3. Подробный сценарий проведения занятия (прямая речь)
Этап 1: Вводно-мотивационный (5 мин)
Преподаватель: «Здравствуйте! На прошлых занятиях мы детально изучили, как из базовых логических вентилей строятся триггеры, регистры и сумматоры. Однако процессор из одних регистров бесполезен, если он изолирован от памяти и внешних устройств. Представьте, что вам нужно соединить между собой 20 различных устройств компьютера. Если тянуть индивидуальные провода между каждой парой узлов, нам потребуется около двухсот кабельных жгутов! Компьютер превратится в клубок проводов, в который невозможно добавить ни одной новой платы. Сегодня мы разберём архитектурное решение этой проблемы: принципы фон Неймана, магистрально-модульное построение и разграничение компьютера на центральную и периферийную части».
Этап 2: Сообщение новых знаний (25 мин)
Преподаватель: «В основе любого современного ПК лежит принцип хранимой программы. В 1945 году Джон фон Нейман сформулировал: и машинные инструкции, и числовые данные должны храниться в единой физической памяти. Давайте запишем три базовых принципа:
1. Однородность памяти: команды и числа кодируются одинаково — последовательностями двоичных нулей и единиц. Процессор определяет, что перед ним, только по тому, в какой фазе цикла он обратился к ячейке.
2. Адресность: память разбита на пронумерованные байты. Зная числовой адрес, ЦП обращается к ячейке напрямую.
3. Последовательное выполнение: пока нет команд перехода, инструкции берутся строго подряд, адрес за адресом».
Преподаватель: «Теперь посмотрим на архитектурную схему. Вся машина делится на две подсистемы:
• Центральная часть: процессор (АЛУ, УУ, регистровый файл) и основная память (ОЗУ и ПЗУ). Она работает на частотах в миллиарды тактов в секунду (ГГц).
• Периферийная часть: накопители (SSD, HDD), устройства ввода (клавиатура, мышь), устройства вывода (монитор) и системные адаптеры.
Они связываются через системную магистраль, состоящую из трёх шин:
— Шина адреса (ША): по ней ЦП передаёт номер ячейки памяти или порта. Она однонаправленная!
— Шина данных (ШД): двунаправленная, по ней передаются сами байты.
— Шина управления (ШУ): линии стробов: чтение, запись, сигнал готовности, запрос прерывания».
Этап 3: Демонстрационный показ (15 мин)
Преподаватель: «Давайте проследим по тактам, как процессор выполняет простейшую команду: ADD R1, [0x04F0]. Взгляните на экран:
1. Фаза выборки (Fetch): счетчик команд PC указывает на адрес инструкции. УУ подаёт этот адрес на ША, строб MEMR на ШУ. ОЗУ выдаёт код инструкции на ШД. Код попадает в регистр команд IR.
2. Фаза декодирования (Decode): дешифратор УУ распознаёт: сложить регистр R1 со значением из ячейки 0x04F0.
3. Выборка операнда: УУ выставляет адрес 0x04F0 на ША. По ШД число считывается во входной регистр АЛУ.
4. Исполнение (Execute): АЛУ складывает два числа и обновляет регистр флагов FLAGS.
5. Запись результата: сумма записывается в целевой регистр R1».
Преподаватель (проблемный вопрос): «Кто заметил здесь фундаментальную проблему общей шины?»
Студент: «Пока считывается операнд по адресу 0x04F0, процессор не может считывать следующую команду?»
Преподаватель: «Именно! Это называется узким горлышком фон Неймана. Чтобы ЦП не простаивал, внутри современных кристаллов используют гарвардскую модификацию: кэш инструкций L1I и кэш данных L1D разделены и имеют свои независимые внутренние шины».
Этап 4: Самостоятельное практическое действие (20 мин)
Преподаватель: «Откройте интерактивную страницу практикума zanyatie.html. Ваша индивидуальная задача состоит из трёх пунктов:
1. Классифицировать 6 аппаратных компонентов и указать их шинный интерфейс.
2. Записать пошаговый протокол выполнения машинной команды с указанием состояний ША, ШД и ШУ.
3. Описать суть узкого горлышка фон Неймана и два инженерных пути его решения.
Критерии открыты: 2 балла за классификацию, 1 балл за трассировку, 1 балл за анализ барьера. Суммарно — 4 балла».
Этап 5: Обратная связь и разбор ошибок (10 мин)
Преподаватель: «Разберём две частые ошибки:
1. Некоторые из вас назвали SSD „быстрой центральной памятью“. Помните: SSD — это блочное периферийное устройство! Процессор не может непосредственно выбирать инструкции из флеш-накопителя. Данные обязательно должны быть загружены блоками в ОЗУ.
2. В трассировке команды: шина адреса не может быть двунаправленной. Адрес генерирует только задатчик шины (ЦП или DMA). Память никогда не возвращает адрес процессору по ША».
Этап 6: Итог занятия и домашнее задание (5 мин)
Преподаватель: «Сегодня мы доказали, как магистрально-модульный принцип решает проблему масштабируемости компьютера, и разобрали внутренний механизм работы шин. Сохраните свои ответы в PDF и отправьте на проверку. Резервное домашнее задание в domashnee_zadanie.html выполняют только те обучающиеся, которым оно назначено индивидуально. Всем спасибо за продуктивную работу!»