Особенности изучения архитектуры ЭВМ

http://www..ru/

• Введение
• Глава 1. Базовый курс информатики
• 1.1 Основные понятия информатики
• 1.2 Основные элементы и классификация компьютеров
• 1.3 Представление информации в компьютере
• 1.4 Основная и внешняя память
• 1.5 Устройства ввода и вывода
• 1.6 Коммуникационные устройства
• 1.7 Общая характеристика программного обеспечения
• 1.8 Имена устройств и файлов
• 1.9 Понятие каталога и организация файлов на дисках
• Глава 2. Особенности изучения архитектуры ЭВМ
• 2.1 Фон Неймановская архитектура ЭВМ
• 2.2 Программно-методический комплекс для изучения архитектуры ЭВМ на базе учебной модели «Нейман»
• 2.2.1 Описание УК «Нейман»
• 2.2.2 Апплет «Нейман» и органы управления им
• 2.2.3 Документация и методические материалы
• Заключение
• Список литературы

Благодаря своим конструктивным и функциональным особенностям современный персональный компьютер является уникальной по своим возможностям обучающей машиной. Он находит применение в обучении самым разнообразным дисциплинам и служит базой для создания большого числа новых информационных технологий обучения.

Технические возможности персонального компьютера, если компьютер используется как обучающее средство, позволяют: активизировать учебный процесс; индивидуализировать обучение; повысить наглядность в предъявлении материала; сместить акценты от теоретических знаний к практическим; повысить интерес учеников к обучению.

Основанием для классификации обучающих программ служат обычно особенности учебной деятельности. Многие авторы выделяют четыре типа обучающих программ: тренировочные и контролирующие, наставнические, имитационные и моделирующие, развивающие игры.

Главным элементом программированного обучения является программа, понимаемая как упорядоченная последовательность рекомендаций (задач), которые передаются с помощью дидактической машины и выполняются обучаемыми.

Программа должна работать на IBM совместимых персональных компьютеров и работать под управлением семейства операционных систем Win32 (Windows95, Windows98, Windows2000, WindowsNT, Windows XP, Windows Vista).

Глава 1. Базовой курс информатики

1.1 Основные понятия информатики

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемное или программно исполняются команды и т. д. Важно несколько другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативные решения реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое действие они оказывают на общие характеристики компьютера. Другими словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Информация — это некоторый набор систематизированных сведений об определенной области окружающего мира. Информация в процессе своего существования проходит определенные этапы преобразования:

— сбор первичных сведений

— организация хранения информации

— обработка информации с целью получения новых знаний

— представление информации в удобном для использования виде

— передача информации всем заинтересованным пользователям.

В настоящее время основными инструментами реализации перечисленных этапов являются компьютеры и ряд дополнительных технических устройств. Использование компьютеров позволяет выделить следующих основных участников процесса преобразования информации:

— комплекс технических средств (hardware)

— набор программ для реализации необходимых действий (software)

— сами обрабатываемые данные

— документы, регламентирующие процесс преобразования

— люди как основные потребители информации

Обрабатываемые данные разбиваются на следующие основные типы:

— текстовые (документы, письма)

— графические (изображения, схемы, видеофильмы)

— числовые

— звуковые

Все они, как будет видно в дальнейшем, имеют свои особенности, связанные с представлением в понятном для компьютера виде и методами обработки.

1.2 Основные элементы и классификация компьютеров

Для выполнения необходимых задач в составе компьютера обычно выделяют следующие функциональные элементы:

— основная (оперативная) память

— внешняя память

— процессор

— устройства ввода информации

— устройства вывода информации

— коммуникационные устройства

Наиболее массовыми, естественно, являются персональные компьютеры (ПК). Персональные компьютеры появились на рынке средств вычислительной техники на рубеже 70 — 80-х годов и быстро завоевали популярность во всем мире. Они стали использоваться для решения задач в самых различных областях — в экономике, финансовом деле, в научных исследованиях, в проектировании, в управлении. Причинами такого широкого распространения ПК являются:

— относительно невысокая стоимость;

— высокая надежность, компактность и простота эксплуатации;

— ориентация на самый широкий круг пользователей с разным уровнем подготовки;

— возможность гибкого изменения набора технических средств;

— наличие огромного количества разнообразных программных средств для самых разных областей.

В настоящее время парк ПК во всем мире насчитывает сотни миллионов единиц и продолжает расти. Наиболее распространенным типом ПК (до 90% всего рынка) являются компьютеры, основанные на модели фирмы IBM. Машины данного семейства производятся многими фирмами по лицензии корпорации IBM. Большинство из них имеют небольшие отличия от базовой модели и поэтому называются IBM-совместимыми.

1.3 Представление информации в компьютере

Компьютер может обрабатывать данные, которые представлены в специальном виде — только с помощью нулей и единиц. Каждый 0 или 1 называют битом. Один бит — это минимальная единица информации, описывающая только 2 возможных состояния. Восемь битов объединяются в байт: 101 011, 0, 11 111 111, 10 101 010. Байт — основная единица представления информации в компьютере. В итоге вся информация в компьютере представляется как набор огромного (сотни тысяч и миллионы) числа нулей и единиц, разбитых на отдельные байты. Такое представление информации называют цифровым или двоичным. Обработка двоичных данных выполняется с помощью специальных правил, определяемых так называемой двоичной арифметикой.

В зависимости от решаемой задачи байт может содержать закодированное представление различных типов данных.

Простейшим и исторически первым является кодирование целых чисел. Целые числа представляются в двоичном виде следующим образом:

Диапазон целых чисел, кодируемых одним байтом, определяется числом возможных комбинаций из восьми нулей и единиц. Это число равно 2 в степени 8, т. е. 256. Если надо закодировать число больше 255, то два байта объединяются вместе и используется 16 битов. Это дает 2 в 16 степени, т. е. 65 536 комбинаций. Еще большие целые числа можно представить с помощью 4 байтов или 32 битов. Для представления чисел со знаком один бит отводится под знак.

Более сложное представление существует для вещественных (не целых) чисел, и обработка таких чисел значительно сложнее для компьютера.

При обработке текстовой информации один байт может содержать код некоторого символа — буквы, цифры, знака пунктуации, знака действия и т. д. Каждому символу соответствует свой код в виде целого числа. Один байт как набор восьми битов позволяет закодировать 256 символов, что вполне достаточно для работы сразу с двумя обычными языками, например английским и русским. При этом все коды собираются в специальные таблицы, называемые кодировочными. С их помощью производится преобразование кода символа в его видимое представление на экране монитора.

Обработка графической информации требует своего способа кодирования. Любое изображение представляется в виде огромного числа отдельных точек. Обычная картинка на экране может содержать до миллиона таких точек. Простейшим изображением является черно-белое. В этом случае одна точка изображения может кодироваться одним битом, например 0 — черная точка, 1 — белая. Для запоминания изображения из 1 миллиона точек в этом случае потребуется около 100.000 байт. Цветное изображение требует большего числа байтов, причем чем больше используется цветов, тем больше требуется байтов. При работе с 16-цветными изображениями одна точка требует 4 бита, т. е. один байт содержит информацию о двух точках изображения. Работа с 256-цветными изображениями требует уже целого байта для одной точки и около 1 миллиона байт для всего изображения. Наиболее реалистичные изображения используют 2 байта на одну точку, что позволяет выводить 65 536 цветовых оттенков. Все это говорит о том, что обработка графической информации для компьютера является гораздо более сложной задачей по сравнению с обработкой числовой и текстовой информации.

1.4 Основная и внешняя память

Основная или оперативная память используется для кратковременного хранения обрабатываемых данных и программ, используемых для этой обработки. Этот вид памяти не используется для долговременного хранения программ и данных. Другими словами, данные, которые требуется обработать, должны находиться в основной памяти, вместе с необходимыми программами.

Основная характеристика памяти — это ее объем или емкость, т. е. общее число доступных байтов. Современные компьютеры имеют объем основной памяти, измеряемый миллионами байтов. Для удобства введены более крупные единицы измерения объемов памяти:

— 1 Килобайт (Кб) = 1024 байт (т.е. 2 в степени 10)

— 1 Мегабайт (Мб) = 1024 Кб (чуть больше миллиона байт)

— 1 Гигабайт (Гб) = 1024 Мб (чуть больше миллиарда байт)

Современные программы требуют все большего объема памяти, поэтому трудно дать неизменную оценку достаточного уровня основной памяти. Можно лишь сказать, что в конце 1999 года хороший массовый ПК должен иметь как минимум 16 Мб памяти, лучше — 32 Мб.

Конструктивно основная память выполнена в виде отдельных микросхем площадью в несколько квадратных сантиметров. Все такие микросхемы собраны на отдельной плате и легко могут быть заменены на более емкие.

В отличие от основной памяти, внешняя память предназначена для долговременного хранения и только хранения информации. Способность этой памяти хранить информацию не зависит от наличия питания. Вся хранимая во внешней памяти информация разбивается на так называемые файлы. Другими словами, файл — это единица хранения информации во внешней памяти.

Все файлы разбиваются на несколько основных типов в зависимости от хранимой в них информации:

— текстовые файлы содержат текстовую информацию как набор кодов символов;

— графические файлы содержат закодированную информацию о всех точках изображения;

— программные файлы содержат закодированное представление программ в виде, понятном процессору компьютера;

— звуковые файлы содержат закодированное представление звуковой информации.

Независимо от типа файла, все они, в конечном счете, содержат только наборы нулей и единиц, которые объединены в байты. Отсюда следует, что основной характеристикой файла является его размер в байтах. Этот размер может изменяться в очень широких пределах — от нескольких байт до нескольких мегабайт. Для сравнения, стандартная страница печатного текста занимает около 2 Кб, а солидная книга в 500 страниц потребует для своего хранения файла объемом в 1 Мб.

Большое значение для работы компьютера имеет взаимодействие основной и внешней памяти. Каждая из них используется в своих целях и не может заменять другую. Перед началом непосредственной обработки данных, эти данные вместе с необходимыми программами должны быть помещены из внешней памяти в основную. Этот процесс называют загрузкой или чтением информации. Часто сначала загружается необходимая программа, а потом уже с ее помощью загружаются соответствующие данные. Необходимо понимать, что загрузка в основную память не приводит к исчезновению загружаемой информации из внешней памяти. Эта информация остается в соответствующих файлах, а в основной памяти создается ее копия.

Современные компьютеры могут использовать разные типы внешней памяти, каждый из которых имеет свои особенности. Общим для всех типов внешней памяти является их основная характеристика — объем или емкость, измеряемая в байтах.

Основным типом внешней памяти являются жесткие магнитные диски (Hard Disk, HD, винчестер). Их основные особенности:

— большой объем хранимой информации (2 — 4 Гб, т. е. около тысячи книг среднего объема);

— двустороннее использование, т. е. возможность, как чтения, так и записи информации;

— высокая скорость чтения и записи;

— в основном жесткие диски постоянно находятся в компьютере и снимаются только в крайнем случае.

Вторым по распространенности типом внешней памяти являются дискеты или гибкие магнитные диски (Floppy Disk, FD). Их особенности:

— небольшой объем (стандартно — 1.44 Мб)

— возможность чтения и записи

— невысокая скорость работы

— съемность, т. е. возможность переноса информации между компьютерами

В последнее время все большую популярность приобретают компакт-диски (CD, Compact Disk). Массовые компакт-диски имеют следующие особенности:

— высокая емкость, сопоставимая с жесткими дисками (до 1 Гбайта)

— одностороннее использование только для чтения (ROM — Read Only Memory)

— высокая скорость работы

— возможность переноса неизменяемой информации между компьютерами (большие программы, энциклопедии, путеводители, учебники)

Надо отметить, что устройства работы с жесткими и гибкими дисками (называемые дисковыми накопителями) обычно являются стандартными, тогда как устройства для работы с компакт-дисками (привод CD-ROM) имеют далеко не все ПК.

Дальнейшее развитие компакт-дисков идет по двум направлениям:

— повышение емкости дисков; в частности, технология цифровых видеодисков (DVD) позволяет хранить на одном диске до 17 Гбайт информации

— предоставление пользователям возможности записи информации на компакт-диски (перезаписываемые диски — CD RW)

1.5 Устройства ввода и вывода

Основные устройства — клавиатура, манипулятор «мышь» и сканер.

Клавиатура используется для ввода текстовой информации и управления работой программ. Стандартная клавиатура для машин фирмы имеет 102 клавиши, которые можно разбить на несколько групп: клавиши для ввода изображаемых символов; функциональные клавиши; управляющие клавиши.

Клавиши первой группы используются для ввода символьной информации (буквы, цифры, знаки пунктуации, скобки, знаки арифметических операций, специальные символы).

Клавиши второй группы используются для управления вводом информации или управления работой программы. Они включают в себя следующие основные клавиши:

— Enter используется для завершения ввода строки или фиксации выбора элемента меню;

— BackSpace используется для удаления символа слева от курсора;

— Delete используется для удаления символа, отмеченного кур сором;

— F1, F2,…, F12 используются для выбора одного из возможных в данный момент действий;

— Home, End, PageUp, PageDown, стрелки вверх-вниз-влево-вправо используются для перемещения курсора;

— Esc часто используется для отмены какого-либо действия.

Клавиши третьей группы предназначены для совместного использования с другими клавишами. К ним относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift. Нажатие одной из этих клавиш вместе с какой-либо клавишей из первой или второй группы изменяет стандартное действие последней.

Манипулятор 'мышь' используется для быстрого позиционирования курсора на экране дисплея. Перемещение 'мыши' по какой-либо ровной поверхности приводит к изменению положения курсора на экране. 'Мышь' имеет 2 или 3 кнопки, нажатие которых приводит к выполнению некоторого действия.

Манипулятор 'мышь' часто используется для организации диалога с пользователем в прикладных программах. Типичная последовательность действий при этом включает в себя:

— вывод на экран управляющих элементов (меню, световые кнопки), определяющих набор возможных действий;

— перемещение курсора с помощью 'мыши' к необходимому элементу меню;

— выбор указанного элемента меню путем нажатия кнопки 'мыши'.

Большинство современных прикладных программ ориентировано на совместное использование клавиатуры и 'мыши' для организации диалога с пользователем.

Сканер — устройство для автоматического ввода текстовой и графической информации. Сканеры позволяют в несколько раз ускорить ввод в компьютер различных документов по сравнению с использованием клавиатуры. При этом сканируемый документ разбивается на множество мелких точек, т. е. представляется фактически в графическом виде. Число таких точек на 1 дюйм изображения определяет основную характеристику сканера — разрешающую способность. Современные сканеры среднего разрешения обеспечивают 400−600 точек на дюйм. Кроме разрешающей способности, сканеры различаются по формату вводимых документов и способности обрабатывать цветные изображения. Необходимо отметить, что обработанный сканером текстовый документ требует дальнейшей обработки специальными программами, которые переводят полученное точечное изображение в текстовое представление.

Основными типами устройств вывода являются монитор, принтер и звуковые колонки.

Монитор является основным устройством для вывода информации в процессе использования ПК для решения задач. В мониторах ПК используется растровый способ вывода, когда любое изображение представляется в виде отдельных маленьких точек — пикселов. Количество пикселов определяет разрешающую способность экрана, а в итоге — качество получаемого изображения.

Мониторы могут быть черно-белыми, монохромными (с несколькими оттенками одного цвета) или цветными.

В текстовом режиме весь экран разбивается на отдельные участки — так называемые знакоместа. В каждом знакоместе можно вывести один символ — букву, цифру, знак пунктуации, скобку и т. д. Набор выводимых символов определяется специальными кодировочными таблицами и не может быть больше 256. Количество строк на экране обычно равно 25 (может быть 43 или 50). Количество символов в одной строке обычно равно 80. Следовательно, на экран можно одновременно вывести 2000 символов.

В настоящее время наиболее распространенными являются мониторы, имеющие разрешающую способность 800 на 600 или 1024 на 768 точек, соответственно по горизонтали и вертикали, и поддерживающие 256 или 65 536 цветовых оттенков (стандарт SVGA).

Принтеры используются для вывода текстовой и графической информации на бумагу и различаются по способу получения оттиска.

Струйные принтеры обеспечивают получение более качественного изображения за меньшее время по сравнению с матричными, но являются более дорогими. В них изображение создается за счет напыления на бумагу мельчайших капелек чернил. Струйные принтеры позволяют создавать цветные изображения весьма высокого качества и работают по сравнению с матричными практически бесшумно.

Наиболее дорогими и качественными являются лазерные принтеры. В них изображение создается нанесением порошка на нагретую бумагу. Качество получаемого изображения может превосходить типографское. Лазерные принтеры работают очень быстро и бесшумно.

Вывод звуковой информации требует наличия специальной так называемой звуковой электронной платы, а также — выносных или встроенных звуковых колонок. Их наличие позволяет выводить высококачественную речь и музыку и широко используется в обучающих программах.

1.6 Коммуникационные устройства

Коммуникационные устройства необходимы для связи компьютеров между собой. При этом выделяются два основных способа взаимодействия компьютеров — в рамках локальной сети и с помощью существующих телефонных линий.

Локальная сеть связывает компьютеры в пределах одной организации и предоставляет следующие преимущества:

— возможность обмена информацией (файлами) без использования дискет;

— возможность хранить файлы на общем сетевом диске и обращаться к ним с любого компьютера сети;

— возможность использования общих внешних устройств (принтеры, сканеры), подключенных к сети.

Сети компьютеров можно классифицировать следующим образом.

— Простейшие одноуровневые объединяют небольшое число компьютеров, причем все они имеют одинаковые возможности использования;

— Двухуровневые сети могут объединять большее число компьютеров, среди которых выделяется один центральный компьютер, который организует работу всей сети. Такие компьютеры принято называть сетевыми серверами. К ним предъявляются повышенные требования по технической оснащенности: мощный процессор класса Pentium 266−300 Мгерц, большая основная память (32−64 Мб), два или три дисковых накопителя большой емкости (2 Гб), наличие устройств работы с компакт-дисками, наличие источников бесперебойного питания и устройств резервного хранения информации. На дисках сервера хранятся основные файлы, необходимые для управления работой всей сети и отдельных компьютеров, а также файлы пользователей.

— Многоуровневые сети могут объединять между собой отдельные локальные сети со своими серверами. Особенность таких сетей состоит в том, что серверы могут быть компьютерами разных типов (IBM-совместимые ПК, компьютеры Macintosh, рабочие станции). Это требует использования специальных программ управления такими сетями. Подобные сети иногда называют корпоративными.

— Региональные сети объединяют компьютеры в рамках некоторого региона (Татарстан, Поволжье, Россия) и используют для передачи информации телефонные линии или специальные высокоскоростные каналы. Наиболее известной сетью в России является сеть Relcom.

— Глобальные (мировые) сети объединяют миллионы компьютеров по всему миру. Наиболее известная мировая сеть — Internet.

Для связи компьютеров друг с другом в пределах одной сети необходимы два основных типа устройств:

— специальные электронные схемы (сетевые платы), вставляемые в каждый компьютер;

— провода (кабели), необходимые для физического соединения компьютеров.

Для организации взаимодействия компьютеров через телефонные линии необходимы специальные устройства — модемы. Они служат посредниками между компьютером и телефонной линией и необходимы для преобразования цифрового представления информации в непрерывный сигнал и обратно. Отсюда происходит и название этих устройств: модем — это сокращение от модулятор/демодулятор. Основная характеристика модема — пропускная способность, т. е. количество битов, передаваемых за 1 секунду. Современные модемы обеспечивают пропускную способность около 30 тысяч бит/секунду.

1.7 Общая характеристика программного обеспечения

Любая работа выполняется компьютером под управлением соответствующей программы. Число существующих программ чрезвычайно велико и не поддается оценке. Тем не менее, все программы можно классифицировать по степени их использования на следующие основные группы.

Практически всегда при работе на компьютере используются специальные управляющие программы, составляющие так называемую операционную систему (ОС). Назначение и основные приемы работы с ОС рассматриваются далее.

На втором месте по частоте использования находятся текстовые редакторы, среди которых в настоящее время наиболее распространены редакторы семейства Word фирмы Microsoft.

Третье место занимают программы автоматизации табличных расчетов — так называемые электронные таблицы. Наиболее известное семейство — продукты Excel фирмы Microsoft.

Далее можно поставить различные информационно-справочные системы, основанные на использовании баз данных. Здесь надо отметить, что создание подобных систем часто является весьма сложной задачей и требует специальной подготовки. Фирма Microsoft для этих целей предоставляет программный продукт, называемый Access.

В последнее время большое распространение находят программы обработки графической информации — так называемые графические редакторы. Наиболее известными семействами здесь являются пакеты CorelDraw, Adobe PhotoShop, 3DStudio.

Важное место среди программных продуктов занимают системы для создания программ — так называемые системы программирования. Они основаны на использовании специальных языков программирования, среди которых наиболее распространенными являются языки Basic, Pascal и C++. Для каждого из них создано много различных систем разработки программ, среди которых можно отметить следующие:

— Visual Basic корпорации Microsoft

— Borland C++ фирмы Borland

— Borland Pascal/Delphi

В последние 3 года очень популярным становится язык программирования Java, который позволяет создавать программы для любых наиболее распространенных типов процессоров и операционных систем и поэтому лучше других языков подходит для разработки программ, которые могут функционировать в сети Internet.

В связи с широким распространением сети Internet в последние годы получили развитие программы навигации, поиска и просмотра информации в сети. Подобные программы принято называть браузерами (от англ. brouse). Наиболее известными браузерами являются Microsoft Internet Explorer и Netscape Navigator.

Среди специальных программ можно отметить следующие:

— антивирусные программы, предназначенные для выявления и устранения программ-вирусов (например — программа DrWeb)

— программы-архиваторы для сжатия файлов с целью уменьшения их размеров (например — программы WinRar, Arj, WinZip)

— программы для обслуживания жестких дисков (например — пакет программ Norton Utilities)

— программы для распознавания отсканированных документов (например — программы FineReader, CuneiForm)

— В качестве примеров прикладных программ можно отметить следующие:

— программы для бухгалтерских расчетов (1С Бухгалтерия, ТурбоБухгалтер, БЭСТ)

— информационно-справочные юридические базы данных (Гарант, Кодекс, КонсультантПлюс)

— программы для финансового анализа (ProjectExpert)

— программы компьютерной верстки газет и журналов (PageMaker, QuarkXPress)

1.8 Имена устройств и файлов

При работе с ОС типа MS DOS/Windows пользователю многократно приходится обращаться к внешней дисковой памяти. Для этого он должен уметь указывать необходимое ему устройство. Каждому дисковому накопителю присваивается свое имя следующим образом:

— A: для устройств работы с дискетами,

— B: аналогично,

— C: для жесткого диска.

Во многих случаях жесткий диск удобно разбить на самостоятельные части (разделы), присвоив каждой части свое имя C, D, E, F: и т. д. по алфавиту. При использовании сетевых дисков на сервере им также присваиваются имена, которыми могут быть любые неиспользованные буквы английского алфавита. При работе с компакт-диском используется имя, обозначаемое следующей по алфавиту буквой за именами разделов жесткого диска. Например:

— C, D, E: — имена разделов жесткого диска

— F: — имя компакт-диска

— G, W, Z: — имена сетевых дисков.

Каждому файлу, хранящемуся во внешней памяти, присваивается имя, состоящее из двух частей: собственно имя как набор от 1 до 8 латинских букв и цифр; необязательная дополнительная часть, называемая расширением и содержащая от 1 до 3 символа. В системе Windows 95 допускается давать файлам длинные многословные имена, а для русифицированной версии — использовать русские буквы.

Расширение отделяется от имени точкой; часто расширение используется для указания типа файла.

Имя файла должно быть достаточно информативным, отражающим смысл хранимой информации. Некоторые расширения являются стандартными, например:

— TXT используется для задания текстового файла;

— COM и EXE используются для задания программных файлов.

Многие современные программы используют зарезервированные расширения для хранения своих файлов. Например, текстовый редактор Word сохраняет документы в файлах с расширением DOC, а графический редактор Paint системы Windows использует расширение BMP. Имена файлов можно вводить с клавиатуры в любом регистре.

Примеры правильных имен файлов:

— Progr1. exe

— PROGR2.COM

— tablica. TXT

— dannye. doc

— мой документ.doc.

1.9 Понятие каталога и организация файлов на дисках

Современные магнитные диски могут хранить десятки тысяч разнообразных файлов. Чтобы не запутаться в этом море файлов, их классифицируют, объединяют по группам. Все файлы, хранимые на магнитных дисках любых типов, операционные системы позволяют разбивать на отдельные группы. Внутри группы файлы объединяются по какому-либо признаку (например, все файлы некоторого пользователя). Такая группа файлов называется каталогом (directory). Каталогу присваивается имя. Правила именования каталогов совпадают с правилами для файлов, за исключением того, что расширение имени для каталогов обычно не используется.

Кроме файлов, любой каталог может содержать подчиненные каталоги, называемые подкаталогами. В свою очередь, любой подкаталог может содержать файлы и свои подчиненные подкаталоги. Тем самым каталоги и файлы образуют так называемое дерево каталогов. Корень дерева называется главным или корневым каталогом. Начиная с корневого каталога, можно спуститься по ветвям дерева до необходимого файла или подкаталога.

В итоге, каждый каталог может содержать:

— только файлы

— только подкаталоги

— файлы и подкаталоги

— ничего не содержать, т. е. может быть пустым

Имя корневого каталога совпадает с именем используемого дискового устройства. Если жесткий диск разбит на несколько разделов (C, D,…), то в каждом из них создается своя собственная файловая структура, никак не связанная с другими.

В подобной древовидной структуре для определения местоположения файла надо задать путь, т. е. последовательность подкаталогов, начиная с корневого, которые должны проходиться для достижения данного файла.

При описании этого пути подкаталоги отделяются друг от друга обратной косой чертой (). Тогда полное имя файла в операционных системах MS DOS/Windows можно описать следующим образом:

устр: каталог1 подкаталог2 … имя. расширение

Здесь устр: — имя дискового накопителя (А, B, C,…)

… … — путь по древовидной структуре

Если в полном имени файла опущены устройство и путь, то они выбираются по умолчанию. Используемые в данный момент устройство и подкаталог называются текущими или рабочими. В каждый момент времени ОС отслеживает текущее устройство и подкаталог, поэтому для работы с файлами текущего подкаталога можно не указывать имя устройства и путь.

Примеры полных имен файлов:

— С: DOS RAB PROG1. exe — файл prog1. exe записан на жестком диске (раздел C:) в подкаталоге RAB, входящем в каталог DOS

— D: DOKUMENT tablica. txt — файл tablica. txt храниться на жестком диске (раздел D:) в каталоге DOKUMENT

— A: file1. txt — файл file1. txt в корневом каталоге дискеты, находящейся в данный момент в соответствующем устройстве

Глава 2. Особенности изучение архитектуры ЭВМ

2.1 Фон Неймановская архитектура ЭВМ

Первая универсальная машина была разработана в университете г. Пенсильвания под руководством Дж. Маушли и Дж. Эккерта и называлась ENIAC.

Машина весила 30 т, занимала площадь 200 м², содержала18 тыс. ламп и потребляла мощность 140 квт., использовала десятичные операции и ее программирование осуществлялось путем установи переключателей и коммутации разъемов.

При этом на программирование уходило много времени, и еще вставала проблема с многочисленными ошибками.

Джон фон Нейман (1903;1957), являвшийся в то время консультантом проекта ENIAC, предложил записывать алгоритм вычислений в память вместе с данными так, чтобы содержимое его можно было свободно изменять вместе с данными. Этот принцип получил название «Принцип хранимой программы».

Дж. Фон Нейман выделил и детально описал 5 ключевых компонентов того, что сейчас называют «Архитектура фон Неймана» современного компьютера.

Компьютер для обеспечения критериев эффективности и универсальности должен включать в себя следующие компоненты:

— Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

— Центральное устройство управление (УУ);

— Запоминающее устройство (ЗУ);

— Устройство ввода информации;

— Устройство вывода информации.

Эта система (по фон Нейману) должна работать с двоичными числами, быть электронной и выполнять операции последовательно.

http://www..ru/

Построение ЭВМ, основанной на фон Неймановской архитектуре, базирующейся на принципе автоматизации вычислений под управлением программы (последовательности инструкций), использует две фундаментальные идеи:

— Программа вводится через те же внешние устройства и хранится в той же памяти, что и исходные данные. Это обеспечивает оперативную перестройку машины с одной задачи на другую без внесения каких-либо изменений в схему машины и ее коммутацию, делая машину универсальным вычислительным инструментом.

— Инструкции, составляющие программу вычислений, закодированы в виде чисел и по форме ничем не отличаются от тех чисел, с которыми оперирует машина. Это дает возможность при выполнении некоторой инструкции, прочесть другую, или в частном случае, ту же инструкцию как число, переслать ее в АЛУ, произвести там с ней некоторые операции и вернуть на свое место в ЗУ в преобразованном виде. Когда в следующий раз УУ обратится к данной ячейке памяти за инструкцией, а не за операндом, то исполняться будет уже не исходная, а преобразованная инструкция. Таким образом, при исполнении некоторой программы может одновременно происходить ее преобразование, либо формирование новой программы.

Программы и данные вводятся в ЭВМ через УВвода и размещаются в последовательных ячейках ЗУ. Каждая ячейка имеет свой порядковый номер — адрес. В ячейке запоминается одно слово (команда или данное). Команды располагаются в последовательных ячейках.

Последовательность команд образует программу. Каждая команда кодируется числовым кодом. Код команды состоит из двух частей:

— кода операции (КО)

— коды адресов (одноадресная, двухадресная, трехадресная).

В ЗУ оперативно запоминаются промежуточные и окончательные результаты вычислений.

АЛУ выполняет над введенными данными процессы обработки (соответствующие кодам операций).

Причем выполняются, в основном, операции суммирования и логические операции (т.е. все арифметические операции выполняются посредством операции алгебраического сложения над числами, представленными в соответствующих кодах).

Главным координирующим устройством является УУ.

Между УУ и компонентами ЭВМ существуют каналы прямой и обратной связи.

По прямой связи от УУ к объекту подаются управляющие воздействия, а по обратной посылается информация о текущем состоянии объекта управления. Именно эта двунаправленная связь УУ со всеми устройствами позволяет осуществлять принцип программного управления.

По начальному адресу программы, который передается из УУ в ЗУ (например, адрес i), находится ячейка и считанная из нее команда пересылается в УУ. Предположим, что это команда сложения чисел «a» и «b» и полученная сумма должна быть занесена в ЗУ.

КО «+» _ 01

Код адреса ячейки «a» — 0100

Код адреса ячейки «b «- 0101

Сумма заносится в ячейку с адресом 0200

Тогда код команды в ячейке i — 01 0100 0101 0200

Эта команда поступает в УУ и дешифруется КО. В результате УУ определяет, какая команда будет выполняться и всем компонентам машины, участвующим в ее реализации, по каналам связи посылается соответствующая информация. После получения от всех компонент ответной информации об их готовности к выполнению операции в УУ, выделяется код адреса первого операнда, т. е. 0100, который пересылается в ЗУ. В ЗУ отыскивается соответствующая ячейка, и ее содержимое пересылается в АЛУ.

Все эти действия сопровождаются посылкой компонентами, участвующими в операции, соответствующей информации в УУ.

Далее также обрабатывается второй адрес. В АЛУ образуется сумма (a+b), получив эту информацию, УУ выделяет код последнего адреса и посылает его в ЗУ. Как только УУ получает информацию, что ячейка с этим адресом найдена, УУ посылает в АЛУ управляющую информацию о посылке суммы в ЗУ. Таким образом, в ячейке 0200 оказывается «a+b».

К этому моменту содержимое специального счетчика УУсчетчика команд (СЧ) увеличивается на 1 (i+1).

Этот новый адрес посылается в ЗУ и начинается процесс выполнения следующей команды.

Если выполняется команда безусловной передачи управления другой команде программы, то в адресной части этой команды находится код адреса, который будет занесен в СЧ.

Если же выполняется команда условной передачи управления, то новый код адреса заносится в СЧ только при выполнения условия.

Изложенный процесс работы ЭВМ фон Неймановской архитектуры очень упрощен. На самом деле происходят более сложные процессы, все они по времени строго синхронизированы и в определенной степени совмещаются.

Однако алгоритм функционирования ЭВМ в общих чертах таков.

2.2 Программно-методический комплекс для изучения архитектуры ЭВМ на базе учебной модели «Нейман»

В содержании информатики при изучении архитектуры ЭВМ в связи со сложностью современных вычислительных систем и отсутствием необходимых технических знаний у учащихся в качестве основы для изучения материала используются модели устройств вычислительной техники. Одной из них является модель «Учебный компьютер Нейман» (далее для краткости УК «Нейман»), разработанный коллективом сотрудников Пермского государственного университета под руководством И. Г. Семакина. Первая публикация, в которой был представлен материал о данной модели, появилась в 1995 году.

Для практической работы упомянутая выше модель была реализована в виде учебной компьютерной программы в среде MS-DOS. Учитывая, что принятый в этой операционной системе интерфейс пользователя в данный момент уже устарел, ученики в работе с моделью могут испытывать определенные неудобства. Это подтолкнуло к разработке модели УК «Нейман» в среде с современным интерфейсом. В качестве средства для реализации этого проекта был выбран Интернет, ориентированный язык программирования Java. В новой реализации полностью сохранены все принципы, заложенные в оригинальный учебный компьютер «Нейман». Помимо обеспечения традиционных оконных средств управления моделью (что делает работу с ней более приятной и удобной), ее новая версия позволяет организовать к полученным учебным материалам on-line доступ через сеть Internet.

В настоящей статье кратко описывается модель УК «Нейман»: ее состав, функции и назначение. Также рассмотрены некоторые особенности, связанные с новыми возможностями в Java-реализации. Дается описание обучающего комплекса, базирующегося на использовании данной модели. Изложены некоторые результаты апробирования этого комплекса на уроках информатики в рамках изучения соответствующей темы.

2.2.1 Описание УК «Нейман»

Данная модель предназначена для изучения архитектуры ЭВМ. В состав модели УК «Нейман» входят: процессор, оперативная память и специальная служебная ячейка ОЗУ, имитирующая работу устройств ввода/вывода.

Центральная часть модели — процессор — содержит в себе:

— АЛУ — арифметико-логическое устройство, непосредственно выполняющее команды программы;

— УУ — управляющее устройство, обеспечивающее работу всех частей компьютера при выполнении программы;

— регистры процессора — ячейки внутренней процессорной памяти.

Структурная схема процессора показана на рис. 1. Каждый его регистр имеет своё определённое назначение:

Рис. 1. Схема процессора УК «Нейман»

гдеCK — счётчик команд, в котором находится адрес очередной исполняемой или вводимой команды;

— PK — регистр команд, в который при выполнении программы помещается текущая выполняемая команда;

— POH 1 и POH 2 — регистры, куда при выполнении команды помещаются операнды (слагаемые, сомножители и т. д.);

— PP — регистр результата, в который помещается результат выполненной операции;

— W — регистр-признак результата, фиксирующий знак результата очередной операции: если результат операции положительный (>0), то W = 1, иначе W = 0).

Регистры одновременно являются и «зеркалом» машины для пользователя (он может по их состоянию следить за ее действиями), и ориентиром для самой машины (по значению регистра СК и W машина «ориентируется» в программе). Регистры являются ключевыми и для операции ввода — в СК хранится адрес ячейки памяти, в которую нужно помещать вводимые данные. Регистр-признак W необходим для распознания отрицательного числа, что позволяет организовать в УК «Нейман» условные переходы.

Память УК «Нейман» состоит из байтов, объединённых в четырёхбайтовые машинные слова (ячейки). Адреса байтов записываются в шестнадцатеричной системе (в памяти они представляются в двоичной системе). Адрес ячейки равен адресу младшего из составляющих её байтов, поэтому ячейки всегда имеют адреса, кратные четырём. Адреса байтов памяти лежат в диапазоне от 00 до FF (в шестнадцатеричной системе). Таким образом, весь объём памяти составляет 10 016 = 25 616 байтов или 6410 ячейки.

Последняя ячейка с адресом FС есть буфер ввода-вывода. Для того чтобы результаты вычислений появились на табло, их нужно переслать в эту ячейку.

В каждую ячейку памяти может записываться либо команда процессора, представляемая в виде машинного слова, либо данные в виде целого числа («Нейман» обрабатывает только целые числа). Поскольку каждая ячейка содержит в себе 32 двоичных разря-да, диапазон допустимых значений чисел составляет от — 2 147 482 648 до + 2 147 483 647.

компьютер программный файл диск архитектура

2.2.2 Апплет «Нейман» и органы управления им

В новой реализации модель УК «Нейман» представлена в виде Java апплета, который подгружается на соответствующие HTML страницы. Java-реализация содержит в себе все элементы, существующие в модели, и имеет интерфейс пользователя в стиле Windows, более привычный для современных пользователей. Принципы «общения» с обновленной моделью по сравнению с ее версией для MS-DOS существенно изменились.

Рассмотрим основные способы взаимодействия пользователя с данным апплетом. Для этого обратимся к рис. 2, на котором указаны составные части модели и органы управления ею.

В левой части рисунка располагается память компьютера. Содержимое специализированной буферной ячейки ввода-вывода продублировано отдельно; через нее УК «Нейман» принимает данные и выводит результат вычислений. Основная часть правой половины рисунка отображает состояние регистров процессора. Отметим, что все они, за исключением СК, имеют серую окраску: это означает, что только в последний регистр информацию можно вводить, а остальные доступны лишь для наблюдения.

Рис. 2. Внешний вид Java-реализации модели УК «Нейман»:

1 — память, 2 — регистры, 3 — окно операций, 4 — ячейка ввода-вывода данных, 5 — блок кнопок управления, 6 — переключатель режима, 7 — окно ошибок Помимо регистров процессора и памяти, являющихся функциональными блоками машины, на рис. 2 отображаются еще органы управления: блок кнопок управления (5), переключатель режима (6), окно операций (3) и окно ошибок (7).

Основными органами управления апплетом являются кнопки:

— Start — запускает программу на выполнение;

— ?Enter — заносит содержимое ячейки FC в ячейку памяти с адресом, записанным в СК;

— Clear — возвращает машину к первоначальному состоянию;

— Reset — сбрасывает счетчик команд на ноль;

— Stop — обеспечивает аварийную остановку программы (своеобразный «стопкран» машины).

Еще одним важным органом управления является переключатель режима работы модели. Существует возможность работать в двух режимах: пошаговый (Step) и автоматический (Auto). Автоматический режим подразумевает, что программа будет выполнять все действия до тех пор, пока не возникнет причин для остановки. В число этих причин входят: команда останова (конец программы), конец памяти (регистр СК содержит адрес последней доступной ячейки памяти — F816), возникновение ошибки.

Пошаговый режим отличается тем, что после выполнения одной операции необходимо нажать кнопку Start для выполнения следующей. Этот режим очень удобен для изучения логики работы машины при исполнении и отладке различных программ.

В окне операций отображается мнемоническая запись выполняемой операции; коды операций можно посмотреть в разделе «команды Неймана», входящем в состав комплекса.

Интересно посмотреть на реакцию апплета при выполнении команд. Например, при выполнении команды ввода в данном окне появляется надпись: Input to Memory, что означает, что осуществляется ввод в ячейку памяти, адрес которой находится в регистре СК. В случае выполнения команды вывода в этом же окне появляется надпись: Output from N, где N — адрес ячейки памяти, из которой осуществляется вывод. Любая программа заканчивается командой останова, в этом случае в окне операций появляется надпись Stop. Это означает, что машина прекратила выполнение программы и остановилась.

В апплет заложена система контроля, которая отслеживает ошибки, возникающие при выполнении программы пользователя. Факт возникновения ошибки фиксируется в окне ошибок. Вот перечень возможных ошибок и причин их возникновения.

— Division by zero (деление на ноль) — если делитель при выполнении операций с кодами 04 или 05 равно нулю;

— Overflow (переполнение) — если результат операции выходит за допустимый для чисел интервал значений;

— Invalid operation (недопустимая операция) — если команда имеет неправильный формат или содержит недопустимые символы;

— Incorrect address (неправильный адрес) — если формат адреса, вводимый в окно СК, неверен либо содержит недопустимые символы;

— Program is Stopped (программа остановлена) — если программа была остановлена пользователем.

В программной реализации комплекса предусмотрена возможность перевода чисел из десятичной системы в шестнадцатеричную и обратно. Реализована она в виде дополнительного апплета, который загружается на Web-страничке рядом с основным.

2.2.3 Документация и методические материалы

Помимо изготовления Java-реализации УК «Нейман», описанной выше, в состав программно-методического комплекса также входят подробные справочные материалы, которые отражают не только особенности работы с самим апплетом, а также и сведения о самой модели, о ее предназначении, возможностях и пр. В результате получился полноценный on-line комплекс, в котором можно не просто познакомиться с информацией, но и поработать с моделью.

В состав обучающего комплекса входит система разобранных и решенных задач основных типов (линейные задачи — чаще всего счетные, задачи с применением условного оператора и циклические задачи). Кроме того, имеется набор задач для самостоятельного решения, причем различного уровня сложности: как простые задачи на усвоение основных понятий модели, так и задачи, для решения которых требуется не только овладеть знаниями о самой модели, но и иметь определенный опыт в решении задач и навыки работы с самим апплетом.

Методические материалы оформлены в виде набора связанных между собой HTML страниц, которые в совокупности с Java-апплетами составляют единый комплекс по изучению архитектуры ЭВМ на базе модели УК «Нейман».

Опишем подробнее структуру данного комплекса. Он состоит из двух больших разделов, которые, в свою очередь, имеют подразделы, раскрывающие суть отдельных тем.

Первый раздел включает вопросы, связанные с устройством и принципом работы модели в УК «Нейман». Здесь представлено описание самой машины, предложенное И. Г. Семакиным в учебнике, разъясняется структура команды и полная система команд машины; дается инструкция по работе с апплетом, а также инструкция по эксплуатации, раскрывающая особенности данной Java-реализации. В этом же разделе можно запустить апплет с моделью, а также ознакомиться с источниками информации, из которых можно подробнее узнать о модели УК «Нейман».

Второй раздел называется «Примеры задач». Этот раздел наиболее ценен с методической точки зрения, т. к. представляет собой набор типовых задач для использования в учебном процессе. Описание каждой задачи включает: постановку, идею решения и разъяснение по написанию программы. Кроме текста программы, который пользователь может набрать в «чистом» (т.е. не содержащим в памяти никакой информации) апплете, предлагается апплет с уже загруженной в память программой. Это позволяет не тратить время на набор программы (особенно это актуально на последних задачах, которые велики по своему объему), а сосредоточить внимание на том, как она работает.

Для удобства навигации организована система ссылок, по которым можно без труда переходить между разделами и подразделами, подняться на уровень вверх или вернуться на главную страницу. Также имеется возможность в любое время обратиться к инструкции или к «чистому» апплету, загрузить который можно независимо от выполняемых задач.

Основанная на принципах, предложенных И. Г. Семакиным, новая Java-реализация модели УК «Нейман» дает некоторые преимущества и дополнительные возможности по сравнению с авторской MS-DOS версией. В частности, полученный в ходе выполнения данной работы программно-методический комплекс размещен в сети Internet, что обеспечивает к нему свободный доступ для всех желающих. Таким образом, результаты работы могут не только быть использованы на уроках, но и служить удобным средством для дистанционного самообразования.

Внешний вид главной страницы этого комплекса представлен на рис. 3.

Рис. 3. Главная страница комплекса УК «Нейман»

Заключение

В данной курсовой работе была построена модель, в которой учитываются алгоритм.

Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.