 |
Логические функции и логические элементы
|
|
|
|
Тема №1. Роль ИКТ в ключевых секторах развития общества. Архитектура компьютерных систем
Цель: Дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера. Научить различать основные типы персональных компьютеров.
Задачи обучения: Ознакомление с архитектурой современной вычислительной техники. Ознакомление c внутренними и внешними устройствами компьютеров, основными средствами хранения документов.
Основные вопросы темы:
1. Представление информации в компьютере.
2. Булева алгебра и логические схемы компьютера.
3. Элементы организации основных блоков компьютера.
4. Архитектурная организация процессора.
5. Организация памяти компьютера.
6. Основные устройства, применяемые для долговременного хранения данных на ПК.
7. Логическая организация хранения данных на магнитных дисках.
8. Физическая организация хранения данных на магнитных дисках.
9. Состав ПК.
Методы обучения и преподавания: семинар
Теоретический блок
Процессы информатизации современного общества и тесно связанные с ними процессы информатизации всех форм образовательной деятельности характеризуются процессами совершенствования и массового распространения современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Подобные технологии активно применяются для передачи информации и обеспечения взаимодействия преподавателя и обучаемого в современных системах открытого и дистанционного образования.
Слово " технология " имеет греческие корни и в переводе означает науку, совокупность методов и приемов обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов, изделий и преобразования их в предметы потребления. Современное понимание этого слова включает и применение научных и инженерных знаний для решения практических задач. В таком случае информационными и телекоммуникационными технологиями можно считать такие технологии, которые направлены на обработку и преобразование информации.
|
|
|
Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) – это обобщающее понятие, описывающее различные устройства, механизмы, способы, алгоритмы обработки информации. Важнейшим современным устройствами ИКТ являются компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением и средства телекоммуникаций вместе с размещенной на них информацией.
Любая педагогическая технология - это информационная технология, так как основу технологического процесса обучения составляет получение и преобразование информации. Более удачным термином для технологий обучения, использующих компьютер, является компьютерная технология. Компьютерные (новые информационные) технологии обучения - это процесс подготовки и передачи информации обучаемому, средством осуществления которых является компьютер.
Средства ИКТ, применение которых целесообразно непосредственно в учебном процессе системы открытого образования представляют собой компьютерные средства хранения, визуализации (воспроизведения), обработки и передачи информации.
Любой электронный информационный ресурс разрабатывается в соответствии с некоторым сценарием – детальным планом взаимодействия электронного информационного ресурса с пользователем, содержащим точную разбивку на отдельные структурные единицы, включающим описание содержательного, логического и временного взаимодействия структурных единиц.
Существует несколько подходов к позиционированию средств ИКТ, используемых в учебном процессе. Наиболее перспективным и содержательным представляется подход, при котором в качестве критерия классификации выступает область методического назначения средства ИКТ.
|
|
|
Средства ИКТ бывают:
1. Обучающие. Они сообщают знания, формируют навыки практической или учебной деятельности, обеспечивая требуемый уровень усвоения материала.
2. Тренажеры. Предназначены для отработки различных умений, закрепления или повторения пройденного урока.
3. Справочные и информационно-поисковые. Сообщают сведения по систематизации информации.
4. Демонстрационные. Визуализируют изучаемые явления, процессы, объекты с целью их изучения и исследования.
5. Имитационные. Представляют собой определенный аспект реальности, позволяющий изучать его функциональные и структурные характеристики.
6. Лабораторные. Позволяют проводить эксперименты на действующем оборудовании.
7. Моделирующие. Дают возможность составлять модель объекта, явления с целью его изучения и исследования.
8. Расчетные. Автоматизируют расчеты и разнообразные рутинные операции.
9. Учебно-игровые. Предназначены для создания учебной ситуации, в которой деятельность обучаемых реализована в игровой форме.
Современные средства ИКТ, применяемые в системе открытого образования предоставляют студенту возможность в удобном для него индивидуальном темпе изучать теорию, проводить экспериментальные исследования, приобретать практические навыки и умения путем тренировочных действий, осуществлять самоконтроль. Одно и то же средство, вне зависимости от формы и технологии его применения в открытом образовании может быть использовано на лекции, на лабораторно-практическом занятии, при выполнении курсового и дипломного проектирования, для организации самостоятельного обучения или при проведении текущего и итогового контроля. При этом, использование современных телекоммуникационных сред снимает с практического использования таких сред любые временные и пространственные ограничения.
Под информатизацией учебного процесса можно понимать весь комплекс мероприятий по использованию средств информационных технологий в автоматизации всех процессов обработки информации, характерных всем, без исключения, видам деятельности современного учреждения образования. Из такого определения вытекает основополагающая роль понятия средств информационных технологий, отношение к которому в научной литературе не является однозначным.
|
|
|
Выделяет следующие основные педагогические цели использования средств современных информационных технологий:
1) Интенсификация всех уровней учебно-воспитательного процесса за счет применения средств современных информационных технологий:
- повышение эффективности и качества процесса обучения;
- повышение активности познавательной деятельности;
- углубление меж предметных связей;
- увеличение объема и оптимизация поиска нужной информации.
2) Развитие личности обучаемого, подготовка индивида к комфортной жизни в условиях информационного общества:
- развитие различных видов мышления;
- развитие коммуникативных способностей;
- формирование умений принимать оптимальное решение или предлагать варианты решения в сложной ситуации;
- эстетическое воспитание за счет использования компьютерной графики, технологии мультимедиа;
- формирование информационной культуры, умений осуществлять обработку информации;
- развитие умений моделировать задачу или ситуацию;
- формирование умений осуществлять экспериментально–исследовательскую деятельность.
3) Работа на выполнение социального заказа общества:
- подготовка информационно грамотной личности;
- подготовка пользователя компьютерными средствами;
осуществление профориентационной работы в области информатики.
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) представляют собой устройство, предназначенное для выполнения вычислительных операции по заданной программе.
Современная электронная вычислительная машина – это сложнейший комплекс устройств, восхищающий своим технологическим совершенством и разнообразием физических принципов работы.
Вычислительные машины в зависимости от способа представления информации подразделяются на две большие группы: вычислительные машины непрерывного действия, или аналоговые вычислительные машины (АВМ), и вычислительные машины дискретного действия, или цифровые вычислительные машины (ЦВМ).
|
|
|
В АВМ входные, выходные и промежуточные величины представляются в виде токов или напряжений, значения которых в определенном масштабе соответствуют числом.
Математические действия над числами заменяются в АВМ различными преобразованиями электрических токов или напряжений.
Подлинный прогресс науки, называемой математической логикой, был достигнут в середине XIX в. Прежде всего благодаря труду английского логика Джорджа Буля «Математический анализ логики». Он перенес на логику законы и правила алгебраических действий, ввел логические операции, предложил способ записи высказываний в символической форме.
Современная математизированная формальная логика представляет собой обширную научную область и находит широкое применение как внутри математики (исследование оснований математики), так и вне ее (анализ и синтез автоматических устройств, теоретическая кибернетика, в частности, искусственный интеллект).
Формы мышления. Первые учения о формах и способах рассуждений возникли в странах Древнего Востока (Китай, Индия), но в основе современной логики лежат учения, созданные древнегреческими мыслителями. Основы формальной логики заложил Аристотель, который впервые отделил логические формы мышления (речи) от его содержания.
Логика- это наука о формах и способах мышления.
Законы логики отражают в сознании человека свойства, связи и отношения объектов окружающего мира. Логика позволяет строить формальные модели окружающего мира, отвлекаясь от содержательной стороны.
Мышление всегда осуществляется в каких-то формах. Основными формами мышления являются понятие, высказывание и умозаключение.
Понятие выделяет существенные признаки объекта, которые отличают его от других объектов. Объекты, объединенные понятием, образуют некоторое множество. Например, понятие «компьютер» объединяет множество электронных устройств, которые предназначены для обработки информации и обладают монитором и клавиатурой. Даже по этому короткому описанию компьютер трудно спутать с другими объектами, например с механизмами, служащими для перемещения по дорогам и хранящимися в гаражах, которые объединяются понятием «автомобиль».
Понятие - это форма мышления, фиксирующая основные, существенные признаки объекта. Понятие имеет две стороны: содержание и объем. Содержания понятия составляет совокупность существенных признаков объекта. Чтобы раскрыть содержание понятия, следует найти признаки, необходимые и достаточные для выделения данного объекта из множества других объектов. Свое понимание окружающего мира человек формулирует в форме высказываний (суждений, утверждений). Высказывание строится на основе понятий и по форме является повествовательным предложением. Высказывание может быть ложным или истинным. Истинным будет высказывание, в котором связь понятий правильно отражает свойства и отношение реальных вещей. Ложным высказывание будет в том случае, когда оно не соответствует реальной действительности.
|
|
|
Высказывание – это форма мышления, в которой что-либо утверждается или отрицается о свойствах реальных предметов и отношениях между ними. Высказывание может быть либо ложно, либо истинно.
Умозаключение. Умозаключения позволяют на основе известных фактов, выраженных в форме суждений (высказываний), получать заключение, то есть новое знание. Примером могут быть геометрические доказательства.
Умозаключение – это форма мышления, с помощью которой из одного или нескольких суждений (посылок) может быть получено новое суждение (заключение).
Алгебра логики (раздел высказываний) – раздел математической логики, изучающий строение (форму, структуру) сложных логических высказываний и способы установления их истинности с помощью алгебраических методов.
В алгебре логики над высказываниями можно производить различные операции (подобно тому в алгебре чисел определены операции сложения, деления, возведения в степень над действительными числами).
Обозначать высказывания будем прописными буквами. Если высказывание А истинное, то будем писать «А=1» и говорить «А истинно». Если высказывание А ложное, то будем писать «А=0» и говорить «А ложно».
Для структурно-функционального описания логических схем, составляющих основу любого дискретного вычислительного устройства, ЭВМ или ВС в целом, используется аппарат булевой алгебры, созданной в 1854 г. Дж. Булем как попытка изучения логики мышления математическими методами. Впервые практическое применение булевой алгебры было сделано К. Шенноном в 1938 г. для анализа и разработки релейных переключательных сетей, результатом чего явилась разработка метода представления любой сети, состоящей из совокупности переключателей и реле, математическими выражениями и принципов их преобразования на основе правил булевой алгебры. Ввиду наличия аналогий между релейными и современными электронными схемами аппарат булевой алгебры нашел широкое применение для анализа, описания и проектирования последних. Использование булевой алгебры позволяет не только более удобно оперировать с булевыми выражениями (представляющими те или иные электронные узлы), чем над схемами или логическими диаграммами, но и на формальном уровне путем эквивалентных преобразований и базовых теорем упрощать их, давая возможность создавать экономически и технически более совершенные электронные устройства любого назначения. Являясь основным средством анализа, разработки и описания структурно-функциональной архитектуры современной ВТ, булева алгебра является обязательной составной частью курса “компьютерной информатики”, а также целого ряда разделов вычислительных наук.
Логические основы ЭВМ
Рассмотрим, как применяется алгебра высказываний при конструировании устройств.
Чтобы конструировать устройство, мы должны знать:
· Каким образом следует реализовать логические значения 0 и 1 в виде электрических сигналов на входе и выходе устройства;
· Каким образом описать работу этого устройства:
· Существует ли алгоритм, позволяющий по известной таблице истинности построить схему устройства;
· Из каких элементов должно состоять устройство.
Постановка подобных вопросов и поиск ответов на них привели к построению простейших преобразователей информации, составляющих основу любой вычислительной машины.
Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только одно из двух установленных значений.
Физическая природа сигнала может быть самой различной. Сигналами могут считаться, например, появление на выходе преобразователя напряжения или давления воздуха определенной величины, включение лампы или звонка, нажатие кнопки, срабатывание электромагнитного реле и другие изменения в электрической цепи. При этом обязательно надо, чтобы имелось два существенно различных состояния некоторой физической величины, моделирующие истинность и ложность логических высказываний.
Логическим элементом называется преобразователь, который, получая сигналы об истинности отдельных высказываний, обрабатывает их и в результате выдает значение логического отрицания, логической суммы или логического произведения этих высказываний.
Логические функции и логические элементы
ЭВМ состоит из отдельных элементов, выполняющих элементарные операции. Элемент-это обычно электронная схема. Все элементы ЭВМ разделить на группы в зависимости от значения этих элементов: логические, запоминающие, усилительные и специальные.
Из логических элементов создают операционные схемы, которые обеспечивают арифметические и иные операции. Название «логический элемент» обусловлено тем, что отдельный элемент позволяет осуществить определенную связь или как принято говорить, выполнить отдельную логическую функцию. Рассмотрим некоторые наиболее существенные функции и логические элементы, реализующие их.
- Логическая функция «И»
Конъюнкцию (объединение) - логическая функция «И». Два (или более) высказывания могут быть объединены в одно сложное.
Конъюнкцию называют логической функцией «И». Обозначим истинное высказывание единицей (1), а ложное нулем (0). Конъюнкцию двух высказываний обозначим знаком «&» или «Ù». Конъюнкцию двух высказываний можно записать по правилам логического умножения.
Графическое изображение: Таблица истинности
| Вход | Выход | |
| Х1 | Х2 | У |
Уравнение логического элемента «И»: У =Х1 
Х2
Логический элемент И выполняет действие умножение.
- Логическая функция «ИЛИ»
Дизъюнкция (разъединение) – логическая функция «ИЛИ».
Дизъюнкцией назовем сложное высказывание, которое истинно при истинности хотя бы одного из составляющих его высказываний, и ложно, если оба высказывания, которые образуют сложное. Дизъюнкцию обозначается знаком «+», который читается «ИЛИ». Дизъюнкция двух высказываний может быть записана по правилам логического сложения.
| Вход | Выход | |
| Х1 | Х2 | У |
Графическое изображение: Таблица истинности
 |
Уравнение логического элемента «ИЛИ»: У=Х1 V Х2
Логический элемент ИЛИ выполняет действие сложение.
- Логическая функция «НЕ»
Это связь означает отрицание истинности, присущей какому-либо высказыванию. Символически логическая функция НЕ обозначается чертой над символом заданного высказывания: 
(читается не «Х»). Логический элемент, реализующий логическую функцию НЕ, называется инвертором.
Таблица истинности
| Вход | Выход |
| Х | У |
Уравнение логического элемента «НЕ»: У= 
|
|
|
