Лекция 13. Методика изучения содержательной линии исполнителя

 

Лекция 13. Методика изучения содержательной линии исполнителя

Представление числовой информации

Представление данных в компьютере

Представление символьной информации.

Представление графической информации.

Представление звука.

Основные устройства ЭВМ и принцип программного управления.

Методические подходы к раскрытию понятия архитектуры ЭВМ

Архитектура персонального компьютера (ПК).

Изучение архитектуры ЭВМ на учебных моделях.

 

Одна из содержательных линий базового курса информатики — линия исполнителя – компьютера. Эта линия делится на четыре ветви: устройство компьютера; программное обеспечение; представление данных в ЭВМ; история и перспективы развития ЭВМ.

Линия компьютера проходит через весь курс. В большинстве тем базового курса ученики имеют дело с компьютером, углубляя свои представления о его устройстве, возможностях; развивая собственные навыки работы на компьютере. Освоение содержательной линии «Компьютер» происходит по двум целевым направлениям:

1) теоретическое изучение устройства, принципов функционирования и организации данных в ЭВМ;

2) практическое освоение компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных видов работы с информацией.

Представление данных в компьютере

Изучаемые вопросы:

ª Представление числовой информации.

ª Представления символьной информации.

ª Представление графической информации.

ª Представление звука.

По своему назначению компьютер — универсальное, программно-управляемое автоматическое устройство для работы с информацией. Из свойства универсальности следует то, что компьютер осуществляет все три основных типа информационных процессов: хранение, передачу и обработку информации. Современные компьютеры работают со всеми видами информации: числовой, символьной, графической, звуковой. Информация, хранимая в памяти компьютера и предназначенная для обработки, называется данными.

Как уже говорилось в предыдущем разделе, для представления всех видов данных в памяти компьютера используется двоичный алфавит. Однако интерпретация последовательностей двоичных цифр для каждого вида данных своя. Еще раз подчеркнем, что речь идет о внутреннем представлении данных, в то время как внешнее представление на устройствах ввода-вывода имеет привычную для человека форму.

Представление числовой информации. Исторически первым видом данных, с которым стали работать компьютеры, были числа. Первые ЭВМ использовались исключительно для математических расчетов. В соответствии с принципами Джона фон Неймана, ЭВМ выполняет расчеты в двоичной системе счисления. Вопрос о внутреннем (машинном) представлении чисел рассмотрим несколько подробнее, чем это делается в учебниках.

Структурные единицы памяти компьютера — бит, байт и машинное слово. Причем понятия бита и байта универсальны и не зависят от модели компьютера, а размер машинного слова зависит от типа процессора ЭВМ. Если машинное слово для данного компьютера равно одному байту, то такую машину называют 8-разрядной (8 бит); если машинное слово состоит из 2 байтов, то это 16-разрядный компьютер; 4-байтовое слово у 32-разрядных ЭВМ. Обсуждение вопроса о том, как представляются числа в памяти ЭВМ, будем вести на примере 16-разрядной машины.

Числа в памяти ЭВМ хранятся в двух форматах: в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей точкой. Под точкой здесь и в дальнейшем подразумевается знак разделения целой и дробной части числа. Формат с фиксированной точкой используется для хранения в памяти целых чисел. В этом случае число занимает одно машинное слово памяти (16 бит). Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа Л^в форме с фиксированной точкой нужно:

1) перевести число N в двоичную систему счисления;

2) полученный результат дополнить слева незначащими нулями до 16 разрядов.

Например, N = 1607₁₀ = 11001000111₂. Внутреннее представление этого числа в машинном слове будет следующим:

 

 

В сжатой шестнадцатеричной форме этот код запишется так: 0647.

Двоичные разряды в машинном слове нумеруются от 0 до 15 справа налево. Старший 15-й разряд в машинном представлении любого положительного числа равен нулю. Поэтому максимальное целое число в такой форме равно:

0111 1111 1111 1111₂ = 7FFF₁₆ = (2¹⁵- 1) = 32767₁₀.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (-N) нужно:

1) получить внутреннее представление положительного числа N;

2) получить обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0;

3) к полученному числу прибавить 1.

Определим по этим правилам внутреннее представление числа 1607₁₀.

1) 0000 0110 0100 0111

2) 1111 1001 1011 1000

3)_______________ +1

    1111 1001 1011 1001 - результат

Шестнадцатеричная форма результата: F9B9.

Описанный способ представления целого отрицательного числа называют дополнительным кодом. Старший разряд в представлении любого отрицательного числа равен 1. Следовательно, он указывает на знак числа и поэтому называется знаковым разрядом.

Применение дополнительного кода для внутреннего представления отрицательных чисел дает возможность заменить операцию вычитания операцией сложения с отрицательным числом: N – M =  N + (-М). Очевидно, должно выполняться следующее равенство: N + (-N) = 0. Выполним такое сложение для полученных выше чисел 1607 и —1607:

0000 0110 0100 0111 1607

1111 1001 1011 1001 -1607

       1 0000  0000 0000 0000       0

Таким образом, единица в старшем разряде, получаемая при сложении, выходит за границу разрядной сетки машинного слова и исчезает, а в памяти остается ноль.

Выход двоичных знаков за границу ячейки памяти, отведенной под число, называется переполнением. Для вещественных чисел такая ситуация является аварийной. Процессор ее обнаруживает и прекращает работу (прерывание по переполнению). Однако при вычислениях с целыми числами переполнение не фиксируется как аварийная ситуации и прерывания не происходит.

Двоичное 16-разрядное число 1000 0000 0000 0000 = 2¹⁵ является «отрицательным самому себе»:

1000 0000 0000 0000   2¹⁵

0111 1111 1111 1111

_________________+1

1000 0000 0000 0000 -2¹⁵

Этот код используется для представления значения —2¹⁵ = —32768. Следовательно, диапазон представления целых чисел в 16-разрядном машинном слове:

В общем случае для k-разрядного машинного слова этот диапазон следующий:

В разных типах ЭВМ используются разные варианты организации формата с плавающей точкой. Вот пример одного из вариантов представления вещественного числа в 4-байтовой ячейке памяти:

Формат с плавающей точкой используется как для представления целочисленных значений, так и значений с дробной частью. В математике такие числа называют действительными, в программировании — вещественными.

Формат с плавающей точкой предполагает представление вещественного числа R в форме произведения мантиссы (т) на основание системы счисления (л) в некоторой целой степени, которую называют порядком (р):

Порядок указывает, на какое количество позиций и в каком направлении должна сместиться («переплыть») точка в мантиссе. Например, 25,324₁₀ = 0,25324´10². Однако справедливы и следующие равенства:

Следовательно, представление числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Чтобы не было неоднозначности, в ЭВМ используют нормализованную форму с плавающей точкой. Мантисса в нормализованной форме должна удовлетворять условию:

Для рассмотренного числа нормализованной формой будет: 0,25324 хЮ².

В памяти ЭВМ мантисса представляется как целое число, содержащее только ее значащие цифры (нуль целых и запятая не хранятся). Следовательно, задача внутреннего представления вещественного числа сводится к представлению пары целых чисел: мантиссы (т) и порядка (р). В рассмотренном нами примере т = 25324, р = 2.

В разных типах ЭВМ используются разные варианты организации формата с плавающей точкой. Вот пример одного из вариантов представления вещественного числа в 4-байтовой яч6ейке памяти:

 

Машинный порядок

М а

н  т  и  с

c    а

          1-й байт         2-й байт      3-й байт             4-й байт

 

В старшем бите 1-го байта хранится знак числа: 0 — плюс, 1 — минус; 7 оставшихся битов 1-го байта содержат машинный порядок; в следующих 3-х байтах хранятся значащие цифры мантиссы.

В рамках базового курса информатики вопрос о представлении вещественных чисел может рассматриваться лишь на углубленном уровне. Теоретический материал и практические задания на эту тему имеются в пособии.

Представление символьной информации. В настоящее время одним из самых массовых приложений ЭВМ является работа с текстами. Термины «текстовая информация» и «символьная информация» используются как синонимы. В информатике под текстом понимается любая последовательность символов из определенного алфавита. Совсем не обязательно, чтобы это был текст на одном из естественных языков (русском, английском и др.). Это могут быть математические или химические формулы, номера телефонов, числовые таблицы и пр. Будем называть символьным алфавитом компьютера множество символов, используемых на ЭВМ для внешнего представления текстов.

Первая задача — познакомить учеников с символьным алфавитом компьютера. Они должны знать, что

- алфавит компьютера включает в себя 256 символов;

- каждый символ занимает 1 байт памяти.

Эти свойства символьного алфавита компьютера, в принципе, уже знакомы ученикам. Изучая алфавитный подход к измерению информации, они узнали, что один символ из алфавита мощностью 256 несет 8 бит, или 1 байт, информации, потому что 256 = 2⁸. Но поскольку всякая информация представляется в памяти ЭВМ в двоичном виде, следовательно, каждый символ представляется 8-разрядным двоичным кодом. Существует 256 всевозможных 8-разрядных комбинаций, составленных из двух цифр «0» и «1» (в комбинаторике это называется числом размещений из 2 по 8 и равно 2⁸): от 00000000 до 11111111. Удобство побайтового кодирования символов очевидно, поскольку байт — наименьшая адресуемая часть памяти и, следовательно, процессор может обратиться к каждому символу отдельно, выполняя обработку текста. С другой стороны, 256 символов — это вполне достаточное количество для представления самой разнообразной символьной информации.

Далее следует ввести понятие о таблице кодировки. Таблица кодировки — это стандарт, ставящий в соответствие каждому символу алфавита свой порядковый номер. Наименьший номер — 0, наибольший — 255. Двоичный код символа — это его порядковый номер в двоичной системе счисления. Таким образом, таблица кодировки устанавливает связь между внешним символьным алфавитом компьютера и внутренним двоичным представлением.

Международным стандартом для персональных компьютеров стала таблица ASCII. На практике можно встретиться и с другой таблицей — КОИ-8 (Код Обмена Информацией), которая используется в глобальных компьютерных сетях, на ЭВМ, работающих под управлением операционной системы Unix, а также на компьютерах типа PDP. К ним, в частности, относится отечественный школьный компьютер Электроника-УКНЦ.

От учеников не нужно требовать запоминания кодов символов. Однако некоторые принципы организации кодовых таблиц они должны знать. Следует рассмотреть вместе с учениками таблицу кода ASCII, приведенную в ряде учебников и в справочниках. Она делится на две части. Международным стандартом является лишь первая половина таблицы, т.е. символы с номерами от 0 до 127. Сюда входят строчные и прописные буквы латинского алфавита, десятичные цифры, знаки препинания, всевозможные скобки, коммерческие и другие символы. Символы с номерами от 0 до 31 принято называть управляющими. Их функция — управление процессом вывода текста на экран или печать, подача звукового сигнала, разметка текста и т.п. Символ номер 32 — пробел, т.е. пустая позиция в тексте. Все остальные отражаются определенными знаками. Важно обратить внимание учеников на соблюдение лексикографического порядка в расположении букв латинского алфавита, а также цифр. На этом принципе основана возможность сортировки символьной информации, с которой ученики впервые встретятся, работая с базами данных.

Вторая половина кодовой таблицы может иметь различные варианты. В первую очередь, она используется для размещения национальных алфавитов, отличных от латинского. Поскольку для кодировки русского алфавита — кириллицы, применяются разные варианты таблиц, то часто возникают проблемы с переносом русского текста с одного компьютера на другой, из одной программной системы в другую. Можно сообщить ученикам, что таблица кодировки символов 128 — 255 называется кодовой страницей и каждый ее вариант имеет свой номер. Так, например, в MS-DOS используется кодовая страница номер 866, а в Windows — номер 1251.

В качестве дополнительной информации можно рассказать о том, что проблема стандартизации символьного кодирования решается введением нового международного стандарта, который называется Unicode. Это 16-разрядная кодировка, т.е. в ней на каждый символ отводится 2 байта памяти. Конечно, при этом объем занимаемой памяти увеличивается в два раза. Но зато такая кодовая таблица допускает включение до 65 536 символов. Ясно, что в нее можно внести всевозможные национальные алфавиты.

Представление графической информации. Существуют два подхода к решению проблемы представления изображения на компьютере: растровый и векторный. Суть обоих подходов в декомпозиции, т.е. разбиении изображения на части, которые легко описать.

Растровый подход предполагает разбиение изображения на маленькие одноцветные элементы — видеопиксели, которые, сливаясь, дают общую картину. В таком случае видеоинформация представляет собой перечисление в определенном порядке цветов этих элементов. Векторный подход разбивает всякое изображение на геометрические элементы: отрезки прямой, эллиптические дуги, фрагменты прямоугольников, окружностей, области однородной закраски и пр. При таком подходе видеоинформация — это математическое описание перечисленных элементов в системе координат, связанной с экраном дисплея. Векторное представление более всего подходит для чертежей, схем, штриховых рисунков.

Нетрудно понять, что растровый подход универсальный, т.е. он применим всегда, независимо от характера изображения. В силу дискретной (пиксельной) структуры экрана монитора, в видеопамяти любое изображение представляется в растровом виде. На современных ПК используются только растровые дисплеи, работающие по принципу построчной развертки изображения.

Информация в видеопамяти (видеоинформация) представляет собой совокупность кодов цвета каждого пикселя экрана. Отсюда следует, что вопрос о представлении изображения связан со способами кодирования цветов. Физический принцип получения разнообразных цветов на экране дисплея заключается в смешивании трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Значит информация, заключенная в коде пикселя должна содержать сведения о том, какую интенсивность (яркость) имеет каждая составляющая в его цвете. Достаточно подробно этот вопрос раскрыт в учебнике.

Необходимо раскрыть перед учениками связь между кодом цвета и составом смеси базовых цветов. Следует начать с рассмотрения варианта восьмицветной палитры. В этом случае используется трехбитовый код и каждый бит такого кода обозначает наличие (1) или отсутствие (0) соответствующего базового цвета. В следующей таблице приведены коды восьмицветной палитры (табл. 22.1).

Таблица 22.1

Двоичный код восьмицветной палитры

к	3	с	Цвет
0	0	0	Черный
0	0	1	Синий
0	1	0	Зеленый
0	1	1	Голубой
1	0	0	Красный
1	0	1	Розовый
1	1	0	Коричневый
1	1	1	Белый

Биты в таком коде распределены по принципу «КЗС», т. е. первый бит отвечает за красную составляющую, второй — за зеленую, третий — за синюю. По этой теме ученики должны уметь отвечать на вопросы такого типа:

— Смешиванием каких цветов получается розовый цвет?

— Известно, что коричневый цвет получается смешиванием красного и зеленого цветов. Какой код у коричневого цвета?

При программировании цветных изображений принято каждому цвету ставить в соответствие десятичный номер. Получить номер цвета очень просто. Для этого его двоичный код, рассматривая как целое двоичное число, следует перевести в десятичную систему счисления. Тогда, согласно табл. 9.1, номер черного цвета — 0, синего — 1, зеленого — 2 и т.д. Белый цвет имеет номер 7. Полезными, с точки зрения закрепления знаний двоичной системы счисления, являются вопросы такого рода:

— Не глядя в таблицу, назвать десятичный номер красного цвета.

Только после того, как ученики разобрались с 8-цветной палитрой, можно переходить к рассмотрению кодирования большего числа цветов. Таблица кодов 16-цветной палитры приведена в учебнике [14]. Это те же восемь цветов, но имеющие два уровня яркости. Управляет яркостью дополнительный четвертый бит — бит интенсивности. В структуре 16-цветного кода «ИКЗС» И — бит интенсивности. Например, если в 8-цветной палитре код 100 обозначает красный цвет, то в 16-цветной палитре: 0100 — красный, 1100 — ярко-красный цвет; ОНО — коричневый, 1110 — ярко-коричневый (желтый).

Палитры большего размера получаются путем раздельного управления интенсивностью каждого из трех базовых цветов. Для этого в коде цвета под каждый базовый цвет выделяется более одного бита. Например, структура восьмибитового кода для палитры из 256 цветов такая: «КККЗЗЗСС», т.е. по 3 бита кодируют красную и зеленую составляющие и 2 бита — синюю. В результате полученная величина — это объем видеопамяти, необходимый для хранения одного кадра, одной страницы изображения. Практически всегда в современных компьютерах в видеопамяти помещается одновременно несколько страниц изображения.

При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами. Графическая информация — это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок.

Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось X направлена слева направо; вертикальная ось Y— сверху вниз.

Отрезок прямой линии однозначно определяется указанием координат его концов; окружность — координатами центра и радиусом; многоугольник — координатами его углов, закрашенная область — граничной линией и цветом закраски и пр. Подробнее о векторной графике см. учебник [6, ч. 2], а также [5].

Векторный формат изображения создается в результате использования графических редакторов векторного типа, например CorelDraw. Получаемая таким образом информация сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop), а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в представлении графической информации в растровом и векторном форматах существует лишь для графических файлов. При выводе красная и синяя составляющие имеют по 8 (2³) уровней интенсивности, а синяя — 4 (2²). Всего: 8x8x4 = 256 цветов.

Связь между разрядностью кода цвета — b и количеством цветов — ^(размером палитры) выражается формулой: К= 2^Ь. В литературе по компьютерной графике величину b принято называть битовой глубиной цвета. Так называемая естественная палитра цветов получается при b = 24. Для такой битовой глубины палитра включает более 16 миллионов цветов.

При изучении данной темы следует раскрыть связь между величинами битовой глубины, разрешающей способностью графической сетки (размером растра) и объемом видеопамяти. Если обозначить минимальный объем видеопамяти в битах через Vm, разрешающую способность дисплея — M´N (М точек по горизонтали и N точек по вертикали), то связь между ними выразится формулой:

 

Полученная величина – это объм видеопамяти, необъодимый для хранения одного кадра, одной страницы изображения. Практически всегда в современных компьютерах в видеопамяти помещается одновременно несколько страниц изображения.

При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и т.д., которые называются графическими примитивами. Графическая информация – это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок.

Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось Х  направлена слева направо; вертикальная ось Y – сверху вниз.

Отрезок прямой линии, однозначно определяется указанием координат его концов; окружность – координатами центра и радиусом; многоугольник – координатами его углов; закрашенная область – граничной линией и цветом закраси и пр. Подробнее о векторной графике см. учебник [6, ч. 2], а также  [5].

Векторный формат изображения создается в рнезультате использования графических редакторов векторного типа, например, CorelDraw. Получаемая таким образом информация сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop), а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в представлении графической информации в растровом и векторном форматах существует лишь для графических файлов. При выводе на экран любого изображения, в видеопамяти формируется информация растрового типа, содержащая сведения о цвете каждого пикселя.

Представление звука. Современные компьютеры «умеют» сохранять и воспроизводить звук (речь, музыку и пр.). Звук, как и любая другая информация, представляется в памяти ЭВМ в форме двоичного кода.

В существующих учебниках по базовому курсу информатики тема представления звука в компьютере практически не освещена (этот материал имеется в некоторых пособиях для профильных курсов). В то же время в требования обязательного минимума стали включаться вопросы технологии мультимедиа. Как известно, звук является обязательной компонентой мультимедиа-продуктов. Поэтому дальнейшее развитие базового курса потребует включения в него темы представления звука. Кратко обсудим этот вопрос.

Основной принцип кодирования звука, как и кодирования изображения, выражается словом «дискретизация».

 

При кодировании изображения дискретизация — это разбиение рисунка на конечное число одноцветных элементов — пикселей. И чем меньше эти элементы, тем меньше наше зрение замечает дискретность рисунка.

Физическая природа звука — это колебания в определенном диапазоне частот, передаваемые звуковой волной через воздух (или другую упругую среду). Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера

Аудиоадаптер (звуковая плата) — специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.

В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера. Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью.

Частота дискретизации — это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду — 1 килогерц (кГц). Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и др.

Разрядность регистра — число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 2^s = 256 (2¹⁶ = 65536) различных значений. Очевидно, 16-разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8-разрядный.

Звуковой файл — файл, хранящий звуковую информацию в числовой двоичной форме. Как правило, информация в звуковых файлах подвергается сжатию.

 

Пример. Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен.

Решение. Формула для расчета размера (в байтах) цифрового аудиофайла (монофоническое звучание): (частота дискретизации в Гц) х ( время записи в сек) х (разрешение в битах)/8.

Таким образом, размер файла вычисляется так: 22050´10´8/8 = 220500 байт.

 

Методические подходы к раскрытию понятия архитектуры ЭВМ

В ходе изучения базового курса ученики должны постепенно углублять свои знания об архитектуре компьютера вплоть до получения представлений о языке машинных команд, о работе процессора. Необходимость таких знаний следует из основной концепции курса: направленности на фундаментальное, базовое образование.

Как правило, в учебниках разъясняются общие понятия архитектуры без привязки к конкретным маркам ЭВМ. Практическая же работа на уроках происходит на определенных моделях компьютеров. В связи с этим возникает проблема увязки общетеоретических знаний с практикой. Эту проблему должен решать учитель. Вводя общие понятия, например объем памяти, разрядность процессора, тактовая частота и др., следует сообщать ученикам, какие конкретно значения этих параметров имеются у школьных компьютеров. Рассказывая о назначении устройств ввода и вывода, о носителях информации, учитель должен продемонстрировать эти устройства, познакомить учеников с их характеристиками, с правилами обращения. Безусловно, нужно рассказывать о возможностях и характеристиках более совершенной и современной техники, чем та, что есть в школе, раскрывать перспективы ее развития. Однако прежде всего ученики должны хорошо узнать свой компьютер.

Основные устройства ЭВМ и принцип программного управления. Главные понятия данной темы: архитектура ЭВМ; память ЭВМ (оперативная, внешняя); процессор; устройства ввода; устройства вывода; программное управление.

О смысле понятия «архитектура ЭВМ» говорилось выше. Для раскрытия этого понятия в учебнике [6] используется дидактический прием аналогии. Суть его сводится к следующему. По своему назначению компьютер — это универсальная машина для работы с информацией. Но в природе уже есть такая «биологическая машина» — это человек! Информационная функция человека рассматривалась в предыдущих разделах курса. Она сводится к умению осуществлять три типа информационных процессов: хранение информации, обработку информации, прием-передачу информации, т. е. поддерживать информационную связь с внешним миром. Значит, в состав устройств компьютера должны входить технические средства для реализации этих процессов. Они называются: память, процессор, устройства ввода и вывода (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Функция	Человек	Компьютер
Хранение информации	Память	Устройства памяти
Обработка информации	Мышление	Процессор
Прием информации	Органы чувств	Устройства ввода
Передача информации	Речь, двигательная система	Устройства вывода

Деление памяти компьютера на внутреннюю и внешнюю также поясняется через аналогию с человеком. Внутренняя память — это собственная (биологическая) память человека; внешняя память — это разнообразные средства записи информации: бумажные, магнитные и пр.

Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации. Из внешнего мира информация поступает в компьютер через устройства ввода; поступившая информация попадает во внутреннюю память. Если требуется длительное ее хранение, то из внутренней памяти она переписывается во внешнюю. Обработка информации осуществляется процессором при непрерывной двусторонней связи с внутренней памятью: оттуда извлекаются исходные данные, туда же помещаются результаты обработки. Информация из внутренней памяти может быть передана во внешний мир (человеку или другим компьютерам) через устройства вывода. Сказанное схематически отображено на рис. 10.2.

Рис 10.2 Состав и структура ЭВМ

Небольшой комментарий к рис. 10.2. Иногда структурную схему ЭВМ изображают иначе: информационные потоки, идущие от устройств ввода к устройствам вывода, связывают не с внутренней памятью, а с процессором. С точки зрения маршрута движения информации в компьютере, это справедливо. Действительно все операции в компьютере, в том числе и ввод-вывод, производятся с участием регистров процессора. Схема на рис. 9.1 отражает скорее не маршруты, а цели (результаты) процессов информационного обмена в компьютере. Результатом ввода является запись данных в оперативную память. На устройства вывода выносится информация из оперативной памяти. Из рис. 9.1 ясно видно, что, например, нельзя ввести данные непосредственно во внешнюю память, минуя внутреннюю. Именно эти положения должны быть поняты учениками при изучении работы компьютера.

Архитектуру ЭВМ нельзя описывать статично. В сознании учеников с самого начала необходимо создавать представление о функционировании компьютера. Для решения любой задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. И данные и программа представляются в определенной форме, «понятной» машине, заносятся во внутреннюю память и затем компьютер переходит к выполнению программы, т.е. решению задачи. Компьютер является формальным исполнителем программы.

Необходимо подчеркнуть, что любая работа выполняется компьютером по программе, будь то решение математической задачи, перевод текста с иностранного языка, получение рисунков на экране, игра с пользователем и пр. Подводя итог теме, следует сказать, что суть принципа программного управления компьютером сводится к следующим трем положениям:

1) любая работа выполняется компьютером по программе;

2) исполняемая программа находится в оперативной памяти;

3) программа выполняется автоматически.

Виды памяти ЭВМ. О делении памяти на внутреннюю и внешнюю уже было сказано. Какие свойства каждого из этих видов памяти должны усвоить ученики? Следует говорить о двух типах свойств: о физических свойствах и о принципах организации информации.

Внутренняя память. К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

• это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;

• это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;

• это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

В качестве дополнительной информации ученикам можно сообщить, что в компьютере имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в ПЗУ не меняется. ПЗУ — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.

Внешняя память. Есть две разновидности носителей информации, используемых в устройствах внешней памяти: магнитные и оптические. Существуют магнитные ленты и магнитные диски. Оптические диски называются CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory — компактный диск — только для чтения). На магнитные носители информацию можно записывать многократно, на оптические — только один раз. По аналогии с отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти, свойства внешней памяти описываются так:

• внешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;

• внешняя память — медленная по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты — магнитные диски — оптические диски;

• объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей — неограничен.

Необходимо обращать внимание учеников на точность в используемой терминологии. Ленты, диски — это носители информации. Устройство компьютера, которое работает с магнитной лентой, записывает и считывает с нее информацию, называется накопителем на магнитной ленте (НМЛ). Употребляется также английское название этого устройства — стример. Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на магнитном диске (НМД), или дисководом. С оптическими дисками работает оптический дисковод. Он умеет только читать информацию с CD-ROM. Кроме того, существуют специальные приставки к компьютеру, позволяющие записывать информацию на «чистый» оптический диск.

Теперь — о принципах организации информации. Изучив базовый курс, ученики должны будут узнать, что

1) компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми, графическими, звуковыми;

2) любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде.

Сформулированные положения следует сообщить ученикам в данной теме и в последующих темах к ним возвращаться.

Двоичный вид обозначает то, что любая информация в памяти компьютера представляется с помощью всего двух символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления информации еще называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит передача и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так: есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль. На магнитных носителях единице соответствует намагниченный участок поверхности, нулю — не намагниченный.

Организация внутренней памяти. Информационную структуру внутренней памяти следует представлять как последовательность двоичных ячеек — битов. Схематически такое представление изображено на рис. 9.2.

Номера байтов	Биты
0	0	1	1	0	1	0	0	0
1	1	1	0	0	1	1	0	1
2	1	0	0	0	1	1	1	0
3	0	1	1	1	0	0	1	1
….

 

Рис. 10.3 - Структура внутренней памяти

Битовая структура внутренней памяти определяет ее первое свойство: дискретность. Каждый бит памяти в данный момент хранит одно из двух значений: 0 или 1, т.е. один бит информации. В процессе работы компьютера эти нули и единички «мигают» в ячейках. Можно предложить ученикам такой зрительный образ: представьте себе память компьютера в виде фасада многоэтажного дома вечером. В одних окнах горит свет, в других — нет. Окно — это бит памяти. Окно светится — единица, не светится — нуль. И если все жильцы начнут щелкать выключателями, то фасад будет подобен памяти работающего компьютера, в которой перемигиваются единички и нули.

Второе свойство внутренней памяти называется адресуемостью. Но адресуются не биты, а байты — 8 расположенных подряд битов памяти. Адрес байта — это его порядковый номер в памяти. Здесь снова можно предложить аналогию с домом: квартиры в доме пронумерованы; порядковый номер квартиры — ее адрес. Только в отличие от квартир, нумерация которых начинается с единицы, номера байтов памяти начинаются с нуля. Доступ к информации в оперативной памяти происходит по адресам', чтобы записать данные в память, нужно указать, в какие байты ее следует занести. Точно так же и чтение из памяти производится по адресам. Таким способом процессор общается с оперативной памятью. Можно продолжить аналогию с домом: чтобы попасть в нужную квартиру или переслать туда письмо, нужно знать адрес.

Итак, информационная структура внутренней памяти — бито-во-байтовая. Ее размер (объем) обычно выражают в килобайтах, мегабайтах.

Организация внешней памяти. Информационная структура внешней памяти — файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является файл. Для объяснения этого понятия в учебной литературе часто предлагается книжная аналогия: файл — это аналог наименьшего поименованного раздела книги (параграфа, рассказа). Конечно, информация, хранящаяся в файле, тоже состоит из битов и байтов. Но в отличие от внутренней памяти байты на дисках не адресуются. При поиске нужной информации на внешнем носителе должно быть указано имя файла, в котором она содержится; сохранение информации производится в файле с конкретным именем.

Надо сказать, что понятие файла усваивается детьми постепенно, с накоплением опыта практической работы на компьютере. В первой прикладной теме — работа с текстом, им предстоит самим сохранять файлы, открывать файлы. И только после этого представление о файлах из абстрактного превратится в конкретное.

На магнитные носители информация записывается (и считывается) с помощью магнитной головки накопителя, подобно бытовому магнитофону. Линия, по которой магнитная головка контактирует с магнитной поверхностью носителя, называется дорожкой. На ленте дорожки продольные (прямые), на диске — круговые. Магнитная головка дисковода подвижная. Она может перемещаться вдоль радиуса диска. При таком перемещении происходит переход с одной дорожки на другую.

Книжная аналогия помогает понять ученикам назначение корневого каталога диска — его своеобразного оглавления. Это список, в котором содержатся сведения о файлах на диске; иногда его называют директорией диска. В каталоге содержатся сведения о файле (имя, размер в байтах, дата и время создания или последнего изменения). Эта информация всегда хранится на определенных дорожках. Если список файлов вывести на экран, то, подобно просмотру оглавления книги, из него можно получить представление о содержимом диска.

Архитектура персонального компьютера (ПК). Существуют различные классы электронно-вычислительных машин: суперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ. Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микроЭВМ. В абсолютном большинстве учебных заведений используются ПК. По этой причине ученики прежде всего должны получить представление об устройстве персонального компьютера.

Структуру ПК, изображенную на рис. 9.3, принято называть архитектурой с общей шиной (другое название — магистральная архитектура). Впервые она была применена на мини-ЭВМ третьего поколения, затем перенесена на микроЭВМ и ПК. Ее главное достоинство — простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств. Отмеченные возможности принято называть принципом открытой архитектуры ПК.

 

Рис. 10.4. Архитектура персонального компьютера

 

Рис. 10.4, так же как и рис. 10.1, отражает информационное взаимодействие между устройствами, но применительно к персональному компьютеру. Этот рисунок содержит в себе некоторые конструктивные детали, характерные для ПК. В нем присутствует следующая информация: роль центрального процессора в ПК выполняет микропроцессор; в качестве устройства ввода используется клавиатура; устройства вывода — монитор и принтер; устройство внешней памяти — дисковод. Информационная связь между устройствами осуществляется через общую многопроводную магистраль (шину); внешние устройства подсоединены к магистрали через контроллеры (обозначены треугольниками). Необходимо обратить внимание учеников на то, что принципы информационного взаимодействия, отраженные на рис. 9.1, справедливы и для ПК. Таким образом, эти две схемы дополняют друг друга.

Можно сказать, что основным устройством ПК является микропроцессор (МП). Это мозг машины. В первую очередь, возможности МП определяют возможности компьютера в целом. Для пользователя наиболее важным свойством ЭВМ является ее быстродействие, т. е. скорость обработки информации. Для ЭВМ первых поколений было принято выражать быстродействие компьютера в количестве операций, выполняемых за одну секунду (опер./с). В те времена компьютеры использовались главным образом для математических расчетов, поэтому имелись в виду арифметические и логические операции. Такая характеристика быстродействия позволяла спрогнозировать время решения математической задачи. На современных компьютерах гораздо более разнообразны типы решаемых задач, виды обрабатываемой информации. Единица «опер./с» сейчас не употребляется. Скорость работы компьютера зависит от целого ряда его характеристик. Важнейшими из них являются две характеристики процессора: тактовая частота и разрядность. Можно использовать аналогию понятию тактовой частоты с частотой ударов метронома, задающего темп исполнения музыкального произведения. Кстати, эту музыкальную аналогию можно усилить, если сказать о том, что различные устройства компьютера подобны музыкантам ансамбля, исполняющим одно произведение. Своеобразной партитурой здесь является программа, а генератор тактовой частоты задает темп исполнению. И чем быстрее он «стучит», тем быстрее работает компьютер, решается задача.

Разрядность процессора — это размер той порции информации, которую процессор может обработать за одну операцию (одну команду). Такими порциями процессор обменивается данными с оперативной памятью. На современных компьютерах чаще всего используются 32- и 64-разрядные процессоры. Фактически разрядность тоже влияет на быстродействие, поскольку, чем больше разрядность, тем больший объем информации может обработать процессор за единицу времени.

Видеосистема персонального компьютера. В учебнике [6] дается описание состава и принципов работы технических средств компьютерной графики. Следует напомнить учащимся, что при первом знакомстве с устройством компьютера говорилось о том, что работой каждого внешнего устройства ПК управляет специальный контроллер. Основным устройством вывода графических изображений является дисплей. Работой дисплея управляет видеоконтроллер. Употребляется также другой термин для обозначения этого устройства — видеоадаптер; в комплекте устройств ПК его еще называют видеокартой.

Основные представления об устройстве дисплея, которые должны извлечь ученики из этого материала: дискретная (пиксельная) структура экрана; сетка пикселей (растр); сканирование растра электронным лучом; частота сканирования; трехцветная структура пикселя цветного монитора. Данный материал изобилует физическими понятиями: электронный луч, люминесценция, смешение трех базовых цветов. Эти понятия относятся к областям электроники и физической оптики, еще не знакомым ученикам из курса физики. Не следует долго и подробно задерживаться на этих вопросах. Вполне достаточно того описательного уровня объяснения, который приведен в учебнике. Впоследствии в старших классах на уроке физики ученики подробно узнают о сути данных физических явлений. Первое же знакомство с ними на уроке информатики станет своеобразной пропедевтикой и, кроме того, хорошей иллюстрацией системности научных знаний.

Материал данного раздела позволяет «заглянуть внутрь» видеоконтроллера. Как и раньше, это знакомство происходит на уровне архитектуры, т.е. не изучаются вопросы технической реализации, а дается лишь функциональное описание. С этой точки зрения видеоконтроллер состоит из двух частей: видеопамяти и дисплейного процессора. Ученикам следует дать представление о роли этих устройств в процессе получения изображения на экране.

Основной универсальный для ЭВМ принцип заключается в том, что компьютер работает с информацией, хранящейся в его памяти в двоичном виде. Следовательно, всякое изображение на экране — это отражение информации в памяти ЭВМ — видеоинформации. Первоначально видеоинформация формируется в оперативной памяти (при открытии графического файла, при рисовании в графическом редакторе). Вывод на экран происходит в результате передачи видеоинформации контроллеру монитора: информация записывается в видеопамять и сразу же воспроизводится на экране, вследствие непрерывной работы дисплейного процессора, управляющего работой монитора. Таким образом, видеопамять является своеобразным буфером между ОЗУ и дисплеем. Смена «картинки» на экране является следствием смены содержимого видеопамяти. Ученики должны понять, что система вывода на экран работает совершенно одинаково, не зависимо от того, какого рода информация выводится: текст ли это, неподвижный рисунок или анимация.

В качестве устройства ввода изображения с листа в компьютерную память используется сканер. Следует подчеркнуть взаимообратную функцию системы вывода изображения на экран и системы ввода изображения с помощью сканера (рис. 9.4).

 

 

 

Рис. 10.5. Преобразование видеоинформации при выводе

               на экран и при сканировании

 

Развитие представлений учащихся о программном обеспечении ЭВМ

Изучаемые вопросы:

-       Назначение программного обеспечения ЭВМ.

-       Классификация программного обеспечения ЭВМ.

-       Что такое прикладное ПО.

-       Назначение систем программирования.

-       Основные функции операционной системы.

-       Начальные сведения об организации файлов.

Основная педагогическая задача этой линии базового курса — привести учеников к пониманию того факта, что современный компьютер представляет собой двуединую систему, состоящую из аппаратной части (технических устройств) и информационной части (программного обеспечения). Полезно познакомить учащихся с терминами hardware & software — твердая компонента и мягкая компонента компьютера, поскольку в последнее время они употребляются довольно часто.

 

КОМПЬЮТЕР  =  АППАРАТУРА  +  ПРОРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

                                    (hardware)                                   (software)

Логика раскрытия этой темы учителем может быть отражена в следующих рассуждениях. Если компьютер выполняет любую работу только под управлением программы, то значит ли это, что человек, желающий воспользоваться компьютером, должен уметь программировать? Если бы компьютер представлял собой только «голую» аппаратуру, то это было бы так. Причем программировать пришлось бы на языке процессора. Так было на самых первых ЭВМ, на которых могли работать только профессиональные программисты.

Классификация программного обеспечения. В учебнике [6] рассматривается классификация ПО, согласно которой все программы делятся на системные, прикладные и системы программирования (рис. 23.7). Надо сказать, что это не единственный вариант классификации ПО, который встречается в литературе. Подобные классификации носят, в некотором смысле, субъективный характер. Однако рассмотренное в учебнике деление является одним из наиболее распространенных, и в него хорошо вписываются все те программные продукты, с которыми будут знакомиться ученики в процессе изучения информатики. Между программами, относящимися к этим трем группам, есть достаточно четкое различие по их назначению.

 

Рис 23.7. Структура программного обеспечения ЭВМ

 

Что такое прикладное программное обеспечение. Проще всего ученикам понять назначение прикладных программ. Это те программы, которые непосредственно удовлетворяют информационные потребности пользователя: поиграть в компьютерную игру, напечатать рассказ, нарисовать рисунок на экране и распечатать его на бумаге, найти в компьютерном словаре перевод английского слова; выполнить вычисления с помощью калькулятора, изображенного на экране; изучить с помощью компьютера правила уличного движения и многое другое. Задача учителя — рассказать ученикам, а еще лучше — продемонстрировать разнообразные прикладные возможности современных компьютеров. То, что принято называть современными информационными технологиями, прежде всего, состоит из множества прикладных программ. На первом же уроке по данной теме приведите примеры некоторых прикладных программ, имеющихся на школьных компьютерах. Например, если в вашем классе используются IBM PC с операционной системой Windows, представьте программы из группы «Стандартные»: «Калькулятор», «Блокнот», «Paint», объяснив их назначение.

Подробное изучение средств прикладного программного обеспечения происходит при изучении тем, относящихся к содержательной линии «Информационные технологии». В рамках базового курса ученики знакомятся лишь с прикладными программами общего назначения: текстовыми и графическими редакторами, системами управления базами данных, табличными процессорами, сетевыми программами: браузерами, поисковыми серверами.

Требования к знаниям и умениям учащихся по линии исполнителя

Учащиеся должны знать:

• правила техники безопасности при работе на компьютере;

• состав основных устройств компьютера, их назначение и информационное взаимодействие;

• основные характеристики компьютера в целом и его узлов (различных накопителей, устройств ввода и вывода информации);

• структуру внутренней памяти компьютера (биты, байты); понятие адреса памяти;

• типы и свойства устройств внешней памяти;

• типы и назначение устройств ввода-вывода;

• сущность программного управления работой компьютера.

• принципы организации информации на дисках: что такое файл, каталог (папка), файловая структура;

• назначение программного обеспечения и его состав;

• основные этапы развития информационно-вычислительной техники, программного обеспечения ЭВМ и информационных технологий;

• *принципы архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана;

• *структуру машинной команды;

• *состав процессора и назначение входящих в него элементов (арифметико-логического устройства, устройства управления, регистров);

• *как процессор выполняет программу (цикл работы процессора);

• *состав и функции операционной системы.

 

Учащиеся должны уметь:

• включать и выключать компьютер;

• пользоваться клавиатурой;

• вставлять дискеты в накопители;

• ориентироваться в типовом интерфейсе: пользоваться меню, обращаться за справкой, работать с окнами;

• инициализировать выполнение программ из программных файлов;

• просматривать на экране директорию диска;

• выполнять основные операции с файлами и каталогами (папками): копирование, перемещение, удаление, переименование, поиск;

• доставить простую линейную программу на языке машинных команд одного из учебных компьютеров («Нейман», «Кроха», «Малютка» и др.);

• *работатъ с сервисными программами: архиваторами, анти-вирусниками и др.;

• *с помощью системных средств управлять диалоговой средой операционной системы (оболочкой NC для MS-DOS, «Рабочим столом» для Windows).

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие темы базового курса информатики относятся к содержательной линии компьютера?

2. С какой информацией может работать современный компьютер? Можно ли утверждать, что компьютер может работать с любой информацией, с которой имеет дело человек?

3. Зачем в ЭВМ используются два формата представления чисел: с фиксированной точкой и с плавающей точкой? Почему бы не ограничиться лишь одним «плавающим» форматом?

4. Как объяснить ученикам смысл терминов «фиксированная точка», «плавающая точка»?

5. Какие основные принципы организации таблиц символьной кодировки необходимо объяснить ученикам?

6. В чем различие между растровым и векторным представлением изображения? Какой способ является более универсальным?

7. Какое практическое значение может иметь для пользователя понимание принципов внутреннего представления изображения, выводимого на экран?

8. Придумайте рисунок (чертеж, схему и т.п.), поясняющий смысл процесса дискретизации для представления звука в памяти ЭВМ.

9.       Есть ли аналогия между понятием архитектуры применительно к строительству и применительно к компьютерам? В чем она состоит?

10.  Какие представления об устройстве и работе ЭВМ входят в понятие «архитектура», а какие — нет?

11.  В чем суть методической идеи использования аналогии между человеком и компьютером при объяснении устройства ЭВМ?

12.  Дан перечень различных носителей информации, используемых в ЭВМ: ОЗУ, ПЗУ, регистры процессора, магнитные ленты, магнитные диски, оптические диски. Расположите их в порядке возрастания информационной емкости носителя (в среднем); расположите их в порядке возрастания быстродействия (уменьшения времени чтения/записи).

13.  Перечислите обязательный (минимальный) набор сведений, которые должны знать ученики об устройстве ПК.

14.  Какие устройства входят в состав видеосистемы ПК? Какие количественные характеристики определяют качество работы видеосистемы ПК?

15.  Дайте методическое обоснование применению моделей учебных компьютеров в базовом курсе информатики.

16.  Какие общие сведения должны получить ученики, независимо от используемого типа учебного компьютера?

17.  Предложите методический подход к раскрытию идеи единства аппаратного и программного обеспечения современного компьютера.

18.  Почему знания о структуре и составе программного обеспечения ЭВМ являются необходимыми, базовыми?

19.  Как объяснить ученикам, что такое прикладная программа?

20.  С какими основными свойствами операционных систем в первую очередь должны быть ознакомлены ученики?

21.  Какие первоначальные сведения о назначении систем программирования должны быть сообщены ученикам?

 

Литература :

1. Методика преподавания информатики: Учебное пособие для студентов педвузов/ М.П.Лапчик и др. Москва «Академия», 2001. – 624 с.
2. Бидайбеков Е.Ы., Абдулкаримова Г.А. Информатика и средства информатики в начальной школе: Учебно-методическое пособие для студентов педагогического университета. – Алматы, 2002. – 80 с.
3. БочкинА.И. Методика преподавания информатики: Учебное пособие. - М.: Высш. шк., 1998.
4. Лапчик М.П., Семакин И., Хеннер Е.К. Методика преподавания информатики: Учеб-ное пособие. - М.: Академия, 2005. 622 с.
5. Малев В.В., Малева А.А. Частная методика преподавания информатики. – Воронеж: ВГПУ, 2007.
6. Рекомендованные учебники по информатике;
7. Журнал «Информатика и образование».Веб-сайт: http://www.infojournal.ru.
8. Газета «Информатика» (приложение к газете «Первое сентября»). Веб-сайт: http://inf.1september.ru.
9. Приложения к журналу «Информатика и образование».