Почему компьютер является универсальным устройством по обработке информации

Обновлено: 07.07.2024

Содержательная линия «Компьютер» включает в себя следующие вопросы: история и перспективы развития компьютерной техники, устройство компьютера, техника безопасности при работе за компьютером, представление данных в компьютере. При объяснении функций компонентов компьютера, его внешних устройств рекомендуется использовать метод аналогии с человеком.

Необходимо учесть определенное противоречие, связанное с тем, что при изучении архитектуры компьютера даются лишь общие теоретические представления о его устройстве. На практических же занятиях и в своем личном опыте учащиеся сталкиваются с компьютерами, обладающими конкретными характеристиками: производительностью, памятью и т. д. Поэтому необходимо связать общие представления об архитектуре компьютера с конкретными характеристиками вычислительной техники, на которой работают ученики.

При изучении данной темы стоит обратить внимание на профориентацию учащихся. Детальное знание архитектуры компьютера пригодится тем из них, кто решил выбрать в качестве своей будущей профессии микроэлектронику или системное программирование. Обязательно стоит сделать акцент на отечественных разработках в области создания микропроцессоров. Важно также показать учащимся, что вне зависимости от вида информации вся она хранится в компьютере в двоичном виде, отличаются только форматы кодировки.

Основное содержание

Знакомство с устройством компьютера проводится поэтапно с ориентацией на возраст учащихся. Но в любом классе изучение темы желательно начинать с истории развития компьютерной техники и уделять внимание повторению техники безопасности работы за компьютером.

Организационные формы проведения и содержание занятий будут различными. Так, в младших классах занятие преимущественно проходит в виде беседы и достаточно визуального знакомства с компьютером, то есть учитель называет видимые части компьютера: монитор, клавиатура, системный блок. Важно, чтобы учащиеся осознали всю ответственность работы за компьютером — что это не только дорогое средство обучения, но и опасное, если с ним неправильно обращаться. Желательно иметь наглядный материал: материнские платы, жесткие диски, процессоры, микросхемы памяти, дискеты и т. д. (данные детали всегда можно позаимствовать у вышедших из строя компьютеров). Можно продемонстрировать фильм по истории развития компьютерной техники или устройству компьютера. Здесь необязательно требовать от учащихся знания изложенного материала, достаточно первоначального знакомства.

В средних классах осуществляется базовая подготовка по информатике. Поэтому, естественно, здесь раскрывается основное содержание образования по теме. В ней рассматриваются вопросы устройства компьютера, назначение основных его блоков, виды периферийных устройств. Глубина изложения материала должна быть без излишней детализации.

В классах с углубленным изучением информатики обычно раскрывают вопросы, касающиеся конфигурирования системы, устройства и характеристик процессора, структуры данных в оперативной и внешней памяти.

В более старших классах занятие можно построить в форме лекции или семинара. В любом случае учителю необходимы презентации и видеофильмы. Можно даже разобрать один компьютер и рассмотреть его изнутри.

Стоит познакомить учащихся с российскими процессорами «Эльбрус» и «Байкал».

Процессор «Байкал» производится фирмой «Байкал Электронике». По производительности Baikal-Tl сопоставим с процессорами Intel Atom и процессорами современных смартфонов. Он используется в мощном телекоммуникационном оборудовании — роутерах, коммутаторах и т. д.

Процессор «Эльбрус» разрабатывается и производится компанией «МЦСТ» (ранее — Московский центр SPARC-технологий), которая является базовой организацией кафедры информатики и вычислительной техники Московского физико-технического института (государственного университета). Среди возможных применений серверов и рабочих станций, производимых на базе процессоров «Эльбрус», называются государственные учреждения и бизнес-структуры, требующие повышенных свойств информационной безопасности.

Рис. 3.1. Российские процессоры

Затем от технического устройства персонального компьютера переходим к представлению о компьютере как об универсальном устройстве обработки информации.

Совместно с учениками даем определение персонального компьютера. Для этого задаем вопрос: «Для чего необходим современный персональный компьютер?» Ответы — самые разнообразные, в основном связанные с досугом: для игры, чтобы посмотреть фильм или послушать музыку, пообщаться или найти нужную информацию в Интернете и т. д. Возможно, кто-то приведет другие примеры: для набора текста, вычислений, создания рисунков, обработки фотографий. Обязательно дополняем ответы учащихся и подводим их к мысли: что бы мы из вышеперечисленного ни делали, в любом случае мы работаем с информацией.

Вспоминаем, что информация бывает числовая, текстовая, графическая, звуковая и видео. Все виды информации мы при помощи компьютера храним, обрабатываем и передаем.

Таким образом, получаем определение:

Компьютер — это универсальное устройство, предназначенное для хранения, обработки и передачи любых видов информации.

Стоит также обсудить вопрос: «Почему современный компьютер назван персональным?» Персональный он потому, что предназначен для отдельного человека — персоны. Из истории развития вычислительной техники вспоминаем, что с компьютерами более ранних поколений работала целая группа людей. Теперь можно уточнить определение «персональный компьютер»:

Персональный компьютер — это универсальное устройство, предназначенное для работы в диалоговом режиме с индивидуальным пользователем, способное хранить, обрабатывать и передавать информацию любых видов.

Изучая тему «Устройство персонального компьютера», можно провести аналогию между человеком и компьютером. Для этого надо задать учащимся вопрос: «Что между ними общего?» Возможно, некоторые учащиеся найдут внешнее сходство. Особенно это свойственно учащимся начальной школы. Они проводят аналогию: монитор — это голова, при помощи колонок компьютер разговаривает и т. д. Объясняем учащимся, что сходство нужно искать не во внешних признаках, а в принципах работы с информацией.

Компьютер создавался по подобию человека с точки зрения информационных процессов (хранение, обработка и передача информации). Итак, проведем аналогию. Человек хранит информацию в своей памяти, у компьютера тоже есть память, которая, так же, как и память человека, делится на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память компьютера — это так называемая оперативная память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутренняя память является энергозависимой. Внутренняя память — быстрая. Время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) — очень маленькое. Внутренняя память — небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Внешняя память компьютера — это диски, флэшки, жесткий диск и т. д. (для человека — это записные книжки, энциклопедии, справочники и др.). Внешняя память — энергонезависимая, данные сохраняются в ней вне зависимости от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или нет. Она медленнее по сравнению с оперативной памятью. Объем информации, помещающийся во внешней памяти, намного больше, чем во внутренней памяти. Если учесть возможность смены носителей, то он фактически не ограничен.

В последнее время набирают популярность новые виды внешней памяти:

Человек обрабатывает информацию при помощи головного мозга. Мозг человека отвечает за вычислительные операции и логические рассуждения, а также управляет всеми внутренними органами человека. А как называется аналог мозга человека у компьютера? Учащиеся сами ответят: «Процессор». Процессор также отвечает за вычисление и логические операции и управляет всеми внутренними и внешними элементами компьютера. Например, чтобы человек взял ручку со стола, мозг дает сигнал руке. Так же и в компьютере: чтобы распечатать информацию на листе бумаги, вы даете команду «печать». Она не сразу поступает на принтер, а попадает в процессор, и он, управляя принтером, дает ему команду «распечатать».

Данный пример иллюстрирует принцип программного управления. Остановимся на нем более подробно.

Принцип программного управления состоит в том, что при выполнении любых задач — будь то печать текста, решение математической задачи, работа в графическом или текстовом редакторе — компьютер работает по программе. Суть принципа программного управления компьютером можно свести к следующим трем положениям:

1) любая работа выполняется компьютером по программе;
2) исполняемая программа находится в оперативной памяти;
3) программа выполняется автоматически.

При изучении процессора необходимо дать понятие минимум о двух его основных характеристиках — тактовой частоте и разрядности, поскольку именно от них зависит быстродействие процессора.

Тактовая частота определяет частоту выполнения вычислительных операций (команд) компьютером. Современные ПК (на 2007 г.) имеют тактовую частоту до 4 ГГц.

Для понимания характеристики «разрядность процессора» уточним, что значит разрядность в информатике. Разрядность (битность) в информатике — это количество разрядов (битов) электронного (в частности, периферийного) устройства или шины, одновременно обрабатываемых этим устройством или передаваемых этой шиной.

Таким образом, разрядность процессора — это количество бит информации, которое он примет и обработает через свои регистры за один такт. Иногда употребляют другой термин — «машинное слово». На современных компьютерах сейчас практически повсеместно используются 64-разрядные процессоры. Переход от 32-разрядных процессоров к 64-разрядным произошел в 2002 г., когда компания AMD впервые выпустила на рынок процессор с расширенной 64-битной архитектурой.

На текущий момент разработчики процессоров поменяли стратегию и перешли от увеличения тактовой частоты к увеличению ядер в самом процессоре. Практически все современные процессоры многоядерные, однако их быстродействие не сводится к суммированию частот отдельных ядер, входящих в процессор. Проиллюстрируем это следующим примером.

«По дороге идет пешеход, у него скорость 4 км/ч. Это аналогично одноядерному процессору на N ГГц. А вот если по дороге идут 4 пешехода со скоростью 4 км/ч, то это аналогично 4-ядерному процессору на N ГГц. В случае с пешеходами мы не считаем, что их скорость будет равна 4 х 4 = 16 км/ч, мы просто говорим: 4 пешехода идут со скоростью 4 км/ч. По этой же причине мы не производим никаких математических действий и с частотами ядер процессора, а просто помним, что 4-ядерный процессор на N ГГц обладает четырьмя ядрами, каждое из которых работает на частоте N ГГц».

Следует сообщать ученикам, какие конкретно значения этих параметров имеются у школьных компьютеров.

Итак, память компьютера — хранит информацию, процессор — ее обрабатывает, а что же отвечает за передачу информации?

Для передачи и получения информации человек использует пять органов чувств, а также мимику жесты и другие «внешние элементы» своего организма. У персонального компьютера также есть внешние устройства, которые отвечают за получение и передачу информации. Их называют устройствами ввода-вывода информации. Необходимо перечислить эти устройства, ведя диалог с учащимися, проговорив, какие устройства отвечают за ввод, а какие — за вывод информации, и попросить привести примеры устройств, отвечающих за ввод и вывод одновременно. Например, принтер отвечает за вывод текстовой и графической информации, а сканер — за ее ввод; колонки — за вывод звуковой информации, а микрофон — за вывод; USB-Flash — это устройство, отвечающее за ввод и вывод информации одновременно.

Таким образом, получаем схему (табл. 3.1): память — хранит, процессор — обрабатывает, устройства ввода-вывода — передают информацию.

Соответствие видов информационных процессов и элементов компьютера

Речь, мимика, жесты

Каким же образом процессор, память и устройства ввода-вывода обмениваются информацией? Здесь также можно воспользоваться методом аналогии. Вспомним, что у человека есть нервная система, которая позволяет передавать нервные импульсы, то есть сигналы в различные части тела.

У компьютера ее аналогом является общая шина, к ней через контроллеры подключаются различные устройства. Часто вместо названия «архитектура с общей шиной» используют другое название — «магистральная архитектура». Впервые она была использована на компьютерах третьего поколения. Она имеет преимущество в том, что позволяет легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых устройств, замены старых и вышедших из строя.

Рис. 3.2. Магистральная архитектура персонального компьютера

Основы архитектуры компьютера заложил в конце 1940-х гг. американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман. В конце Второй мировой войны он участвовал в создании первой ламповой ЭВМ — ENIAC — и разработал принципы построения вычислительных машин.

Как было показано в линии «Информация и информационные процессы», компьютер хранит информацию в двоичном виде, при этом не играет существенной роли, какого вида информация хранится: числовая, графическая или текстовая информация кодируется с помощью двоичного кода. Однако человек не может воспринимать двоичную информацию, и непосредственно проводить с ней какие-то операции очень неудобно для него, поэтому при создании компьютера разработчикам пришлось учесть этот фактор. Некоторые устройства компьютера работают только с двоичной информацией (процессор, память), а некоторые — отображают информацию в виде, удобном для человека (устройства ввода-вывода).

Для того чтобы учащиеся смогли глубже изучить архитектуру компьютера, предлагается применять специальное средство обучения — так называемый учебный компьютер. Это упрощенная виртуальная модель реального компьютера. В литературе описаны различные модели таких компьютеров: «Кроха», «Малютка», «Нейман» и др.

Учебный компьютер можно использовать при изучении алгоритмизации и программирования. Широкое распространение получил учебный компьютер «УК Нейман», архитектура которого соответствует, в основном, архитектуре компьютеров второго поколения.

«УК Нейман» был разработан сотрудниками Пермского государственного университета под руководством И. Г. Семакина. Основное преимущество этого учебного компьютера — простота, что позволяет даже в базовом курсе информатики дать учащимся представление о механизме программного управления работой компьютера, показать, каким образом происходят вычисления с целыми числами.

Для закрепления материала рекомендуется вовлечь учащихся в проектную деятельность. Направление проектной деятельности можно связать с подбором компьютера, предназначенного для выполнения конкретных задач.

Возможны следующие темы проектов:

1. Подобрать комплектующие и периферийные устройства для компьютера, который будет находиться в офисе и служить для работы с документами;
2. Подобрать комплектующие и периферийные устройства для компьютера, который будет использоваться для компьютерных игр;
3. Подобрать комплектующие и периферийные устройства для компьютера, который будет предназначен для учебы школьников.

Можно также организовать соревнование среди школьников на скорость сборки компьютера.

Учитывая, что развитие компьютерной техники не стоит на месте и появляются компьютеры, использующие абсолютно новые принцип работы (квантовые, биологические и т. д.), учащимся можно предложить написать рефераты на эти темы:

1. Принципы работы квантовых компьютеров;
2. Биологические и молекулярные компьютеры;
3. Компьютер на троичной логике.

Требования к результатам обучения.

Выпускник научится:

• базовым навыкам работы с компьютером;
• правильно включать и выключать устройства ИКТ, входить в операционную систему и завершать работу с ней;
• соблюдать требования техники безопасности, гигиены, эргономики и ресурсосбережения при работе с устройствами ИКТ;
• представлению о компьютере как универсальном устройстве обработки информации;
• развитию основных навыков и умений использования компьютерных устройств.

Выпускник получит возможность:

• научиться соединять устройства ИКТ (блоки компьютера, устройства сетей, принтер, проектор, сканер, измерительные устройства и т. д.) с использованием проводных и беспроводных технологий.

Читайте также: