Características deseables en unCaracterísticas deseables en un Procesador Pedagógico Procesador Pedagógico

para la para la enseñanzaenseñanza básica de básica de Arquitectura Arquitectura dede Computadores Computadores

Fermín Sánchez CarracedoUniversitat Politècnica de Catalunya

ÍndiceÍndiceMarco GeneralMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– Comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

Marco GeneralMarco General

Aprendizaje en primera asignatura sobre AC en Ingeniería Informática

Objetivo: que el alumno entienda– Arquitectura von Newman– Misión de cada componente

Arquitectura von NeumannArquitectura von NeumannMemoriaMemoria

= Banco de registros grandeContiene instrucciones y datosJerarquía: cursos posteriores

Arquitectura von Neumann Arquitectura von Neumann Entrada/SalidaEntrada/Salida

Cursos posteriores– Se requieren conocimientos básicos de

programación– Concepto de concurrencia difícil– Se puede estudiar un modelo sencillo

totalmente secuencial

Arquitectura von Neumann Arquitectura von Neumann Unidad Central de ProcesoUnidad Central de Proceso

UP y UC sencillas y bien diferenciadasUC: 1 estado = 1 fase ejecuciónUP: Componentes básicos para entender la

ejecución secuencial de instrucciones

Arquitectura von Neumann Arquitectura von Neumann BusesBuses

Tipos de buses: datos, @ y controlSincronización: cursos posteriores

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

Características: ISACaracterísticas: ISA

Arquitectura ortogonal y sencillaRISC de carga-almacenamientoInstrucciones: pocas y básicasTres tipos de instrucciones

– Aritmético-lógicas R-R: +, -, >>, AND/OR– Transferencia Memoria-Banco Registros– Salto

Características: MemoriaCaracterísticas: Memoria

Memoria única de instrucciones y datosTamaño instrucción = tamaño dato

=> No precisa alineamiento

Direccionamiento a nivel de palabraModos: Registro, Inmediato, Relativo,

Absoluto (saltos)Saltos con/sin flags

Características: UPCaracterísticas: UP

Banco de registros “pequeño”: 16x16PC direcciona toda la memoriaIR: 16-32 bitsALU sencilla: ops básicas (+, -,AND,>>)Registro de estado con pocos bits: Z, N, V, C

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:Ejemplos de máquinas:

– Máquina SencillaMáquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– Comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

Máquina SencillaMáquina Sencilla

Arquitectura Memoria-MemoriaMemoria: 128 x 16 bitsDireccionable a nivel de palabraInstrucciones: 16 bitsDatos: Números naturales de 16 bits1 bit de estado: Z4 Instrucciones: ADD, MOV, CMP, BEQ

Máquina SencillaMáquina Sencilla

Ventajas– Extremadamente simple– Unidad de control muy sencilla

Inconvenientes– No hay Banco de registros

Sólo 1 espacio de direcciones Sólo 1 modo de direccionamiento

– Ampliarla requiere rediseñarla por completo

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:Ejemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLXDLX– Máquina Rudimentaria– Comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

DLX: EstructuraDLX: Estructura

Instrucciones de 32 bits Operandos de 8, 16 y 32 bitsMemoria:

– De instrucciones y de datos– 232 x 8 bits cada una – Direccionable a nivel de byte– Requiere alineamiento

DLX: UPDLX: UP

2 Bancos de registros: – Enteros 32 x 32 bits– FP 16 x 64 bits (32 x 32 bits)

Registro de estado: 1 bit (reales)PC de 32 bitsIR de 32 bits

DLX: InstruccionesDLX: Instrucciones

Inmediato de 16 bits (constantes de 32)Instrucciones enteras:

– +,-,*,/,– AND,OR,XOR,– >>,<< (aritméticos y lógicos)

Instrucciones FP: – +,-,*,/– CMP: activa bit registro de estado

DLX: SaltosDLX: Saltos

Saltos: – Incondicionales – Condicionales– Llamada a subrutina

Salto FP: Evalua bit registro estadoSalto entero: Evalua registro BR=0Modo relativo al PC (desp. 16 bits)

DLXDLX

Ventajas– Muy bien documentado– Se pueden explicar conceptos avanzados en

cursos posteriores usándolo completo

Inconvenientes– Demasiado complejo, pero…– Se puede usar una versión simplificada

DLX: SimplificaciónDLX: Simplificación

Sólo instrucciones enteras– 1 banco de registros– Desaparece el hardware de reales– Saltos

homogéneos (sin registro de estado) Subrutinas NO

Operandos 32 bits =>No requiere alineaciónInclusión de registros para relacionar

estados de la UC con fases de ejecución

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:Ejemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina RudimentariaMáquina Rudimentaria– Comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

MRMR

Memoria: – 256 x 16 bits– Direccionable a nivel de palabra

Instrucciones: 16 bits Datos: enteros Ca2 de 16 bits

MR: UP y UCMR: UP y UC

Banco de Registros: 8 x 16 bitsPC: 8 bitsIR: 16 bitsRegistro de estado: N, Z, (V)UC:

– Sencilla:1 estado = 1fase de ejecución– Existe versión optimizada (más compleja)

MR: InstruccionesMR: Instrucciones

Cargas y almacenamientos– Modo relativo con desplazamiento de 8 bits

Saltos– Condicionales e incondicionales– Modo absoluto (8 bits)

Aritmético-Lógicas:– +, -, AND, >> lógico– Inmediato de 5 bits (+, -)

MRMR

Ventajas– Cumple con los requisitos deseados

Inconvenientes– UP diseñada ad-hoc (visión irreal)– No es posible segmentarla para estudiar

conceptos avanzados

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:Ejemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– ComparaciónComparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

ComparaciónComparación

MS DLX DLXs MR

TamañoInstrucción

16 32 32 16

Tamaño/tipooperandos

N Z, FP Z Z

ZN

16 8, 16,32

32 16

FP NO 16,32 NO NO

ComparaciónComparación

Modos @ MS DLX DLXs MR

Registro NO SI SI SI

Inmediato NO 16 16 5

Relativo NO Desp16

Desp16

Desp8

Absoluto X X

ComparaciónComparación

Memoria MS DLX DLXs MR

Inst/datos NO SI SI NO

Tamaño 27x16 232x8ambas

232x8ambas

28x16

Nivel dedirección

word byte byte word

Alinea-miento

NO SI NO NO

ComparaciónComparación

Unidad deProceso

MS DLX DLXs MR

Banco deregistros

NO Z 32x32FP64x16

Z32x32

Z8x16

Registroestado

Z Z (FP) - NZV

tamañoPC

7 32 32 8

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorLenguaje ensamblador y simuladorConclusiones

Lenguaje ensambladorLenguaje ensambladorObjetivos:

– Visión más cercana al usuario del LM– Traducción alto nivel => bajo nivel

de estructuras de datos de sentencias estructuradas (if, while…)

Características deseables:– Sencillez– Direcciones simbólicas (etiquetas)– Directivas básicas (asignación y reserva de M.)

SimuladorSimulador¿Por qué?

– Permite que el alumno experimente y aprenda

Algunas Características:– Incorporar un ensamblador/depurador– Visualización de lo que sucede en cada momento– Visualizar y alterar UP, UC y memoria– Ejecución con diferente granularidad – Diagramas de tiempo

Presentación: SiMR

ÍndiceÍndiceMarco GeneralCaracterísticas de una máquina pedagógicaEjemplos de máquinas:

– Máquina Sencilla– DLX– Máquina Rudimentaria– Comparación

Lenguaje ensamblador y simuladorConclusionesConclusiones

ConclusionesConclusiones

Características básicas de:– Procesador– Ensamblador– Simulador

¿Procesador recomendado?– DLX simplificado

Cumple con los requisitos exigidos Puede usarse en cursos posteriores