных данных и указания соответствующей команды. После ввода необходимого количества начальных значений пользователь может перейти к выполнению арифметических, логических команд. Для этого необходимо указать нужную операцию и ячейки памяти, над которыми будет выполняться данная операция.

Рассмотрим применение визуальной учебной модели компьютера в процессе изучения темы «Архитектура компьютера».

При объяснении понятия архитектура компьютера следует рассмотреть принципы Джона фон Неймана, его модель реализации функциональных узлов компьютера. Визуальная учебная модель построена по архитектуре фон Неймана, что демонстрирует рисунок 1.

Принцип 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 2 отражена данная операция.

$C:\Users\Max\Desktop\Безимени-1.jpg$

Рис. 2 Преобразование десятичного числа в прямой код

1

Процессор – центральное устройство компьютера. Современные 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 3 изображена структура процессора визуальной учебной модели компьютера (1 – первый блок арифметико-логического устройства, обеспечивает выполнение арифметических и логических операций, 2 – второй блок АЛУ, обеспечивает запись и считывание значений в память модели, 3 – индикатор выполнения операции первым блоком АЛУ, 4 – индикатор выполнения операции вторым блоком АЛУ).

2

4

$C:\Users\Max\Desktop\АЛУ.jpg$

Рис. 3. АЛУ

Для того чтобы не вводить по одной команде, в модели создана панель задания алгоритма (1 – таблица задания алгоритма, 2 – кнопки добавления и удаления строк таблицы, 3 – установка временного интервала, 4 – список команд), задав программе алгоритм, есть возможность следить за процессом выполнения команд с заданным промежутком времени.

4

3

2

1

$C:\Users\Max\Desktop\йц.jpg$

Рис. 4 Панель задания алгоритма

Ячейка MOD – модификатор в таблице задания алгоритма, 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.

Для наиболее полного понимания устройства процессора и его взаимодействия с памятью компьютера 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.

Так же в модели реализованы внешние устройства, что необходимо для изучения темы «Архитектура компьютера».

Реализовано окно для ввода команд (1 – модификатор команды, 2,3,4 – ячейки памяти, используемые АЛУ) и окно для ввода значений, подразумевается, что устройством ввода информации является клавиатура.

4

3

2

1

$C:\Users\Max\Desktop\п.jpg$

Рис. 5 Окно для ввода команд

Ячейка ОЗУ с адресом 1111 выполняет функцию видеопамяти, поэтому в модели реализован дисплей для отображения значения ячейки видеопамяти. Дисплей включается из главного меню модели.

$C:\Users\Max\Desktop\йцкппп.jpg$

Рис. 6 Экран для отображения информации занесенной в ячейку видеопамяти.

Таким образом, изучение темы «Архитектура компьютера» на основе использования визуальной учебной модели компьютера является эффективным средством в образовательном процессе.

Визуальная учебная модель компьютера создана для отражения основных принципов 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.

Использованные источники:

1. Методика преподавания информатики: Учеб. пособие для студ. пед. Вузов /М. П. Лапчик, И. Г. Семакин, Е. К. Хеннер; Под общей ред. М. П. Лапчика. – Москва: Изд-во «Академия», 2008. – 624 с.

2. Центр развития образования [Электронный ресурс], режим доступа: http://www.maystro.ru/

3. Архитектура компьютера [Электронный ресурс], режим доступа: http://www.physics.uni-altai.ru/

4. Угринович, Н.Д. Преподавание курса «Информатика и ИКТ» в основной и старшей школе: Методическое пособие / Н.Д. Угринович.– 2‐е изд., испр. и доп. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 182 с.