Методическая разработка по Информатике на тему "Архитектура компьютера"

Конспект урока.

 Компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая  организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных  ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

 Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

·        Центрального процессора

·        Основной памяти

·        Внешней памяти

·        Переферийных устройств

Магистрально-модульный принцип.
Основой архитектуры современных компьютеров является магистрально-модульный принцип организации аппаратных компонентов. Здесь все информационные и управляющие потоки между устройствами организуются с помощью шинной технологии.

В системную магистраль (системную шину) микропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления.

Шина данных

— это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разрядов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а также максимально возможное количество команд. Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями.

Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистрали. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных.

Шина адреса

— вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную сложность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запоминаемых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как 2 ^N, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управление магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП).

Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот.

Шина управления

— это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы процессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого доступа.

Сигналы шины управления могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии шины управления могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексированных линий).

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина адреса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (Рис. 1). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные.

Мультиплексирование шин адреса и данных.

Порты и контроллеры.

Рассматривая IBM-совместимую компьютерную архитектуру можно разделить все устройства на системные (процессор, оперативная память и т.д.) и внешние, которые подразделяются на запоминающие (жесткий диск, CR-ROM и т.д.) и устройства ввода/вывода (клавиатура, принтер и т.д.). Каждое из устройств должно подсоединяться к системной шине. Существуют следующие основные способы подключения устройств к системной шине:

Разъем

- Используется для системных устройств. Обычно встроен в материнскую плату. Устройство подключенное к разъему с точки зрения архитектуры является жизненно необходимым для работы ПК. Системная шина также имеет разъемы на материнской плате для подключения контроллеров. Наиболее распространненными являются PCI, AGP и PCI-Express. Используя разъем устройство подключается непосредственно к системной шине

Порт

- Представляет собой аналог разъема с тем отличием, что порт предназначен для подключения внешних устройств не соединяющихся напрямую с материнской платой. Работу устройств подключенных посредством порта обычно контролирует операционнная система. Различают:

·         параллельные порты, в которых данные передаются параллельными блоками. Последовательные порты: COM.

·         последовательные порты, в которых данные передаются последовательно друг за другом. Параллельные порты: LPT.

·         последовательно-параллельные порты, в которых данные передаются последовательно, но параллельными блоками. Последовательно-параллельные порты: USB.

Синонимом порта является интерфейс.

Контроллер

- обеспечивает сопряжение внешнего устройства и системной платы. Контроллеры бывают либо интегрированными (встроенными) в материнскую плату(контроллер клавиатуры, жесткого диска и т.д.), либо выполняются в виде отдельной платы, вставляющейся в разъем на МП, в этом случае контроллер называют адаптером (видеоадаптер, сетевой адаптер и т.д.).

Общая организация узлов и устройств ЭВМ

• 1 слайд

  Архитектура
  компьютеров.
  

• 2 слайд

  Цель урока: Познакомить обучающихся с архитектурой компьютера.
  
  Задачи урока:
  Образовательные:
  познакомить обучающихся с устройством компьютера;
  дать представление о функциональном назначении устройств компьютера.
  
  Развивающие:
  развитие познавательного интереса к предмету;
  формирование навыков обобщения и систематизации полученной информации.
  
  Воспитательные:
  способствовать расширению кругозора учащихся, повышению их интеллекта.
  
  

• 3 слайд

  Архитектура ЭВМ-
  это описание устройства и принципов работы компьютера, достаточное для пользователя
  Человек
  Органы чувств
  Мышление(обработка информации)
  Прием (ввод) информации
  ЭВМ (компьютер)
  Хранение информации
  Мозг человека
  Речь, жесты…
  Устройства памяти
  Устройства ввода
  Передача (вывод) информации
  Устройства
  ввода
  Устройства вывода
  Процессор
  Устройства
  вывода
  Процессор
  Внутренняя
  память
  Внешняя
  память
  Средства связи
  компьютера
  с внешним миром
  Средства
  долговременного
  хранения
  информации
  

• 4 слайд

  Основные устройства ПК
  Системный блок:
  
  блок питания,
  система охлаждения,
  материнская плата,
  центральный процессор,
  память (ОЗУ, ПЗУ, кэш),
  шины,
  видеокарта,
  звуковая плата,
  сетевая плата
  Монитор
  Мышь
  Клавиатура
  

• 5 слайд

  Схема
  «Основные устройства
  персонального компьютера»
  ОЗУ
  контроллер
  контроллер
  контроллер
  контроллер
  Клавиатура
  Принтер
  Дисплей
  Дисковод
  ОЗУ
  ПЗУ
  Процессор
  Шина данных
  МАГИСТРАЛЬ Шина адреса
  Шина управления
  

• 6 слайд

  Память компьютера
  Память компьютера
  
  ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
  Располагается на материнской плате
  Используется для временного хранения данных в процессе непосредственной
  работы компьютера
  Обеспечивает режимы записи, считывания, хранения информации
  (ЭНЕРГОЗАВИСИМА)
  
  ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
  Используется для постоянного хранения данных, не требующих
  вмешательства пользователя (программы запуска, управления работой
  процессора клавиатурой, принтером, внешней памятью )
  Предназначено для считывания информации (ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМА)
  Кэш память (промежуточное запоминающее устройство)
  Внутренняя кэш память размещается внутри процессора
  Внешняя кэш память размещается на системной плате
  Используется для увеличения производительности компьютера, согласования
  работы устройств с различным быстродействием, при обмене данными между
  процессором и оперативной памятью
  

• 7 слайд

  Процессор
  ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРА
  Разрядность - размер машинного слова, равный числу одновременно
  обрабатываемых битов. Чем больше разрядность процессора, тем
  больше информации он может обработать в единицу времени, тем
  выше его эффективность.
  Тактовая частота – количество выполняемых операций в единицу
  времени. Генератор (микросхема процессора) отсчитывает
  необходимое количество тактов для выполнения определенной
  Операции. Тактовая частота возросла до 333 и более мегагерц.
  Адресное пространство – максимальное количество памяти,
  которое может обслужить процессор. Представляет собой
  совокупность адресов, используемых в данной вычислительной
  системе.
  

• 8 слайд

  Системная шина
  Представляет собой набор проводников, объединяющих основные узлы системной платы
  Позволяет осуществлять взаимодействие между процессором и остальными компонентами компьютера
  Осуществляется как передача информации, так и адресация устройств и обмен специальными служебными сигналами
  
  

• 9 слайд

  Системная шина
  Процессор устанавливает на шине адреса адрес ячейки памяти, которую хочет прочитать;
  На шине управления процессор выставляет сигнал готовности и сигнал чтения;
  Заметив сигнал готовности, все устройства проверяют, не стоит ли на шине адреса их адрес;
  Оперативная память, заметив, что выставлен ее адрес, считывает управляющий сигнал;
  Память читает адрес;
  Память выставляет на шине данных требуемую информацию;
  Память выставляет на шине управления сигнал готовности;
  Процессор читает данные с шины данных
  
  СИСТЕМНАЯ ШИНА
  Шина данных
  Адресная
  шина
  Шина
  управления
  Поэтапное взаимодействие процессора
  с оперативной памятью
  Шина данных
  Адресная
  шина
  

• 10 слайд

  Контроллеры
  Декодирует сигнал, поступающий от процессора
  Посылает обработанный сигнал для выполнения его устройством
  Полученный двоичный сигнал преобразует в вид понятный пользователю
  Вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их портам подключаются дополнительные устройства
  
  

• 11 слайд

  ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ
  Используются для подсоединения
  внешних устройств, которым
  необходимо передать на близкое
  расстояние большой объем
  информации (принтер, сканер)
  Общее число не превышает трех
  
  Используются для подключения устройств ввода и вывода к системному блоку
  Порты
  П О Р Т Ы
  ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ
  Используются для подключения
  манипуляторов, модемов и других устройств
  при последовательной пересылки информации
  на большое расстояние
  Общее число не превышает четырех
  
  

• 12 слайд

  Устройства
  ввода
  Клавиатура
  Манипуляторы
  Джойстик
  Мышь
  Трекбол
  Сенсорные устройства ввода
  Световое перо
  Графический планшет
  Сканер
  Устройства распознавания речи
  

• 13 слайд

  Устройства вывода
  Монитор
  Колонки
  Принтер
  

• 14 слайд

  Итог урока
  Описание архитектуры компьютера предполагает рассмотрение функционального назначения устройств без какой-либо технической конкретизации;
  Выполнение заданных функций каждым устройством компьютера позволяет функционировать системе в целом;
  Управление компьютером осуществляется благодаря процессору, который обрабатывает команды данной программы;
  Для долговременного хранения информации используются устройства внешней памяти;
  Для ускорения работы компьютера используется внутренняя память, созданная для быстрого доступа
  

• 15 слайд

  Домашнее задание:
  Колмыкова Е.А., Кумскова И.А., стр 69-74.
  
  

Тема: Архитектура компьютеров.

Тип урока: изучение нового материала.

Цель урока: Познакомить обучающихся с архитектурой компьютера.

Задачи урока:

Образовательные:

·        познакомить обучающихся с устройством компьютера;

·        дать представление о функциональном назначении устройств компьютера.

Развивающие:

·        развитие познавательного интереса к предмету;

·        формирование навыков обобщения и систематизации полученной информации.

Воспитательные:

·        способствовать расширению кругозора учащихся, повышению их интеллекта.

Материалы и оборудование к уроку:

·        компьютер;

·        презентация;

·        проектор.

План урока:

1.     Орг. момент. Проверка готовности учащихся к уроку. Проверка присутствующих.

2.     Сообщение темы и целей урока.

3.     Изучение новой темы «Архитектура компьютеров».

4.     Закрепление полученных знаний.

5.     Подведение итогов урока.

Домашнее задание: Колмыкова Е.А., Кумскова И.А., стр 69-74.

Краткое описание документа:

• Тема: Архитектура компьютеров.
• Тип урока: изучение нового материала.

Цель урока: Познакомить обучающихся с архитектурой компьютера.

Задачи урока:

Образовательные:

• познакомить обучающихся с устройством компьютера;

дать представление о функциональном назначении устройств компьютера.

• Развивающие:
• развитие познавательного интереса к предмету;
• формирование навыков обобщения и систематизации полученной информации.
• Воспитательные:
• способствовать расширению кругозора учащихся, повышению их интеллекта.

Материалы и оборудование к уроку:

• компьютер;
• презентация;
• проектор.

План урока:

1.Орг. момент. Проверка готовности учащихся к уроку. Проверка присутствующих.

2.Сообщение темы и целей урока.

3.Изучение новой темы «Архитектура компьютеров».

• 4.Закрепление полученных знаний.
• 5.Подведение итогов урока.

Домашнее задание: Колмыкова Е.А., Кумскова И.А., стр 69-74.