Конспект урока по Информатике "ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭВМ"

Ильенко Алексей Владимирович

Учитель информатики и ИКТ МБОУ СОШ № 9 

муниципального образования Тимашевский район



ТЕМА УРОКА "ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЭВМ" 

Оборудование: ПК, компьютерная программа INFO (Элементы вычислительной техники в школьном курсе информатики 
Наглядность: 

презентация 

литература: 

1) Семененко В.А. и др. Электронные вычислительные машины: Учебное пособие для ПТУ.- М.: Высш. Шк., 1991. 

2) Алферов А.В. В мире умных машин. - М.: Радио и связь, 1989. 

3) Шауцукова Л.З. Информатика: Учеб. Пособие для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 2000; 

4) Буреев Л.Н. Простейшая микро-ЭВМ: Проектирование. Наладка. Использование. -М.: Энергоиздат, 1989. 

5) Мнеян М.Г. физические принципы работы ЭВМ. -М.: просвещение, 1987. 

6) Лыскова В.Ю., Ракитина Е.А. Логика в информатике.-М.: Информатика и образование, 1999. 

7) А.Н.Салтовский, Ю.А.Первин. Как работает ЭВМ. -М.: Просвещение, 1986. 

8) Пустоваченко Н.Н. введение в математическую логику и теорию автоматов. -Мурманск, ЦНИТ, 1997;

опорный конспект;

карточки (проверка домашнего задания, задание для индивидуальной работы);

таблица "Успеваемость учащихся 

Цели урока: 

1) Обеспечить усвоение учащимися алгоритма синтеза автомата;
2) ознакомить учащихся с основными узлами ЭВМ: сумматор, триггер, регистр;
3) отработать навыки построения функциональных схем, записи логических функций по таблице истинности, упрощения логических функций;
4) развитие навыков логического мышления;
5) формирование навыков работы с разными источниками информации.

ПЛАН УРОКА
1. Организационный момент.
2. Проверка домашнего задания.
3. Изучение нового материала.
4. Подведение итогов. 
5. Домашнее задание.


ХОД УРОКА
I. Организационный момент (3 минуты).
На прошлом уроке вы писали самостоятельную работу по теме "Структурные формулы и функциональные схемы. С работой справились все замечательно: "5"- 7; "4"- 5; "1" -; "н"-1. 
А еще более успешно вы справились с домашней работой по этой теме: все "пятерки". Это свидетельствует о том, что к контрольной работе №1 вы готовы.

II. Проверка домашнего задания (7 минут). 
На прошлом уроке мы изучили тему "Двоичная арифметика". Дома вы должны были решить 8 примеров. Кто не справился с заданием? Проверим примеры. Проверку осуществим таким образом: я выдам вам всем решение, а вы проверите его. Итак, приступим к проверке.
Поднимите руки у кого нет ошибок (оценка 5), у кого 1 или 2 ошибки (оценка 4), 3-4 ошибки (оценка 3).

III. Изучение нового материала.
Замечательно! А теперь вспомните правила двоичной арифметики и ответьте на вопрос: операции сложения, вычитания, умножения, деления, в конечном счете, сводятся к каким операциям? (сложение, сдвиг, запоминание).
Сегодня на уроке вы узнаете, какие узлы ЭВМ их реализуют. Итак, тема нашего урока "Основные узлы ЭВМ". 
Это последняя тема раздела "Введение в математическую логику и теорию автоматов". Вы познакомитесь с алгоритмом синтеза автоматов, с такими узлами ЭВМ как сумматор, триггер, регистр. На уроке мы отработаем навыки построения функциональных схем, записи логических функций по таблице истинности, упрощения логических функций, таким образом, подготовимся к контрольной работе. 

Запишите в тетради вопросы, которые будут рассмотрены на уроке: 

1. АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ОДНОТАКТНЫХ АВТОМАТОВ.

2. СУММАТОР. 

3. ТРИГГЕР. 

4.РЕГИСТР.

1 вопрос. (15 минут). Рассмотрим АЛГОРИТМ СИНТЕЗА АВТОМАТОВ (обратимся к презентации).


Конструирование (синтез) автоматов - одна из основных задач кибернетики. 
(Кибернетика - наука о процессах управления в сложных динамических системах, основывающаяся на теоретическом фундаменте математики и логики, а также применении ВТ.
Автомат - агрегат, представляющий собой систему механизмов и устройств, в которой полностью механизированы, т.е. выполняются без непосредственного участия человека, процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, вещества или информации.)

Пример 1. Для оповещения зрителей, наблюдающих за ходом состязаний по тяжелой атлетике, изготовлен светящийся транспарант: "Вес взят правильно". Подсвечивание транспаранта осуществляется по команде, выдаваемой автоматом. Этот автомат обрабатывает сигналы, поступаю-щие от трех судей А, В, С. Судья А - старший. Сигнал на подсвечивание транспаранта автомат выдаст тогда, когда нажмут кнопки все трое судей или двое, один из которых - старший. Сконструировать автомат.
Решение.
Описание задачи, которую должен решать автомат принято называть словесной формой задания автомата. Автомат предстает при этом как некий "черный ящик": еще неизвестно как будет устроен внутри, но уже ясно, что ему предстоит делать, известно как он связан с внешней сре-дой. В данном случае будущий автомат имеет три входа - это линии, по которым поступают сигналы от судей А, В и С и один выход Х (сигнал для подсвечивания транспаранта "вес взят правильно").


Теперь можно составить таблицу работы автомата.



2 вопрос. СУММАТОР (15 минут).
Ребята, если я вас попрошу сейчас нарисовать схему сумматора, то скорее всего, вы ответите, что не сможете этого сделать. Я попытаюсь опровергнуть это высказывание. Если логически рассуждать, то у вас достаточно уже знаний, чтобы построить схему сумматора. 
По названию устройства вы уже догадались, сумматор предназначен для сложения двоичных разрядов.
Узел ЭВМ выполняющий арифметическое суммирование кодов чисел, называется сумматором. 
Из двоичной арифметики мы знаем, что 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=10. 
Таким образом, для суммирования двух двоичных разрядов нам понадобится устройство с двумя входами (X и Y), двумя выходами: S -результат сложения, P - перенос в старший разряд. Подойдем к рассмотрению сумматора с точки зрения автомата, поэтому воспользуемся алгоритмом синтеза автомата.



Таблица работы будет следующей:


В таблице приведена логика работы сумматора на два входа X и Y. На его выходах образуется сумма S данного разряда и осуществляется перенос Р в следующий старший разряд. По таблице можно составить логическое выражение для суммы S и переноса Р:




Преобразуем выражение для суммы к виду:


По формуле вычертим функциональную схему:



Это схема полусумматора. С сумматором, триггером и регистром вы познакомитесь самостоятельно.


САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА (15 минут). 
Распределить учащихся на 3 группы (сумматор, триггер, регистр). 
1 группа (Сумматор)- 3 компьютера (на 1-м - программа INFO, на 2-м - файл Сумматор1.htm, на 3-м - файл Сумматор2.htm, опорный конспект, перечень вопросов, книги: Алферов А.В. В мире умных машин. - М.: Радио и связь, 1989., Буреев Л.Н. Простейшая микро-ЭВМ: Проектирование. Наладка. Использование. -М.: Энергоиздат, 1989.

2 группа (регистр) - 3 компьютера (на 1-м - программа INFO, на 2-м - файл Регистр1.htm, на 3-м - файл Регистр2.htm, опорный конспект, перечень вопросов, книги: 1) Семененко В.А. и др. Электронные вычислительные машины: Учеб. Пособие для ПТУ.- М.: Высш. Шк., 1991. 2) Мнеян М.Г. физические принципы работы ЭВМ. -М.: просвещение, 1987. 3) Лыскова В.Ю., Ракитина Е.А. Логика в информатике.-М.:Информатика и образование, 1999.

3 группа (триггер) - 4 компьютера (на 1-м - программа INFO, на 2-м - файл Триггер1.htm, на 3-м - файл Триггер2.htm, на 4-м - файл Триггер3.htm, опорный конспект, перечень вопросов, книги: 1) Шауцукова Л.З. Информатика: Учеб. Пособие для 10-11 кл. общеобразоват. Учреждений. - М.: Просвещение, 2000. 2) А.Н.Салтовский, Ю.А.Первин. Как работает ЭВМ. -М.:Просвещение, 1986.

Задание. Выдать вопросы учащимся. Используя компьютерную программу, htm-файлы, опорный конспект, книги найти ответы на вопросы. Против каждого вопроса должна быть написана фамилия ученика. Учитель должен сделать акцент на то, что если при поиске информации встречается ответ на вопрос другого ученика, то необходимо сказать об этом товарищу, чтобы сэкономить время поиска. Кроме того, должна быть заинтересованность работы в группе. Оценка за ответы выставляется группе в целом, причем низшая. Таким образом, есть стимул обучить каждого ученика. Ученики должны успеть найти не только ответ на свой во-прос, но и успеть обсудить найденные ответы в группе.

Вопросы для рассмотрения в группах:

СУММАТОР
1. Из каких операций состоит сложение двух одноразрядных чисел?
2. Почему предложенная учителем схема называется полусумматором?
3. Как построить схему сумматора?
4. В каком основном устройстве ЭВМ используется сумматор?
5. Какие сумматоры бывают?
6. Параметры сумматора.

ТРИГГЕР
1. Что такое триггер? Назначение триггера.
2. Откуда взялось столь необычное название как триггер?
3. Сколько выходов у триггера? Какие?
4. Какие триггеры бывают?
5. Докажите, что предложенная схема действительно осуществляет запоминание двоичных кодов.
6. В каком основном устройстве ЭВМ используется триггер?

РЕГИСТР
1. Что такое регистр? Назначение регистра.
2. Принцип работы регистра (объяснить по схеме).
3. Какие регистры бывают?
4. Характеристика регистра.
5. В каком основном устройстве ЭВМ используется регистр?

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ (15 минут, группа выходит к доске и отвечает на вопросы).
1. Из каких операций состоит сложение двух одноразрядных чисел?
(Операция суммирования осуществляется в сумматорах поразрядно с использованием од-норазрядных суммирующих схем. При этом в каждом разряде требуется выполнить сложение трех двоичных цифр данного разряда первого слагаемого Х цифры этого же разряда второго слагаемого Y и цифры переноса P из соседнего младшего разряда.
И тогда такое суммирование разбивают на две аналогичные операции: суммирование двух цифр слагаемых и суммирование полученного результата с переносом из соседнего младшего разряда).
2. Почему предложенная учителем схема называется полусумматором?
(Т.к. суммирование разбивают на две аналогичные операции: суммирование двух цифр слагаемых и суммирование полученного результата с переносом из соседнего младшего разряда, то каждая из этих операций выполняется схемой, называемой полусумматором).
3. Как построить схему сумматора?
(Сумматор реализуется с использованием двух полусумматоров и логического элемента ИЛИ).
4. В каком основном устройстве ЭВМ используется сумматор?
(Сумматор служит прежде всего центральным узлом арифметико-логического устройства, однако он находит применение также в других устройствах машины. Кроме основной операции - суммирования, большинство cумматоров используется для операций умножения и деления, а также для логических операций (логическое умножение и сложение и др.).
5. Какие сумматоры бывают?
(Сумматоры классифицируют по различным признакам. В зависимости от системы счисле-ния различают: двоичные; двоично-десятичные (в общем случае двоично-кодированные); деся-тичные; прочие (например, амплитудные). По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел: одноразрядные, многоразрядные. По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров: четвертьсумматоры; полусумматоры; полные одноразрядные двоичные сумматоры. По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на: последовательные и параллельные).
6. Параметры сумматора.
(Важнейшими параметрами сумматоров являются: разрядность; статические параметры: Uвх, Uвх, Iвх и так далее, то есть обычные параметры интегральных схем; динамические параметры). 

ТРИГГЕР
1. Что такое триггер? Назначение триггера.
(Триггер - это элементарный цифровой автомат, имеющий два устойчивых состояния равно-весия (0 и 1), предназначенный для записи и хранения информации.)
2. Откуда взялось столь необычное название как триггер?
(Поскольку многие слова, и это в том числе, пришли в электронику и вычислительную технику из английского языка, полистаем англо-русский словарь: "Триггер (trigger) - защелка, спусковой крючок". Сразу всплывают в памяти рассказы об охотниках, индейцах... Стараясь не шуметь, не наступить ненароком на сухую ветку, охотники пробираются по звериной тропе. Цель где-то близко. Слабый щелчок - и курок ружья взведен. Пусть ружье старое, но спусковой меха-низм смазан и отрегулирован, теперь достаточно легкого нажима, и грянет выстрел. Точно так же работает триггер - устройство, которое может находиться в двух устойчивых со-стояниях: взведен - "1", спущен - "0". Причем в каждом из состояний триггер может пребы-вать как угодно долго). 
3. Сколько выходов у триггера? Какие?
(Как, правило, триггер имеет 2 выхода: прямой и инверсный (Q и .) Число входов зависит от выполняемых функций.

)

4. Какие триггеры бывают?
(По способу записи информации триггеры делятся на асинхронные и синхронные.
В асинхронных триггерах информация может изменяться в любой момент времени при изме-нении входных сигналов. В синхронизирующих триггерах информация может меняться только в определенные моменты времени, задаваемые дополнительным синхронизирующим сигналом. По функциональному построению различают схемы: RS-, T-, D-, JK-триггеры.)
5. Докажите, что предложенная схема действительно осуществляет запоминание двоичных кодов.
(Асинхронный RS-триггер построен на 2-х логических элементах: ИЛИ - НЕ либо И - НЕ

Как он работает?
Пусть на вход элемента № 1 подан сигнал "1", а на вход элемента № 3 - "0". На выходе элемен-та № 1 независимо от того, какой второй сигнал поступит на вход, будет "1", т.к. это элемент "ИЛИ" (по свойствам дизъюнкции). Пройдя через элемент № 2 сигнал примет значение "0" (Q=0). Следовательно, и на втором входе элемента № 3 установится сигнал "0". На выходе элемента № 3 - "0". Пройдя через элемент № 4 сигнал изменится на "1". Следовательно, = 1.
Убедимся, что данное устройство сохраняет информацию. Запомните, что S=0, R=1, Q=0, =1.
В момент прекращения входных сигналов (S=0, R=0) на выходе =1. Это напряжение подает-ся на вход элемента № 1. На выходе элемента № 1 сохраняется "1", и на Q - сигнал "0". На входах элемента №3 - "0", следовательно =1.
Таким образом, при отсутствии на внешних входах сигналов "1" триггер поддерживает посто-янное напряжение на своих выходах. Чтобы изменить напряжение на выходах триггера, надо подать сигнал "1" на вход элемента № 3. Тогда Q=1, =0.



6. В каком основном устройстве ЭВМ используется триггер?
(Память. В цифровой автоматике триггеры выполняют функции элементарных автоматов с памятью).

РЕГИСТР
1. Что такое регистр? Назначение регистра.
(Функциональный узел ЭВМ, состоящий из триггеров, предназначенный для запоминания мно-горазрядных кодов и выполнения над ними некоторых логических преобразователей называется регистром. С помощью регистров можно выполнять следующие операции: установку, сдвиг, преобразование).
2. Принцип работы регистра (объяснить по схеме).
(Как происходит запись числа в регистр?



Каждая из входных схем "И" имеет 2 входа. Один из них - общий для всех (шина записи). Если на шину записи подан "0", то на всех схемах "И" также будет "0". Однако, если на ши-ну записи подается сигнал "1" - разрешение записи, то напряжение на выходах схем "И", а, следовательно, и на S - входах триггеров, будет зависеть от того, какой сигнал поступает в этот момент на вторые входы схем "И".
Если подать на шину записи последовательность 1001 (число 9), то первый и четвертый триггеры установятся в 1, а второй и третий - в 0.
Как только на шину считывания будет подан "1", то на выходах схем "И" появится сиг-нал "1" в тех разрядах, в которых на основном выходе триггера была записана "1".
В схемах реальных регистров используются и дополнительные выходы триггеров. На этих выходах создается так называемый обратный код.
Обратный код используется в ЭВМ для осуществления некоторых арифметических операций с двоичными числами).
3. Какие регистры бывают?
(Основными типами регистров являются параллельные и последовательные (сдвигающие)).
4. Характеристика регистра.
(Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Ре-гистр состоит из ячеек, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать сло-во, команду, двоичное число и т.д. Часто регистр имеет тот же размер, что и слова, с кото-рыми работает компьютер. Любой регистр характеризуется скоростью работы, числом бит, которые он может хранить).
5. В каком основном устройстве ЭВМ используется регистр?
(Совокупность регистров, используемых ЭВМ для запоминания программы работы, ис-ходных и промежуточных результатов называется оперативной памятью (ОП).
ОП содержит 215 регистров = 32768


В ЭВМ применяются регистры 8, 16, 32, 48 и 64 разрядов.)

IV. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ (5 минут).
Подведем итоги урока (слайд с вопросами, которые рассматривались на уроке, поместить на экране демонстрационного телевизора).
Вопросы учащимся:
1) Что же нам удалось сделать на уроке?
2) Что нового вы сегодня узнали?
Учитель: на уроке мы познакомились с алгоритмом синтеза автомата; с такими основными узлами ЭВМ: как сумматор, триггер, регистр, отработали навыки построения функциональных схем, записи логических функций по таблице истинности, упрощения логических функций; на примере изучения "Сумматоры" я вам продемонстрировала, что не обязательно все заучивать напамять, чаще всего необходимо логически рассуждать (назначение - черный ящик - таблица работы - логическая функция - схема); отрабатывали навыки работы с разными источниками информации.

V. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ (5 минут).
1) Подготовка к к.р. (таблицы истинности, законы логики, упрощение формул, структурные формулы и функциональные схемы, двоичная арифметика).

2) Решить пример №2 и пример №3. (смотри опорный конспект)
Пример 2. Три цеха - А, В и С - обеспечивает электроэнергией небольшая электростанция, на которой установлены два генератора - Х и Y. Если в энергии нуждается один из трех цехов, то достаточно включить генератор Y, если же в энергии нуждаются два цеха одновременно достаточно генератора Х. Снабжение обеспечивается совместной работой генераторов X и Y. Необходимо построить такой автомат, который получая заявки от цехов А, В и С на снабжение энергией, может разумно перераспределять нагрузку между генераторами. 
Пример 3. Сконструировать автомат для подсчета голосов при тайном голосовании. Голосуют три человека. Автомат выдаст сигнал "избран", если число голосов "за" не менее двух. 

3) Темы рефератов (срок 2.11.01: 

Микропроцессоры. Структура микропроцессоров.

Как работает процессор?

Запоминающие устройства ЭВМ.

Шифраторы и дешифраторы.

Счетчики.

4) Выдать индивидуальное задание для учащихся, не сдавших ранее д.з.1 (таблицы истинности), д.з. 2(упрощение формул).