Laboratório sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Linguagem de Montagem

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1 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 1 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem Prátca: Programação em Lnguagem de Montagem do Processador Cleópatra Recursos: Ambente de Desenvolvmento de Software para a Arqutetura Cleópatra Parte I Introdução e Objetvos O Laboratóro sobre Crcutos Seqüencas e Máqunas de Estados Fntas envolveu o projeto e mplementação de sstemas dgtas em geral, vsando ntroduzr os alunos ao emprego de sstemas de Projeto Auxlado por Computador (PAC, ou, em nglês, CAD, de Computer Aded Desgn) para o projeto eletrônco. Naquele laboratóro, além da ntrodução ao uso de váras ferramentas de CAD (e.g. edtor de esquemátcos, smulador lógco, edtor de scrpts de smulação, mnmzador de conjuntos de funções lógcas Booleanas (Espresso), edtor de máqunas de estados fntas, subconjunto de ferramentas de síntese automatzada para FPGAs, e sstema de descarga de arquvos de confguração para uma plataforma de prototpação específca empregando FPGAs), foram revsados alguns concetos envolvendo o projeto de sstemas dgtas combnaconas e seqüencas. Além dsto, fo exerctado o fluxo básco de mplementação a partr de um projeto valdado funconalmente. O presente Laboratóro tem por objetvo estratégco efetvamente ncar os trabalhos prátcos específcos de Organzação de Computadores (Undade 02 da Dscplna, bem como da dscplna teórca companhera). Este prmero passo consstrá em trabalhar em níves de abstração mas altos, ndependentes de hardware, gnorando hardware e ldando com a abstração denomnada Arqutetura de Conjunto de Instruções (em nglês, Instructon Set Archtecture, ou ISA), a prmera camada de software acma do hardware de um sstema computaconal (caso gnore-se e/ou dentfque-se esta camada com o nível de códgo de máquna). Em resumo, trabalhar-se-á neste Laboratóro exclusvamente sobre o tema de programação em Lnguagem de Montagem. Dado o contexto do parágrafo anteror, em acordo com o conteúdo vsto de forma concomtante na dscplna teórca, adota-se aqu a arqutetura Cleópatra como alvo do trabalho. O objetvo específco deste laboratóro é fxar os conteúdos de programação em lnguagem de montagem (em nglês, assembly language) para a arqutetura Cleópatra, através do uso do sstema ntegrado de desenvolvmento, composto de 3 ferramentas acessíves va nterface gráfca unfcada: um edtor de textos especalzado, o montador Cleópatra (cleoasm.exe) e o smulador Cleópatra (cleosm.exe). Todo o sstema é de domíno públco, e fo ncalmente desenvolvdo por Danel Carvalho Lede, quando de sua partcpação como aluno da dscplna, em 1998/II, e mas tarde como bolssta do Grupo de Apoo ao Projeto de Hardware (GAPH) da FACIN. Atualmente, o trabalho de Danel vem evolundo a partr do trabalho de outros bolsstas do grupo de pesqusa GAPH. Os docentes agradecem a Danel o trabalho dedcado e a qualdade do sstema desenvolvdo, que em muto benefca o trabalho dos alunos de ambas dscplnas: Organzação de Computadores e. Obs: O ambente de desenvolvmento Cleópatra já se encontra devdamente nstalado nas máqunas do Laboratóro. Caso deseje usá-lo fora do mesmo, faça o segunte: Copar a dstrbução Cleópatra da URL Basta descomprmr cleosoft.zp e executar o arquvo setup.exe para ncar a nstalação do smulador. Obs.: Após uma pré nstalação, o processo de nstalação solcta que a máquna seja rencalzada para poder prossegur. Após rencalzar a máquna, relançar a nstalação para conclur. Abaxo detalhar-se-á a utlzação básca dos programas do ambente Cleópatra. A nstalação básca vem com exemplos de programas que funconam, programas estes de város graus de

2 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 2 complexdade. Mas exemplos de enuncados e soluções na págna de download da dscplna. Parte II Edtor Cleópatra e Montador Cleópatra Função do programa montador: gerar o códgo objeto (arquvos *.cle) a partr de arquvos texto contendo descrções de programas váldos em lnguagem de montagem (assembly language) da Arqutetura Cleópatra. Se o programa não for sntatcamente correto, cleoasm.exe ndca os erros (para uma descrção detalhada da sntaxe e da semântca da lnguagem de montagem, ver o documento o_cleo2.01.pdf). Entrada do montador: descrção em lnguagem de montagem (assembly language) em texto ASCII, correspondendo a arquvos com termnação.asm. Saídas do montador: 1. códgo objeto (bnáro), termnação.cle; 2. arquvos de lstagem, termnação.txt; 3..hex para execução na placa de prototpação. Chamar o smulador a partr de Start Programs Cleo Smulator 2.0 Cleo Smulator 2.0, ou camnho smlar (depende da nstalação e versão). A janela mostrada na Fgura 1.a é exbda. Se não houver camnho, procurar dretóro de nome cleosoft20 ou smlar no drve C. O nome do executável ncal do ambente é cleosm.exe. OPÇÃO MONTAR: VERIFICA ERROS E GERA O CÓDIGO OBJETO, CASO NÃO EXISTAM OPÇÃO RODAR Mensagem SUCESSO, quando não há erro de montagem (programa correto) (a) janela ncal do montador. (b) montador com o programa soma16 carregado. Fgura 1 - Janela do programa Montador. A déa aqu é abrr um programa fornecdo com o software, a título de exemplo. Ir no menu Arquvo, opção Abrr. Escolher o arquvo soma16.asm, localzado no subdretóro examples da nstalação do ambente. Observar a estrutura do programa, com as dretvas de montagem 1 para desgnar níco e fm da área de códgo (.code e.endcode), níco e fm da área de dados (.data e.enddata), e defnção de nome de área de dados e sua ncalzação (db). Tarefa 1: Estude, Pense e Responda - São estas as úncas dretvas acetas pelo montador 1 Uma dretva de montagem contém nformações para o programa montador, orentando-o na geração do códgo objeto. Não se deve confundr dretvas de montagem com mnemôncos da lnguagem de montagem, que são textos que fazem com que o programa montador gere códgo objeto executável pelo processador.

3 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 3 Cleópatra? Se não for este o caso, qual(s) a(s) dretva(s) restante(s), qual sua utldade e como funcona(m)? Utlzar a opção de menu Executar Montar (Tecla de atalho F5 ou antepenúltmo botão mas à esquerda) para gerar o códgo objeto. Caso o programa esteja corretamente escrto, a mensagem sucesso é exbda na parte nferor esquerda da janela do montador. Senão, uma mensagem de erro aparece no mesmo lugar. Alterar o programa para que sto ocorra, reexecutando o montador e analsando a mensagem gerada. Por exemplo, na prmera lnha após o rótulo volta, trocar o mnemônco lda por lad. Corrgr o erro e montar o programa outra vez. O programa em códgo objeto, com termnação.cle, será utlzado pelo smulador. Ele se encontra no mesmo dretóro do programa em lnguagem de montagem. Parte III - Smulador Cleópatra Após montar com sucesso o programa, clcar na opção de menu Executar Rodar (Tecla de atalho shft F5 ou penúltmo botão à esquerda) na janela do edtor. A segunte janela aparece: Fgura 2 - Smulador da Cleópatra, com o arquvo soma16.cle carregado. Observar as 5 áreas desta janela: 1. Conteúdo da memóra prncpal do processador Cleópatra (áreas de dados e programas): a coluna da esquerda contém o códgo fonte produzdo pela nterpretação do códgo objeto em suas áreas de nstruções e dados. A prmera área é delmtada pelas dretvas.code/.endcode, enquanto que a segunda área o é pelas dretvas.data/.enddata. A memóra possu posções numeradas de 00H até 0FFH. Note que as nstruções podem ocupar uma ou duas palavras de memóra, enquanto que os dados são sempre mostrados palavra a palavra (dentfcados na coluna da esquerda pelo texto DADOS e na da dreta pelo valor destes. A coluna da dreta mostra o conteúdo total da memóra em hexadecmal. A prmera coluna dá nformação sobretudo sobre memóra de programa (nstruções), e a segunda sobretudo sobre a memóra de dados. Tarefa 2: Estude, Pense e Responda - Onde começam e termnam as memóras de nstruções e de dados, respectvamente? O que acontece com todas as posções de memóra não referdas explctamente como memóra de dados ou de programa no smulador? 2. Regstradores nternos da arqutetura: acumulador (AC), contador de programa (PC), regstrador de endereço de retorno de subrotna (RS), regstrador de endereço de memóra (MAR), regstrador de dados da memóra (MDR) e regstrador de nstrução corrente (IR).

4 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 4 3. Qualfcadores (flags): carry (C), negatvo (N), zero (Z) e transbordo, ou overflow (V). 4. Rótulos defndos pelo usuáro (os rótulos de posções do programa e também os dentfcadores na memóra de dados, crados usando a dretva db). Tarefa 3: Estude, Pense e Responda - Como se dá a geração dos endereços assocados aos rótulos? Dê pelo menos dos exemplos de geração, pelo menos um de geração de rótulo para posção do programa e pelo menos um para posção da memóra de dados. 5. Controle de execução: do passo-a-passo até execução dreta (até que se encontre a prmera nstrução hlt). A opção RESETA permte rencalzar o estado do programa. Execute as três prmeras lnhas do programa exemplo, utlzando a opção STEP. 1. LDA n1. Fo traduzda para LDA 1FH. Observe se o conteúdo do acumulador após a execução desta prmera lnha confere, ou seja, se AC está com 3FH. 2. ADD n2. Instrução traduzda como ADD 21H. Após este passo executado, observe o conteúdo do acumulador, 7DH, que corresponde à soma de 3F + 3E. 3. STA r1. Use o mouse para vsualzar a posção de memóra 24H (valor de r1) e observe que esta posção de memóra recebeu o valor 7DH após a execução deste passo, e está marcada com um *, ndcando que o endereço fo alterado pelo programa. Tarefa 4: Serão ndcados, no momento da aula, quas exercícos cabem a cada equpe de alunos. Cada equpe deverá realzar 3 exercícos, 1 de cada grupo da lsta contda no Apêndce abaxo. Os grupos referem-se a exercícos com grau de dfculdade smlar. O grau de dfculdade da lsta abaxo é crescente (Grupo 1 < Grupo 2 < Grupo 3). Logo, aconselha-se que seja seguda a ordem da lsta para a resolução dos exercícos. Há também exercícos avançados, todos opconas. Tabela 1 Especfcação de programas para a Tarefa 4 (1 coluna por equpe, o professor atrbu). Grupo/Equpe E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 Grupo Grupo Grupo Grupo/Equpe E11 E12 E13 E14 E15 E16 E17 E18 E19 E20 Grupo Grupo Grupo Parte IV - A fazer: Tarefa 5: Elabore um relatóro contendo todas as suas meddas, bem como a resposta a todas as questões que aparecem no texto. Entregue este relatóro no prazo especfcado na homepage da dscplna. Execute todas as 5 tarefas propostas acma. A Entregar: O relatóro do Laboratóro; Para cada programa mplementado o fluxograma, o códgo fonte e objeto em versão magnétca, contendo o programa e dados sobre os quas este executa de manera correta; Resposta às questões preceddas da menção Estude, Pense e Responda no texto acma. Percentuas de nota atrbuídos às Tarefas: Item Avalado Percentual Fluxogramas dos programas 30% Implementação correta dos programas 50% Respostas às questões 20%

5 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 5 Apêndce - Lsta de Exercícos (* antes do enuncado ndca problema com solução) IMPORTANTE: palavras em tálco na lsta são rótulos assocados a endereços específcos de memóra. GRUPO 1: 1) *Somar uma constante a um vetor armazenado à partr da posção de memóra cujo rótulo é end1. O número de elementos está armazenado na posção de memóra cujo rótulo é end2. 2) Fazer um algortmo que lê um array, calcula o número de elementos pares e ímpares e nforma qual é o maor par e o maor ímpar. 3) Escrever um programa para mover um vetor armazenado entre os endereços de memóra com rótulos nco1 e fm1 para os endereços cujos rótulos são nco2 e fm2. Assumr que as seguntes condções são verdaderas: valor(nco1) < valor (fm1), valor (nco2) < valor (fm2), (fm1-nco1) = (fm2-nco2) = (tamanho do vetor 1). 4) Contar o número de posções de memóra com conteúdo gual a 0AAH no vetor armazenado entre os endereços 080H e 0F5H. 5) Dados dos nteros, A e B, armazenados, respectvamente, nas posções de memóra cujos rótulos são n1 e n2, armazenar na posção de memóra com rótulo max o max(a,b) (valor máxmo entre A e B) e na posção de memóra com rótulo mn o mn(a,b) (defndo de forma smlar ao max), de acordo com a ordem total de nteros. 6) Faça um algortmo que mostre o processo do cálculo do valor de um byte representado em complemento de dos, decompondo o mesmo em uma sére de potêncas de base 2. Ou seja, um byte será representado por 8 bytes. Exemplo: 47 = 0*2^7 + 0*2^6 + 1*2^5 + 0*2^4 + 1*2^3 + 1*2^2 + 1*2^1 + 1*2^0 7) Descobrr se um número n é múltplo de 4 8) Descobrr se um número n é múltplo de 3. 9) Descobrr se um número n é múltplo de um número m qualquer. Pressupor que n possa ser um número postvo ou negatvo. GRUPO 2: 10) A transmssão de dados bnáros é o que vablza a exstênca de tecnologas como a Internet. A transmssão de dados a longas dstâncas é uma tarefa muto propensa a erros, devdo a efetos ambentas externos (raos, nterferêncas eletromagnétcas nas lnhas de transmssão devdas a equpamentos elétrcos, raos cósmcos ou manchas solares que nterferem nas transmssões de satéltes, etc.). Uma manera de detectar erros de transmssão é acrescentar bts de controle ao dado transmtdo, de forma que o receptor possa verfcar a valdade dos dados transmtdos. Um esquema smples de detecção de erros são as técncas de bt de pardade. A déa consste em contar o número de bts de um determnado valor e acrescentar um bt na mensagem que dz se a contagem destes valores na mensagem é par ou ímpar. Assm, pode-se magnar alguns tpos báscos de cálculo de pardade: pardade de 0s ou pardade de 1s, pardade par ou pardade ímpar, pardade atva em 0 ou pardade atva em 1. Implemente um programa que recebe n, o número de bts de uma mensagem (assuma, para facltar, que 0<n<8), msg, a mensagem de tamanho n e produz uma nova mensagem msgp com n+1 bts, onde o bt mas sgnfcatvo é a pardade da mensagem. Escolha o tpo de pardade e documente-o. Dca: A função pardade de n bts tem relação estreta com a função ou-exclusvo de n bts. 11) *Multplcar por somas sucessvas 2 nteros postvos de 8 bts, armazenando o resultado em 16 bts. O multplcando e o multplcador devem estar armazenados nas posções de memóra com rótulos n1 e n2, respectvamente. O resultado deverá ser armazenado nas posções de memóra com rótulos mh (a parte mas sgnfcatva do resultado)e ml (a parte menos sgnfcatva do resultado). 12) *Fazer um programa que gere o n prmeros números da seqüênca de Fbonnacc, e armazenar a seqüêncas em endereços consecutvos à partr da posção de memóra com rótulo dx. Assuma que n está entre 0 e 14 e explque como se resolvera o problema surgdo a partr de valores de n acma de 14. Prmero defna qual é este problema. 13) *Escreva um programa para crar um vetor novo, à partr de dos vetores v1 e v2 de mesma dmensão n, segundo a relação estabelecda na equação abaxo. A nterpretação da equação é: cada elemento de novo, na posção, receberá o somatóro dos máxmos dos vetores v1 e v2, entre 0 e. novo = v v < n max( 1, 2 ), 0 = 0 14) Escreva um programa para crar um vetor novo, à partr de dos vetores v1 e v2 de mesma dmensão n, segundo a relação estabelecda na equação abaxo. A nterpretação da equação é: cada elemento de novo, na posção, receberá o somatóro dos mínmos dos vetores v1 e v2, entre 0 e. novo = v v < n mn( 1, 2 ), 0 = 0 15) Dados dos vetores, a e vet, de dmensão n, mplemente um algortmo para preencher vet a partr de a, segundo a equação abaxo. A nterpretação da equação é: cada elemento de vet, na posção, receberá o somatóro de todos os elementos do vetor a, entre os índces 0 e. vet = = 0 a, 0 < n

6 Laboratóro sobre o Modelo de Computador de Programa Armazenado e Programação em Lnguagem de Montagem 6 16) Seja dado um ponto ncal (x0, y0) e uma seqüênca de n valores nteros (o valor de n deve estar armazenado em uma posção de memóra com rótulo n, e a seqüênca de valores deve estar armazenada como um vetor ncando na posção de memóra com rótulo seq). Implemente um algortmo que desloque o ponto ncal alternadamente na horzontal e na vertcal (ncando com um deslocamento horzontal). Suponha que cada valor da seqüênca dá a magntude do deslocamento segunte. Consdere que os deslocamentos são tas que o deslocamento atual e o medatamente anteror crcunscrevem um arco que avança no sentdo ant-horáro se o deslocamento atual for negatvo, e no sentdo horáro se o deslocamento atual for postvo. Note que o deslocamento ncal pode ser em qualquer sentdo horzontal, pos não há deslocamento anteror. Documente sua solução para ndcar a escolha feta pelo seu programa neste caso. Exemplo: dados de entrada [-6, -6, -4, 2, 3, 4]. Resultado -5 para x e -4 para y. Decsão: prmero deslocamento para a esquerda se negatvo, para a dreta se postvo. GRUPO 3: 17) Implemente um algortmo smples de ordenação crescente. O vetor de orgem deve estar armazenado entre as posções de memóra de rótulos n1 e fm1, respectvamente, e o vetor ordenado deve estar armazenado entre as posções de memóra n2 e fm2, respectvamente. 18) Implemente um algortmo smples de ordenação decrescente. O vetor de orgem deve estar armazenado entre as posções de memóra de rótulos n1 e fm1, e o vetor ordenado deve estar armazenado entre as posções de memóra n2 e fm2. 19) Escrever um algortmo que calcule os prmeros n números prmos e os armazene seqüencalmente, a partr da posção de memóra cujo rótulo é nprmos. 20) Faça um algortmo que calcula a dvsão de dos números de 8 bts (armazenados nas posções de memóra com rótulos v1 e v2) através de subtrações sucessvas. Ao fnal do algortmo a parte ntera da dvsão deve estar na posção de memóra com rótulo nt e o resto na posção de memóra com rótulo resto. 21) Faça um programa para ordenar 20 valores hexadecmas, que estão armazenados em 10 bytes. Sendo que dentro de cada byte, o nbble (conjunto de 4 bts) menos sgnfcatvo deve conter o menor valor. Exemplo: Vetor de entrada: 034h, 0FAh, 0BCh, 077h, 01Ch (Vetor ordenado: 013h, 047h, 07Ah, 0BCh, 0CFh) GRUPO AVANÇADO (PARA QUEM DESEJA IR MAIS LONGE): 22) Fazer um programa para automatzar uma agênca de casamentos. Consdere que a agênca dspõe do cadastro de n homens e n mulheres. Neste cadastro exste uma ordenação de preferenca que os homens e as mulheres tem uns pelos outros. Selecone os n casas de forma a favorecer a melhor escolha do casal. Exemplo: Os homens 1 e 2 têm como preferênca maor a mulher 1, que tem como preferênca o homem 3 Número Homens Mulheres 1 1, 2, 3 3, 2, 1 2 1, 3, 2 3, 1, 2 3 3, 2, 1 1, 3, 2 23) Dadas n caxas de 3 dmensões, fazer um programa para descobrr qual é o maor número de caxas que podem ser colocadas umas dentro das outras. Cada caxa pode ser representada, neste problema, como um vetor de três dmensões (dx, dy, dz) e as n caxas formam uma matrz n x 3. 24) Seja dada uma máquna que tem somente duas operações nteras: multplcar por 2 e dvdr por 3, e que conhece ncalmente o número 1. Fazer um programa que gere qualquer número de 1 a 18 como uma expressão: número = (2^X)/(3^Y). Exemplo: 2 = 2^1/3^0 3 = 2^5/3^2 4 = 2^2/4^0 5 = 2^4/3^1