Особенности изучения архитектуры компьютера на основе визуальной учебной модели

Герасимов М.С.

Лесосибирский педагогический институт – филиал Сибирского федерального университета, Россия

ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛЬНОЙ УЧЕБНОЙ МОДЕЛИ

В школьном курсе информатики и ИКТ устройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера. Как это ни удивительно, архитектура современных компьютеров в основе своей остается неизменной уже 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.

Изучение архитектуры и работы ЭВМ на примере какого-то реального компьютера было бы слишком сложным, поэтому нами была разработана учебная модель компьютера, которая в значительной степени упрощает изучение архитектуры ПК.

Учебная модель включает:

1. систему команд, предназначенные для описания работы ПК: одноадресные команды, двухадресная команда, трехадресные команды, безадресная команда. 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 30 ячеек, 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».

Обращение, к какой-либо ячейке памяти выполняется указанием ее адреса: адрес указывается 4 цифрами (см. рисунок 1). Ячейки не содержат регистров.

3. Центральный процессор представлен схемой с регистрами, схема включает в себя два блока (блок обработки команд и блок обработки данных) и управляющее устройство. ЦП выполняет две функции: перевод входных данных в двоичную систему счисления, представление арифметических и логических операций в десятичной системе счисления.

1

2

3

4

$C:\Users\Max\Desktop\2.jpg$

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.

Для того чтобы не вводить по одной команде, выделена форма ввода алгоритма, в которой задается необходимое количество операций для решения задачи, выставляется интервал исполнения инструкций. После чего учащийся сможет наблюдать за исполнением команд, которые при выполнении визуализируют процесс работы модели.

3

2

1

$C:\Users\Max\Desktop\1.jpg$

Рис 2. Панель задания алгоритма (1 – список команд, 2 – окно ввода последовательности команд, 3 – интервал выполнения действий)

2

4

3

1

$C:\Users\Max\Desktop\3.jpg$

Рис. 3 Центральный процессор (1 – ОЗУ, 2 – блок обработки данных, 3 – блок обработки команд, 4 – устройство управления)

Блок обработки данных включает в себя регистры:

1. Ак – аккумулятор;

2. АЛУ – арифметико-логическое устройство;

3. РОН – регистр общего назначения.

Блок обработки команд состоит из:

1. РК – регистр команд;

2. РА – регистр адреса;

3. 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 редактирования 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.

Рассмотрим решение задачи с использованием визуальной учебной модели.

Пример. Три сопротивления R₁, R₂,R₃ соединены параллельно. Найти сопротивление соединения:

Решение. Воспользуемся формулой:

R=R₁*R₂*R₃/(R₂*R₃+R₁*R₃+R₁*R₂)

Для решения задачи требуется ввести значения целых чисел в память визуальной модели. Для указания ячеек памяти необходимо 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, для обращения к первой ячейке памяти, ее адрес представлен цифрами 0000. Ячейка с адресом 0000 – переменная R₁, 0001 – R₂, 0010 – R₃. После ввода значений выполняются арифметические операции. Для выполнения операции умножения необходимо указать модификатор команды умножения двух чисел – 0100, ячейки памяти в которых записаны значения переменных R₁ и R₂, и адрес ячейки с результатом операции. Для вывода полученного значения на экран 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 1.

Таблица 1

MOD	Y1	Y2	Y3	Значение	Пояснение
0000	0000			R₁	Ввод значения первого сопротивления
0000	0001			R₂	Ввод значения второго сопротивления
0000	0010			R₃	Ввод значения третьего сопротивления
0100	0000	0001	0011	R₁* R₂
0100	0011	0010	0011	(R₁* R₂)* R₃	Значение числителя заносится в ячейку 0011
0100	0001	0010	1000	R₂* R₃
0100	0000	0010	1001	R₁* R₃
0010	1000	1001	1010	R₂* R₃+ R₁* R₃
0010	1010	0011	1011	(R₂* R₃+ R₁* R₃)* R₁* R₂	Значение знаменателя заносится в ячейку 1011
0101	0011	1011	1111	R₁R₂R₃/(R₂R₃+R₁R₃+R₁*R₂)	Значение искомого сопротивления заносим в ячейку видеопамяти
1101					Вывод ячейки видеопамяти

Таким образом, представленная визуальная учебная модель свободна от технических аспектов построения компьютеров и является высокоэффективным средством обучения в образовательном процессе.

Использованные источники:

1. Архитектура компьютера [Электронный ресурс]: учебное пособие / Н. Б. Догадин. — 2-е изд. (эл.). — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 272 с.

2. 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.