Урок на тему Логические основы устройства компьютера

Урок по теме «Логические основы устройства компьютера»

Актуальность и новизна методической разработки.

Изучением данной темы заканчивается блок учебного материала 10 класса, который называется «Основы логики и логические основы компьютера». Но многие учителя на уроках ограничиваются лишь изучением первой части темы, то есть «Основами логики», считая изучение темы «Логические основы устройства компьютера» слишком трудоемкими и сложными как для объяснения, так и для понимания. Но я считаю, что эти основы необходимы для полной картины применения логических элементов в устройстве компьютеров.

Пользуясь интерактивной презентацией и поделив материал, представленный на слайдах таким образом, что он будет доступен для пошаговых комментариев, надеюсь, облегчит понимание данной темы учащимися.

Работа с презентацией на уроке построена таким образом, чтобы ученики сначала отвечали на наводящие вопросы, используя поисковый метод обучения, а потом ответы появлялись на слайдах.

Изучив «Основы логики», учащиеся должны:

• знать базовые логические операции;

• уметь составлять таблицы истинности логических выражений;

• иметь понятие о равносильности логических выражений;

• уметь складывать числа в двоичной системе счисления;

• уметь работать в Microsoft Excel;

• иметь опыт сборки электрических цепей на уроках физики.

Цели урока:

образовательная: дать учащимся представление о том, как при помощи базовых логических элементов организовано выполнение процессором арифметико-логических действий по обработке информации и хранение информации оперативной памяти;

воспитательная: формирование интереса к технике, познанию мира, целеустремленности в поиске решения проблем;

развивающая: развитие логического мышления и памяти, развитие речи, развитие эстетического вкуса.

Тип урока: урок объяснения нового материала

Методы: поисковый, словесный, наглядно-иллюстративный.

Организационные формы работы: фронтальная, групповая и индивидуальная.

Оборудование: маркерная и интерактивная доски, мультимедиа-проектор и компьютер с выходом в интернет, программа Microsoft PowerPoint выше версии 2003, установленная на ПК.

Методика проведения урока

I. Организационный момент.

Приветствие учеников, проверка отсутствующих, готовность к уроку, настрой на работу.

II. Сообщение темы и целей урока.

Запишем в тетради тему урока.

Тема нашего урока «Логические основы устройства компьютера. Сумматор двоичных чисел. Триггер».

Ребята, сегодня на уроке мы с вами постараемся ответить на следующие вопросы:

1. Из каких базовых логических элементов состоит процессор и оперативная память.

2. Как при помощи них данные устройства реализуют свои функции.

III. Изучение нового материала.

Презентация на тему: «Логические основы устройства компьютера»

Слайд 1

Логические основы устройства компьютера

Слайд 2

Базовые логические элементы. Базовые логические элементы - реализуют три основные логические операции: Логический элемент «И» - логическое умножение. Логический элемент «ИЛИ» - логическое сложение. Логический элемент «НЕ» - инверсия.

Слайд 3

Логические элементы компьютера оперируют с сигналами - электрическими импульсами. Есть импульс - логический смысл сигнала - 1. Нет импульса - 0. На входы логического элемента поступают сигналы-значения аргументов, на выходе появляется сигнал-значение функции.

Слайд 4

Преобразование сигнала логическим элементом задается таблицей состояния, которая фактически является таблицей истинности.

Слайд 5

Логический элемент «И» На входы А и В логического элемента подаются два сигнала (00, 01, 10 или 11). На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицей истинности. А (0, 0, 1, 1) В (0, 1, 0, 1) И F (0, 0, 0, 1)

Слайд 6

Логический элемент «ИЛИ». На входы А и В логического элемента подаются два сигнала (00, 01, 10 или 11). На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицей истинности. А (0, 0, 1, 1) В (0, 1, 0, 1) F (0, 1, 1, 1) ИЛИ

Слайд 7

Логический элемент «НЕ». На вход А логического элемента подается сигнал 0 или 1. На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицей истинности инверсии. А (0, 1)F (1, 0) НЕ

Слайд 8

Сумматор двоичных чисел. Для упрощения работы компьютера все математические операции сводятся к сложению двоичных чисел. Поэтому главной частью процессора являются сумматоры.

Полусумматор. При сложении двоичных чисел в каждом разряде образуется сумма и при этом возможен перенос в старший разряд. Введем обозначения слагаемых (А, В), переноса (Р) и Суммы (S).

Слайд 9

Составим таблицу для сложения одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса в старший разряд.. Из таблицы видно, что Р = А & В S = (AvB) & (A & B)

Слагаемые Перенос Сумма АВPS 0000 0101 1001 1110

Слайд 10

Построим схему сложения: Для обеспечения переноса нужно использовать логический элемент «И», имеющий два входа, на выходе получаем элемент логического умножения. Данная схема называется полусумматором, т.к. реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда.

Слайд 11

Полный одноразрядный сумматор. Полный одноразрядный сумматор должен иметь три входа: А,В, и Р 0 два выхода: S и Р. Слагаемые Перенос из младшего разряда Перенос Сумма АВР0Р0 РS 00000 01001 10001 11010 00101 01110 10110 11111

Слайд 12

Триггер может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 или 1), что позволяет: запоминать, хранить, считывать.

Слайд 13

Пошаговая анимация показывает каким образом триггер хранит информацию.

Слайд 14

Пошаговая анимация показывает как происходит сброс информации в триггере.

Слайд 15

Заполнить таблицу.

Слайд 16

Практическая работа:

• Составить по логической схеме логическое выражение и для него заполнить таблицу истинности.

• По логической функции составить таблицу истинности и начертить функциональную схему на логических элементах.

Домашнее задание:

• Оформить практические задания в тетради.

• Скачать свободно распространяемый (бесплатно) компьютерный конструктор «Начала электроники», освоить и применить на уроках физики свои знания по этой теме.

Объяснение нового материала

1. Базовые логические элементы

Любые устройства компьютера, производящие обработку или хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов, как из "кирпичиков". Существует 3 типа логических элементов:

• логический элемент "И" - логическое умножение;

• логический элемент "ИЛИ" - логическое сложение;

• логический элемент "НЕ" - инверсия.

Слайды 5-7 в анимированном виде показывают, как на входы этих логических элементов поступают сигналы в виде электрических импульсов (записывается как 1) или их отсутствия (записывается как 0). На выходе образуется сигнал в соответствии с таблицей истинности данной логической операции.

Кто прокомментирует эти 3 слайда? Вызвать «добровольца».

2. Сумматор двоичных чисел.

Все многообразие математических операций в процессоре сводится к сложению двоичных чисел. Поэтому главной частью процессора являются сумматоры.

Полусумматор

Для того чтобы понять, как работает сумматор, ученикам предлагается вспомнить, как происходит сложение двоичных чисел. Для этого к доске вызывается ученик, который складывает одноразрядные двоичные числа и комментирует ответы с учетом переноса в старший разряд.

Одновременно на экране построчно появляется таблица, показывающая соответствующие слагаемые, сумму и перенос.

Задается вопрос: «С помощью какой логической операции можно реализовать перенос при сложении, то есть какой из логических функций идентичен столбику F?»

Ученики отвечают, что это логическое умножение.

Далее учитель предлагает, посмотреть на столбик «сумма» и проанализировать, с итоговым столбиком F какой из функций (за исключением одной строчки) он совпадает.

Ученики заключают, что это логическое сложение.

Учитель подсказывает, что для того чтобы совпадение было полным надо результат логического сложения умножить на инвертированный перенос (слайд №8).

S = (A v B) & ¬ (A & B)

Построим таблицу истинности для данного логического выражения и убедимся в правильности данного предположения (учащиеся постепенно заполняют таблицу истинности, показанную на экране, называя содержимое каждой следующей ячейки таблицы, поле чего учитель щелкает мышью и содержимое ячеек появляется на экране).

Теперь на основе логических выражений, соответствующих переносу и сумме можно построить из базовых логических элементов схему сложения одноразрядных двоичных чисел.

На экране появляется данная схема (слайд №9). Схема появляется пошагово справа налево, потому что ученики еще раз должны прокомментировать, как составляется схема суммы и переноса. Для этого учитель наводящими вопросами подталкивает учеников к тому, чтобы они сказали, какой элемент схемы сейчас должен появиться на экране, что будет на его выходе и на его входах (или входе).

Запишите правило: «Данная схема называется полусумматором, потому что не учитывает перенос из младшего разряда».

Полный одноразрядный сумматор

Ученикам при помощи наводящих вопросов предлагается построить таблицу, учитывающую перенос из младшего разряда.

Далее учитель наводит на мысль о том, что перенос (логическая переменная P) принимает значение 1 тогда, когда хотя бы две входные переменные одновременно принимают значение 1. Таким образом, перенос реализуется путем логического сложения результатов попарного умножения входных переменных (A, B, P₀). Таким образом, формула переноса составляется так:

P = (A & B) v (A & P₀) v (B & P₀).

Значение суммы получается так: S = (A v B v P₀) & ¬P.

Данное выражение дает правильное значение суммы во всех случаях, кроме одного, когда все входные переменные равны 1.

Для получения правильной суммы, равной 1, нужно сложить полученное выше выражение для суммы с результатом логического умножения переменных (A, B, P₀).

S = (A v B v P₀) & ¬ P₀ v (A & B & P₀).

Многоразрядный сумматор

Многоразрядный сумматор состоит из полных одноразрядных сумматоров, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключается ко входу сумматора старшего разряда.

3. Триггер.

Важнейшей структурной единицей оперативной памяти компьютера, а также внутренних регистров процессора является триггер. Каждый триггер может хранить 1 бит информации (то есть может хранить либо логическую 1, либо логический 0). В этом триггер может быть сравним с бытовым выключателем, который может находиться только в двух состояниях: либо включен, либо выключен.

На слайде №13 показано при помощи пошаговой анимации, каким образом триггер хранит информацию. Как происходит сброс информации показано на слайде №14 (учитель комментирует каждый шаг анимации). Далее обучающимся предоставляется возможность прокомментировать данный слайд и заполнить таблицу на слайде №15.

IV. Подведение итогов урока.

Сегодня на уроке мы узнали:

• о том, что в основе устройств компьютера лежат 3 типа логических элементов: логический элемент "И", логический элемент "ИЛИ", логический элемент "НЕ";

• что из этих логических элементов состоит процессор и оперативная память;

• как при помощи них реализуются арифметико-логические действия;

• и как организован триггер, являющийся важнейшей структурной единицей оперативной памяти.

Хотелесь бы отменить очень хорошую работу на уроке следующих ребят: ________________________________________________________________________, они сегодня за урок получают оценку «5». Молодцы!

________________________________________________________________________ сегодня несколько раз были немного неуверенны в своих ответах, поэтому они получают оценку «4».

V. Домашнее задание.

Домашняя работа будет оцениваться по 2 пунктам практической работы, 3 задание выполняется по желанию, кто хотел бы расширить свой кругозор в области физики.

Использованная литература

1. Информатика и ИКТ. Профильный уровень: учебник для 10 класса / Н.Д. Угринович. - 4- изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

2. Ресурсы интернета: myshared.ru/slide/162904/