Информатика:
наука или технология?

• Наука смотрит в будущее
• Технология актуальна сейчас
• Базовые знания очень далеки от практики
• ⇒ Воспринимаются в отрыве друг от друга

Знания и практика

• Архитеркура фон Неймана — знания
• Смартфон — повседневная практика
• Алгоритмы и структуры данных — знания
• Облачные сервисы и приложения — практика
• Явного следа базовых знаний в повседневности нет
• Мотивация учиться?

Модельные ЭВМ
и Little Man Computer

• Нарочитая схематическая простота
• Классическая фон-неймановская архитектура
• Наличие средств визуализации работы
• Архаичность в угоду минимализму

Little Man Computer

Реализация Питера Хиггинсона

• Всего 10 инструкций в системе команд
• Визуализация работы
  • В реальном времени
  • В т. ч. «микропрограммного» уровня
• Визуализация потоков данных
• Общая память инструкций и данных
• Встроенный транслятор
• Одноадресная архитектура

• Выбрать «select →add»
• Нажимать «step»
• …или «run»
• OPTIONS:
• «default slow»
• …

(в отдельном окне)

Что можно и что нельзя

• Можно:
  • классическая архитектура
  • микропрограммная организация
• Нельзя: стек, косвенная адресация
• Можно:
  • основы алгоритмистики
  • фазы программирования
• Нельзя: массивы и подпрограммы

LMC и «Архитектура ЭВМ»

• На начальном уровне:
  • общая память и адресация
  • порядок выполнения инструкций
  • ввод-вывод
• Глубже:
  • шины адреса, данных и В/В
  • АЛУ и УУ
  • регистры и зачем они нужны

LMC и «Архитектура ЭВМ»

недостатки и пожелания

• Нет аппаратной поддержки стека
  • ⇒ нет подпрограмм
• Только прямая адресация
  • ⇒ нет массивов
  • (самомодифицирующийся код? ☹)
• Различные устройства ввода-вывода?
• ⇒ Это небольшая тема

LMC и «Программирование»

• Понятие исполнителя и демифологизация
• Условный оператор как переход вперёд
• Цикл как условный переход назад
• Понятие трансляции
• Дисциплина комментирования
• Метки и переменные

LMC и «Программирование»

недостатки

• Нет и не будет процедур / функций
• Нет вменяемых массивов
• Мало памяти
• Сложно формулировать
• ⇒ Это небольшая тема

Что делать дальше?

• Программирование: высокоуровневый ЯП
• Программирование: язык Си
• Архитектура: современные варианты LMC
• Архитектура: актуальные ABI/ISA
• Архитектура: классификация периферии
  (не по внешним данным, а по способу
  взаимодействия с памятью и процессором)

Программирование

• Высокоуровневый ЯП: инварианты
  • «Исполнитель»
  • «Условный переход» и «цикл»
  • «Переменная»
• Язык Си: связь с архитектурой ЭВМ
  • Адреса, стек, куча
  • ABI
  • Работа с памятью
  • (это очень большая тема)

Актуальные архитектуры

• Относительная простота ISC
  • (редкость, на самом деле)
• Современность
• Удобство визуализации и отладки
• Дополнительные компоненты
  • Типовые внешние устройства
  • Мотиваторы (графика, звук)
• Рекомендуется архитектура RISC-V
  • Много качественных эмуляторов
  • (например, RARS, WepSIM и т. п.)

Современные варианты LMC

• Минималистичный вариант Поля Бринкмайера
• Война танков Пита Дринга
• …прочие в количестве
• …или доработка имеющегося?

Социальное закрепление темы

• Проблемы:
  • Отсутствие мотивации
  • Отсутствие социального компонента
  • Усталость, невоспримчивость
• Вариант решения: ролевая игра
  • Является частью архитектуры LMC
  • Задействует другие механизмы мотивации

Информатика — это не для меня…

• Математическая травма
• Отсутствие мотивации предметом
• «Какое приложение у вас старое!»
• Психологические особенности ребёнка
• Возрастные особенности
• Четверг, седьмой урок…

LMC и ролевая игра

• LMC разрабатывался как система карточек
• Имеет чётко выделенные компоненты
• Роль каждой компоненты определена
• Добавляем «игровой сценарий» — программу
• Получаем ролевую игру
  • Взаимодействие в микроколлективе
  • Закрепление базовых знаний
  • Двигательная и речевая активность

Ролевая игра

• Ход игры: «компоненты» исполняют программу
• Возможны разные уровни детализации
• Требует проработки сценария
• Главная нагрузка — на Процессор
• Результаты на 6-7-8 классах
  • Вовлечение незаинтересованных — да
  • Остаточные знания — ?
  • «Четверг, седьмой урок»…

Ролевая игра

Участвуют трое трое: Процессор, Память и Ввод-Вывод

• (Процессор) Память! Выдай мне содержимое ячейки по адресу 0!
• (Память) 511
• (Процессор, сам себе) Декодируем команду. 5 — это чтение, 11 — это адрес
• (Процессор) Память! Выдай мне содержимое ячейки по адресу 11!
• (Память) 42
• (Процессор, сам себе) Следующая команда по адресу 1
• (Процессор) Память! Выдай мне содержимое ячейки по адресу 1!
• (Память) 902
• (Процессор, сам себе) Декодируем команду. 9 — это ввод-вывод, 02 — вывод
• (Процессор) Ввод-вывод! Выведи 42!

Большая Игра

• Возможно несимметричное совмещение ролей
• Необходима тщательная подготовка сценария
  (чтобы все участники были задействованы)
• Возможно естественное введение понятия конвейера
  • Память фиксировано долго выполняет операцию
  • В это время Процессор доделывает часть действий
  • При проявлении зависимости по данным, ждёт
• Существенно бóльшая нагрузка на Устройство Управления

Большая Игра

• (Устройство Управления, далее УУ) Счётчик команд! Следующая команда?
• (Счётчик Команд) Ну, 0…
• (УУ) Адресная Шина! Содержимое ячейки по адресу 0!
• (Адресная Шина) Память! Что там по адресу 0? (Память роется в бумажках)
• (УУ) Арифметическое Устройство (далее АЛУ)! Прибавь 1 к 0!
• (АЛУ) 1, у тебя с арифметикой что, совсем никак?
• (Память, нашла бумажку) Шина Данных! 511.
• (Шина Данных) Устройство Управления! 511.
• (УУ) Что 511? А, да. 5 — это чтение, 11 — это адрес.
• (УУ) Адресная Шина! Содержимое ячейки по адресу 11!
• (Адресная Шина) Память! Что там по адресу 11? (Память роется в бумажках)
• …

Результаты

• Непрофильные 6-7-8 классы
• Мотивация:
  • Группы «программистов» и «ролевиков» различаются
  • Обе группы примерно равновелики
    (по отчётам, точного исследования не проводилось)
• Демотивация:
  • Есть «стеснительные + нелюбопытные»
  • «Какое приложение у вас древнее!»
  • «Четверг, седьмой урок»…
• Остаточные знания — ?