SIMBLER: UM SIMULADOR DE LINGUAGEM DE MONTAGEM DIDÁTICO

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1 SIMBLER: UM SIMULADOR DE LINGUAGEM DE MONTAGEM DIDÁTICO José Tarcísio Franco de Camargo Rua dos Estudantes, s/n Cachoeira de Cima Caixa Postal: Mogi Guaçu SP Centro Regional Universitário de Espírito Santo do Pinhal (UNIPINHAL) Guilherme de Oliveira Martins Patrícia Aparecida Zibordi Aceti Centro Regional Universitário de Espírito Santo do Pinhal (UNIPINHAL) Estéfano Vizconde Veraszto Jomar Barros Filho João Alexandre Bortoloti Escola Superior de Administração, Marketing e Comunicação (ESAMC) Universidade Paulista (UNIP) Resumo: Neste trabalho apresentamos uma ferramenta computacional que pode vir a ser utilizada com alunos das disciplinas de Organização e Arquitetura de Computadores e Microprocessadores e Microcontroladores em um curso de Engenharia de Computação, Ciência da Computação ou Engenharia Elétrica. Este software foi desenvolvido com base na arquitetura de um processador simples, fundamentado em uma máquina de Von Neumann típica, comumente estudado e utilizado nas disciplinas mencionadas acima. Todo o projeto é fundamentado dentro da concepção de software livre, sendo seu código fonte aberto e disponível a todos, de forma a contribuir ainda mais para o aprendizado dos alunos nestas disciplinas, além de poder vir a ser melhorado por seus próprios usuários. Palavras-chave: Linguagem de montagem, Microprocessadores, Sistemas digitais, Ensino de Engenharia. 1 INTRODUÇÃO Um microprocessador, elemento fundamental da organização de um computador digital moderno, necessita de um programa para ser devidamente utilizado. Este programa, em última instância, é a abstração de um conjunto de 0 s e 1 s (denominados bits), que

2 determina a execução de tarefas pelo computador. Em um nível de abstração imediatamente superior aos bits que programam um microprocessador, temos a linguagem de montagem (ou linguagem assembly ) que é uma ferramenta de programação comumente utilizada no ensino de conceitos básicos da organização e arquitetura de computadores. Assim, é praticamente impossível dissociar o ensino de fundamentos da arquitetura e organização de um computador digital moderno do ensino da linguagem de programação assembly. Diferentemente do que o ocorre nas chamadas linguagens de alto nível, em assembly há uma associação direta entre a linguagem de montagem e a da máquina, não havendo, portanto, uma compilação, mas sim a montagem. A transformação do código de montagem para o da máquina é efetuado pelo montador (assembler), sendo que as diferentes arquiteturas de computador possuem diferentes padrões de montagem. O ensino de programação em linguagem assembly, contudo, tem se apresentado extremamente difícil, dadas as limitações desta linguagem em si, além das dificuldades apresentadas pelos alunos para abstrair conceitos necessários ao aprendizado de assembly. Muitas vezes os alunos preferem simplesmente ignorar estes conceitos fundamentais, o que gera lacunas em sua formação e implica na dificuldade para assimilação de outros conteúdos. Face a estas dificuldades, este grupo de pesquisadores decidiu desenvolver um simulador para esta linguagem que viesse a suprir, parcialmente, as deficiências constatadas no aprendizado. Ressaltando que as bases conceituais da operação de um computador permitem que novas tecnologias possam ser desenvolvidas de maneira consistente, reduzindo a necessidade da dependência externa de tecnologia. Assim, o projeto de criação do simulador de linguagem de montagem apresentado neste trabalho nasceu da necessidade de se utilizar uma ferramenta de apoio à programação de microprocessadores nas aulas das disciplinas de Organização e Arquitetura de Computadores e Microprocessadores e Microcontroladores. Esta ferramenta deveria ser simples e didática, de forma a ser plenamente aproveitada por alunos iniciantes nesta área, porém abrangente o suficiente de forma a cobrir as funcionalidades de um processador fundamentado em uma máquina de Von Neumann, que serve como base para o ensino de conteúdos destas disciplinas. De forma a tornar o simulador acessível ao maior número possível de alunos, estes pesquisadores abraçaram o seu desenvolvimento dentro do escopo do software livre, estando todo o código deste projeto disponível para consulta e modificações. Assim, espera-se que os alunos, além de assimilarem conteúdos usando o simulador, possam também aprender estudando o código de programação do mesmo. Além disso, sendo este um projeto de código aberto, espera-se também que os próprios alunos e outros usuários venham a gerar melhorias neste software, contribuindo ainda mais para o estudo destas disciplinas de engenharia. 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS O modelo fundamental para a organização de um computador simples requer a presença dos seguintes elementos: uma unidade central de processamento (a CPU ou o microprocessador propriamente), um módulo de memória, dispositivos de entrada e saída e um barramento de comunicação interna. A Figura 1 apresenta um modelo básico para um computador simples, conforme proposto em (TANENBAUM, 2007), frequentemente estudado nas disciplinas mencionadas anteriormente.

3 Figura 1 Modelo básico para a organização de um computador simples. Neste tipo de organização, a Unidade Central de Processamento é o bloco responsável pelo controle da execução de todas as tarefas realizadas pela máquina, realizando operações aritméticas e lógicas e organizando todo o fluxo de informações que passam pelo computador. A memória principal, por sua vez, constitui o elemento onde são armazenados os programas a serem executados além dos dados em processamento de uma forma geral. As unidades de entrada e saída de dados são responsáveis pela comunicação da máquina com o meio externo. Finamente, temos um barramento de comunicação, que é responsável por promover a integração destes elementos. O foco deste projeto encontra-se no microprocessador, o qual será apresentado na subseção seguinte. Detalhes básicos sobre a organização de um computador podem ser encontrados em (DALTRINI et al., 1999), (TAUB, 1984) e (TOCCI, 2003). Por sua vez, detalhes avançados sobre a organização e arquitetura de computadores podem ser encontrados em (STALLINGS, 2002) e (TANENBAUM, 2007). 2.1 Organização básica de um microprocessador De forma simplificada, a organização de um microprocessador deve dispor de, pelo menos, os seguintes elementos: uma Unidade de Controle (UC), uma Unidade Aritmética e Lógica (ULA), registradores de dados em geral e um barramento de comunicação interno. A Figura 2 apresenta a organização básica de uma CPU, conforme proposto em (STALLINGS, 2002) e (DALTRINI et al., 1999).

4 Figura 2 Organização básica de um microprocessador. Nesta estrutura, a Unidade de Controle tem por função básica controlar a CPU como um todo, organizando o fluxo de informações e a execução de tarefas pelos outros blocos da CPU. Como elementos notáveis da UC de uma CPU temos o Registrador de Instruções (RI), que é o elemento responsável pela decodificação das instruções recebidas pela UC, e o Registrador Apontador de Instruções (AI), que é o elemento responsável pelo endereçamento das instruções de um programa que se encontram na memória principal de um computador. A Unidade Aritmética e Lógica tem por objetivo realizar operações aritméticas e lógicas. Os tipos de operações dependem da arquitetura da CPU mas, essencialmente, devem ser previstas as operações aritméticas de soma, subtração, multiplicação e divisão, pelo menos, sendo também previstas, no mínimo, as operações lógicas E, OU e a negação ou complemento binário. As operações realizadas pela ULA afetam o conteúdo do Registrador de Estado (RE), composto basicamente pelos sinalizadores binários (ou flags ) Z (ou Zero ), S (ou Sinal ) e O (ou Overflow ). Estes sinalizadores normalmente permanecem em 0, mudando de valor de acordo com a ocorrência dos seguintes eventos: operação aritmética ou lógica resultando em 0 : o flag Z assume valor 1 ; operação aritmética ou lógica resultando em um valor negativo: o flag S assume o valor 1 ; operação aritmética resultando em um valor que ultrapassa a capacidade de armazenamento de um registrador (overflow): o flag O assume valor 1. Algumas arquiteturas ainda apresentam um sinalizador para pedidos de interrupção, normalmente denominado flag I, o qual foi deixado de lado neste projeto por motivos de simplificação do simulador. O conjunto de registradores de uso geral tem por objetivo armazenar temporariamente dados em processamento pela CPU ou em trânsito entre esta e a memória. Finalmente, o barramento interno da CPU tem por objetivo interconectar todos os elementos nela presentes. Na organização proposta na Figura 2 não é feita referência ao registrador Apontador de Pilha, o qual, para simplificar o simulador proposto, não foi implementado até o presente momento. A subseção seguinte descreve os detalhes da linguagem assembly utilizada para a programação de uma CPU com esta estrutura.

5 2.2 A linguagem de montagem para programação de um microprocessador básico Esta subseção não pretende se estender em detalhes específicos da linguagem de programação assembly, mas apenas apontar as características fundamentais necessárias para a concepção de um software de simulação como o desenvolvido neste trabalho. O conjunto de instruções de uma determinada CPU está intimamente associado à arquitetura desta. No caso da arquitetura básica proposta neste artigo, um conjunto mínimo de instruções assembly deve conter: instruções de carregamento de registradores do tipo load e store ; instruções aritméticas: soma, subtração, multiplicação, divisão, incremento e decremento; instruções lógicas: E, OU e negação instruções de desvio: o incondicional; o condicional: desvio em caso (ou não) de zero, sinal ou overflow; instrução de parada. Este conjunto de instruções assembly deve vislumbrar, necessariamente, os modos de endereçamento direto (quando valores a serem carregados em registradores são diretamente referenciados) e indireto (quando o conteúdo de uma célula de memória é indiretamente referenciado através de seu endereço). Algumas referências interessantes para apoio ao ensino da linguagem de programação assembly são (BLUM, 2005) e (MANZANO, 2004). A seção seguinte apresenta a implementação do simulador proposto com base nos fundamentos descritos nesta seção. 3 IMPLEMENTAÇÃO Conforme proposto no início deste artigo, a implementação desejada para este simulador deveria ser de fácil uso pelos alunos, podendo seu código fonte ser livremente estudado pelos mesmos. De forma a atingir este objetivo, a ferramenta de programação escolhida para o desenvolvimento deste projeto foi o pacote de desenvolvimento freeware NETBEANS, sendo o código do simulador escrito na linguagem de programação JAVA. A utilização da linguagem de programação JAVA para o desenvolvimento deste software ainda traz a vantagem de o mesmo vir a tornar-se multiplataforma, podendo ser utilizado em qualquer computador que disponha apenas de uma máquina virtual JAVA. A Figura 3 apresenta a interface gráfica implementada para este simulador.

6 Figura 3 Interface do SIMBLER. Conforme pode ser observado, esta interface apresenta uma área de rascunho, na qual o aluno pode escrever um programa em linguagem de montagem. Esta área procura simular a memória principal de um computador simples, sendo organizada em linhas seqüenciais, onde cada linha pode comportar até dois bytes (um byte para o código da operação e um byte para o operando da instrução). O programa escrito pelo usuário pode ser salvo em um arquivo de nome definido pelo mesmo, com extensão.sbl (trata-se, de fato, de um arquivo de texto comum). Outro recurso didático bastante interessante da área de rascunho consiste na disponibilização, para o usuário, de um atalho para ajuda. Enquanto digita um programa, caso o programador

7 pressione simultaneamente as teclas Control e Espaço será aberta uma janela de ajuda contendo todas as instruções disponíveis ao usuário. Acima da área de rascunho há um conjunto de botões que podem ser utilizados pelo programador para executar e interromper a execução do programa a qualquer tempo. Logo acima da área de rascunho há uma barra deslizante através da qual o usuário poderá definir a velocidade com que seu programa será executado. Poderá ser executado rapidamente, caso o usuário queira explorar a velocidade de trabalho da CPU, ou lentamente, caso o usuário deseje visualizar detalhadamente a execução de cada instrução do programa. Há também a opção de executar o programa passo a passo, de tal forma que o aluno possa acompanhar a execução de cada instrução, aprendendo assim como cada comando na linguagem de montagem funciona individualmente. Os dados (operandos) de entrada e saída podem ser visualizados nos formatos decimal, hexadecimal e binário, o que acaba por contribuir ainda mais com o aprendizado do aluno, pois ele poderá vir a dominar a representação e conversão entre bases de sistemas de numeração com este recurso. Se o usuário digitar os dados em notação binária, por exemplo, através dos recursos da interface estes dados poderão ser transformados automaticamente em outra base (hexadecimal, por exemplo). Da estrutura física do microprocessador o usuário poderá visualizar os registradores de uso geral ( AX, BX, CX e DX ), os flags do registrador de estado ( Z, S e O ) e o registrador apontador de instruções ( PC ). Através destas informações o usuário poderá analisar com detalhes todos os eventos decorrentes da execução de seu programa. 5 CONCLUSÕES GERAIS Este software foi utilizado como ferramenta de apoio às aulas da disciplina Microprocessadores e Microcontroladores do Curso de Ciência da Computação da Faculdade Municipal Professor Franco Montoro. Embora não seja possível quantificar com exatidão o quanto este simulador contribuiu para o aprendizado dos alunos, pode-se afirmar com certeza que o mesmo foi bem recebido por eles e exaustivamente utilizado, sendo utilizado inclusive fora do ambiente da sala de aula/laboratório. Embora até o momento o código do simulador não tem sido explorado pelos alunos, principalmente devido ao curto intervalo de tempo entre sua implementação e seu uso em sala de aula, foi notada uma grande curiosidade entre os alunos em relação aos detalhes da construção do simulador, que envolveram diversos conceitos previstos em um curso de computação. Por se tratar de um software que simula uma linguagem de baixo nível (o assembly), que foi escrito em uma linguagem de alto nível (o JAVA), há uma interessante interdisciplinaridade entre temas relevantes na área da computação. A implementação em JAVA deve contribuir significativamente para a disseminação deste simulador, uma vez que a única exigência para uso do mesmo é a presença da máquina virtual JAVA no computador onde o software será utilizado. Assim, considerando que esta máquina virtual já está presente na maioria dos computadores (independente do sistema operacional utilizado), é esperado que o uso deste simulador seja praticamente transparente : bastará baixá-lo para utilizá-lo. A disponibilização do código aberto, conforme já mencionado, tem dois propósitos fundamentais: permitir que os alunos conheçam detalhadamente o software que estão utilizando e, inclusive, promovam mudanças no mesmo que venham a torná-lo mais completo e didático, embutindo mais recursos e tornando sua interface mais amigável.

8 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BLUM, Richard. Professional Assembly Language. Wiley Publishing, Inc., DALTRINI, Beatriz Mascia; JINO, Mário e MAGALHÃES, Léo Pini. Introdução a Sistemas de Computação Digital. São Paulo: Makron Books, MANZANO, José Augusto N. G. Fundamentos em programação assembly para computadores IBM-PC a partir dos microprocessadores Intel 8086/ ª.ed. São Paulo: Érica, STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 5ª.ed. São Paulo: Prentice Hall, TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª.ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall, TAUB, Herbert. Circuitos Digitais e Microprocessadores.São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, TOCCI Ronald J. & WIDMER, Neal S. Sistemas Digitais Princípios e Aplicações. 8ª.ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall, SIMBLER: A DIDACTIC ASSEMBLY LANGUAGE SIMULATOR Abstract: In this work we present a computational tool that may be used with students from the disciplines of "Computer Organization and Architecture" and "Microprocessors and Microcontrollers" in a course of Computer Engineering, Computer Science or Electrical Engineering. This software was developed based on a simple processor architecture, founded on a typical von Neumann machine, commonly studied and used in the disciplines mentioned above. The entire project is based within the concept of free software, and its source code is open and available to all, in order to further contribute to the learning of students in these disciplines, and also being able to be improved by its own users. Key-words: Assembly language, Microprocessors, Digital systems, Engineering teaching.