Практическая работа на тему: «Основополагающие принципы устройства компьютеров» (10 класс))

Вопросы и задания по теме:

«Основополагающие принципы устройства компьютеров»

1. Основные компоненты устройства. Подчеркните состав основных компонентов устройства, предназначенного для автоматических вычислений согласно первому принципу фон Неймана.

а)  блок обработки данных,   б)  блок управления,  в)  блок памяти,

г)  блоки ввода/вывода информации,  д)  блок защиты от вирусов,  е) блок включения/выключения.

2. Типы памяти компьютера. Укажите типы памяти компьютера.

а)  ОЗУ,  б)  ПЗУ,   в)  внешняя память,   г)  АЛУ,  д)  УУ

3. Устройства ввода информации. Выберите устройства ввода информации.

а)  мышь,  б)  наушники,   в)  плоттер,   г)  джойстик,  д) клавиатура,   е)  принтер, ж)    тачпад,

з)  монитор,  и)  микрофон,  к)  графический планшет,  л)  колонки, м) сканер.

4. Классическая фон-неймановская архитектура. Продолжите фразу «В компьютерах с классической фон-неймановской архитектурой все процессы ввода-вывода находились под управлением ___________________________».

5. Принцип двоичного кодирования информации. Выберите утверждения, характерные для принципа двоичного кодирования информации.

а)  Текстовая информация представляется в виде десятичных чисел.

б)  Программы представляются в виде двоичного кода.

в)  Только числовая информация представляется в виде двоичного кода.

г)  В ЭВМ используется двоичная система счисления.

д) Данные представляются в виде последовательности нулей и единиц.

6.Контроллеры. Определение. Продолжите фразу, выбрав соответствующий вариант ответа.

В современных компьютерах контроллерами называются ______________________________________».

а)  специальные программы,  б)  специальные микропроцессоры,   в)  программы для обмена данными между процессором и внешними устройствами,   г)  специальные драйверы.

7. Виды устройств обработки данных. Распределите устройства по категориям.

Устройства ввода	Устройства вывода

Сканер, монитор, микрофон,  плоттер, тачпад, колонки, клавиатура, графический планшет, мышь, джойстик, наушники, принтер.

8. Последовательность действий процессора. Опишите последовательность действий процессора.

_________________________________________________________________________________________

9. Программное обеспечение современных электронных устройств. Восстановите утверждение.

Команды и _________________  размещаются в  ____________памяти, состоящей из _______________ , имеющих свои номера (адреса).

10.  Обмен между устройствами компьютера. Дополните утверждение.

«_____________________— устройство для обмена ________________между устройствами компьютера».

11. Шины. Установите соответствие.

организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)	Шина данных
используется для указания физического адреса устройства
используется для передачи данных между узлами компьютера	Шина адреса
используется для обработки данных
организует передачу данных	Шина управления
используется для указания адреса устройства управления

12.Принципы фон Неймана. Установите соответствие между принципами фон Неймана.

Принцип адресной памяти	Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, но внешне в памяти они различимы
Принцип однородности памяти	Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса)
Принцип разнородности памяти	Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы
Принцип организованности памяти	Команды программ и данные хранятся в разных отделах памяти, поэтому внешне в памяти они отличаются

13. Счётчик адреса команд. Какая команда хранится в счётчике команд?

Важным элементом устройства управления является счётчик адреса команд, где в любой момент времени хранится адрес ____________________________________________________________________

14. Элементы внутренней или внешней памяти. Зачеркните те элементы, которые не являются внутренней или внешней памятью.

а)  ОЗУ,  б)  ПЗУ,   в)  внешняя память,   г)  АЛУ,  д)  УУ, е) сканер, ж)  CPU,

з)  жёсткий диск,  и) карта памяти, к)  флэш-накопитель.

Практическая работа

«Функциональная схема компьютера»

1. Заполните функциональную схему компьютера.

[ Устройства ввода,  Устройства вывода,  Процессор (АЛУ, УУ),  Память (ОЗУ, ПЗУ),  Внешняя память ]

2. Войдя  в свойства компьютера, опишите характеристики персонального компьютера и характеристику операционной системы.

3. Выберите вкладку àСистема à Дисплей и опишите характеристики экрана в таблице по образцу см. ниже –  (разрешение экрана, ориентация экрана, расширенные параметры дисплея – режим рабочего стола, режим активного сигнала, разрядность, цветовой формат… ) см. образец таблицы.

№ п/п	Название характеристики	Значение
		Величина	Единицы измерения
1	Разрешение экрана
2	Размер экрана
3	Диагональ экрана
4	Плотность пикселов
5	xdpi/ydpi
6
7

4. Используйте возможности электронных таблиц (или воспользуйтесь каклькулятором) и выполните следующие действия, записывая результаты вычислений:

а. Из курса основной школы вспомните, чему равен 1 дюйм (inch) и переведите размер экрана из миллиметров в дюймы: ______________________________________________________________________________

б. Найдите диагональ экрана, используя теорему Пифагора: _______________________________________

__________________________________________________________________________________________в.  Сравните рассчитанное значение с тем, которое указано в таблице.______________________________

_________________________________________________________________________________________

г. Зная количество точек на дюйм по осям x и y, определите количество точек по горизонтали и вертикали:_________________________________________________________________________________[ Пример решения данного задания – «Определение разрешения экрана монитора в dpi».

1.В операционной системе Windows щелкнуть правой кнопкой мыши по Рабочему столу, появится диалоговое окно Свойства: Экран. Выбрать вкладку параметры и узнать разрешение экрана количество точек по горизонтали и по вертикали. Разрешение по горизонтали = 1024 точки.

2. Измерить с помощью линейки размер изображения на экране монитора по горизонтали (например, для 17" – монитора L – 31,5 см).

3. Определить, чему равен горизонтальный размер изображения на экране монитора в дюймах:  L=31,5 см = 31.5 см/2,54 см/дюйм = 12,4 дюйма.

4. Определить разрешение экрана монитора в dpi:

Разрешение по горизонтали в dpi = 1024 точки / 12,4 дюйма = 82,58 dpi.]

д. Сравните полученное значение с разрешением экрана:_________________________________________

_________________________________________________________________________________________

е. Запишите выводы на основании полученных результатов вычислений: __________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ОТВЕТЫ на вопросы и задания по теме:

«Основополагающие принципы устройства компьютеров»

Вопрос	1	2	3	4	5
Ответ	блок обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки ввода/вывода информации	ОЗУ, ПЗУ, внешняя память	мышь, джойстик, клавиатура, тачпад, микрофон, сканер	процессора	1.Программы представляются в виде двоичного кода. 2. В ЭВМ используется двоичная система счисления. 3. Данные представляются в виде последовательности нулей и единиц.

Вопрос	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Ответ	специальные микропроцессоры	См. ниже	См. ниже	данные единой ячеек	магистраль данными	См. ниже	См. ниже	следующей по порядку выполнения команды	АЛУ  УУ   сканер    CPU

7.

Устройства ввода	Устройства вывода
сканер, микрофон, графический планшет, тачпад, клавиатура, джойстик, мышь	монитор, наушники, плоттер, колонки, принтер

8. 1 чтение команды из памяти и её расшифровка, 2 формирование адреса следующей команды,

3 выполнение команды.

11.

организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)	Шина управления
используется для указания физического адреса устройства	Шина адреса
используется для передачи данных между узлами компьютера	Шина данных

12.

Принцип адресной памяти	Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса)
Принцип однородности памяти	Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы

Компьютеры — наше окружение

В современном высокотехнологичном мире нас окружают компьютеры — большие и маленькие, мощные и не очень, настольные и портативные. Каждому из нас в определенное время предстоит выбор того или иного устройства. Что лучше — настольный компьютер или ноутбук? Ноутбук или планшет? Как же понять, какой из компьютеров выбрать для того, чтобы он наилучшим образом решал поставленные задачи? Для того, чтобы ответить на эти вопросы нужно понимать, как устроены современные компьютеры, какие принципы являются для них основополагающими.

Основополагающие принципы устройства компьютеров

Во второй половине XX века два крупнейших ученых независимо друг от друга сформулировали основные принципы построения компьютера.

К основополагающим принципам Неймана-Лебедева можно отнести следующие:

1. Состав основных компонентов вычислительной машины.

2. Принцип двоичного кодирования.

3. Принцип однородности памяти.

4. Принцип адресности памяти.

5. Принцип иерархической организации памяти.

6. Принцип программного управления.

Рассмотрим подробно каждый из принципов Неймана-Лебедева. Любое устройство, предназначенное для автоматических вычислений, должно содержать определённый состав основных компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Перечисленные в функциональной схеме блоки есть и у современных компьютеров. К ним относятся:

1.      Арифметико-логическое устройство — АЛУ, в котором происходит обработка данных.

2.      Устройство управления (УУ) отвечает за выполнение программы и согласование взаимодействий всех узлов компьютера. В современных компьютерах АЛУ и УУ изготавливаются в виде единой интегральной схемы — микропроцессора.

3.      Память — устройство, где хранятся программы и данные. Различают внутреннюю и внешнюю память. Основная часть внутренней памяти предназначена для оперативного хранения программ и данных, её принято называть оперативным запоминающим устройством — ОЗУ. К внутренней памяти относится и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, англ. ROM — ReadOnlyMemory для диктора ридонлимемори), в нём содержится программа начальной загрузки компьютера. Основное отличие ПЗУ от ОЗУ заключается в том, что при решении задач пользователя содержимое ПЗУ не может быть изменено. Внешняя память, называемая ещё долговременной, используется для длительного хранения программ и данных.

4.      Устройства ввода используются для преобразования данных в удобную для обработки компьютером форму.

5.      Устройства вывода преобразуют работу ЭВМ в удобную для восприятия человеком форму.

Отличительной особенностью функциональной схемы компьютеров первых поколений от являлось то, что программное управление всеми процессами ввода-вывода происходило от процессора.

Рассмотрим принцип двоичного кодирования информации. Он заключается в том, что в ЭВМ используется двоичная система счисления. Это означает, что любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

Благодаря использованию двоичного кодирования для представления не только данных, но и программ, форма их представления становится одинаковой, а это означает, что их можно хранить в единой памяти, поскольку нет принципиальной разницы между двоичным представлением машинной команды, числа, символа и др. В этом заключается принцип однородности памяти.

Оперативная память компьютера представляет собой набор битов — однородных элементов с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, другое — единице. Группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, которые пронумерованы, т. е. имеют свой адрес. Это соответствует принципу адресности памяти.

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и обрабатываться до 64 разрядов, т. е. восьми байтовых ячеек. Это стало возможным при реализации принципа параллельной обработки данных.

С позиции пользователя существуют два противоречивых требования, предъявляемых к памяти компьютера: память должна быть как можно больше, а скорость работы — как можно быстрее.

Противоречие заключается в том, что при увеличении объёма памяти неизбежно уменьшается скорость работы, поскольку увеличивается время на поиск данных. С другой стороны, более быстрая память является и более дорогой, что увеличивает общую стоимость компьютера.

Преодолением противоречия между объёмом памяти и её быстродействием стало использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом состоит принцип иерархической организации памяти.

Основным отличием компьютеров от любых других технических устройств является программное управление их работой.

Важным элементом устройства управления является счётчик адреса команд, где в любой момент времени хранится адрес следующей по порядку выполнения команды. Используя значение из счётчика, процессор поочередно считывает из памяти команду программы, расшифровывает её и выполняет. Действия выполняются до завершения работы программы.

Современные персональные компьютеры разнообразны — это и настольные, и переносные, и планшетные устройства. Они различаются по размерам, назначению, но фунциональное устройство у них одинаковое.

Оно определяется архитектурой персонального компьютера.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

Для рассмотрения взаимодействие основных функциональных узлов обратимся к функциональной схеме компьютера.

На ней представлены основные узлы современного компьютера, к которым, как вам уже известно, относятся процессор, внутренняя память, устройства ввода, устройства вывода и внешняя память.

В компьютерах с классической фон-неймановской архитектурой все процессы ввода-вывода находились под управлением процессора. Поскольку процессор является самым быстрым устройством, то любое обращение к устройствам ввода-вывода и ожидание отклика от них замедляло общее время работы.

В современных компьютерах эту проблему решают специальные электронные схемы, которые обеспечивают обмен данных между процессором и внешними устройствами. Они называются контрОллерами, а на функциональной схеме они обозначены буквой К.

При наличии контроллеров данные могут передаваться по магистрали между внешними устройствами и внутренней памятью без использования процессора.

Это существенно снижает нагрузку на работу центрального процессора, а значит приводит к повышению эффективности работы всей вычислительной системы.

Обмен данными между устройствами осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Магистраль включает в себя шину адреса, шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для указания физического адреса устройства;

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера;

Шина управления организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)

В современных компьютерах применяется магистрально-модульная архитектура, главное достоинство которой лежит в гибкости конфигурации, т. е. возможности изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых внешних устройств, а также замене старых внешних устройств.

Если спецификация на шину опубликована производителем, т. е. является открытой, то говорят о принципе открытой архитектуры. В этом случае пользователь самостоятельно может выбрать дополнительные устройства для формирования компьютерной системы, учитывающей именно его предпочтения.

Мир современных компьютеров широк и многообразен. Персональные компьютеры давно стали многоядерными. Это относится в том числе к смартфонам и планшетным компьютерам.

Однако, существуют не только персональные компьютеры, но и значительно более нагруженные вычислительные системы. Мы начали урок с путешествия в один из дата-центров Яндекса и вы видели огромное количество серверов, которые позволяет обеспечивать пользователей качественными сервисами в режиме 24х7 с высокой скоростью доступа.

Существуют сегодня и суперкомпьютеры, способные решать научные задачи, производить вычисления, связанные с космическими телами, исследованиями микромира и др.

Технические характеристики электронной техники находятся вблизи предельных значений, а это означает необходимость новых технологических решений. Сегодня ведутся исследования в области нанотехнологий, квантовых и биологических компьютеров. Одна из задач вашего поколения — найти новые технологические решения для увеличения мощности компьютеров будущего.

Тезаурус

Принцип — основное, исходное положение какой-либо теории, учения, науки и пр.

Первый принцип фон Неймана — состав основных компонентов вычислительной машины: любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определенный набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, бок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Принцип двоичного кодирования информации: любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

Принцип адресности памяти:

1.      Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса).

2.      Трудности физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти.

Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программ.

Память — устройство, где хранятся программы и данные.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.

ВАЖНО!

Данный материал позволил нам познакомиться с архитектурой ПК, принципами построения и составом основных компонентов компьютеров.

Мы познакомились с такими принципами фон Неймана, как:

1. Состав основных компонентов вычислительной машины.

2. Принцип двоичного кодирования.

3. Принцип однородности памяти.

4. Принцип адресности памяти.

5. Принцип иерархической организации памяти.

6. Принцип программного управления.

Определили понятия архитектуры персонального компьютера, магистрали (шины), контроллера.

Выяснили сущность магистрально-модульной организации компьютера.

Познакомились с перспективными направлениями развития компьютеров.

Дома: §7, определения записать в тетрадь, выполнить поясняющие рис.2.5, рис. 2.7,. ответить письменно на вопросы №10, №11.