UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

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1 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO BERG ÉLISSON SAMPAIO CAVALCANTE AMBIENTE DE SIMULAÇÃO GRÁFICA 3D PARA ENSINO DA ARQUITETURA DE João Pessoa - PB

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO BERG ÉLISSON SAMPAIO CAVALCANTE AMBIENTE DE SIMULAÇÃO GRÁFICA 3D PARA ENSINO DA ARQUITETURA DE PROCESSADORES Monografia apresentada ao Professor Dr. Leonardo Vidal Batista, tutor do PET.Com, UFPB, em cumprimento às exigências do PET do Curso de Ciência da Computação. ORIENTADOR: Prof. Ms. Hamilton Soares da Silva João Pessoa - PB 2011

3 3 BERG ÉLISSON SAMPAIO CAVALCANTE Monografia apresentada ao Professor tutor do PET.Com, UFPB, em cumprimento às exigências do PET do Curso de Ciência da Computação. BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Leonardo Vidal Batista Aluno (a) José Ivan Bezerra Vilarouca Filho Aluno (a) Yuri Gil Dantas

4 4 Dedico esse trabalho aos meus pais por tudo que fizeram e tem feito por mim. Também dedico esse trabalho a todos os meus familiares e amigos que me acompanharam direta ou indiretamente durante toda a minha graduação e principalmente ao meu avô e minha avô que não puderam estar presentes nessa conquista.

5 5 AGRADECIMENTOS A Deus, por proporcionar a realização deste projeto. Aos meus pais e avós por me darem as bases para que meus esforços fossem transformados em sucesso. A minha irmã por estar tão presente em minha vida nesse último ano. Ao meu tio Reginaldo por toda força dada. A todos os meus amigos por me apoiarem na luta de estudar em outro estado. A Liniker Weyne por ser mais que um amigo, um irmão. Ao meu tutor do PET, o professor doutor Leonardo Vidal Batista, por seu apoio e seus ensinamentos durante esses dois anos e meio como petiano. Ao PET.Com pelas oportunidades e conhecimentos adquiridos. Aos membros do Q7 Soluções por todos esses anos que trabalhamos juntos. Aos amigos de curso por todo aprendizado que passamos juntos. Aos meus amigos que nunca me esqueceram mesmo quando eu me afastei muito por conta do tempo. A todos que um dia me ajudaram nesta minha graduação.

6 6 É tão estranho os bons morrem jovens, assim parece ser quando me lembro de você que acabou indo embora cedo demais! (Love in the afternoon Renato Russo)

7 7 RESUMO Em arquitetura de computadores é um desafio fazer com que os alunos compreendam o funcionamento de um processador corretamente. Para auxiliar a esta tarefa, são utilizadas aplicações que simulam essas arquiteturas. A partir dessas barreiras do ensino, se propôs desenvolver uma aplicação que simula visualmente as intruções de uma arquitetura didática e implementável. Tais instruções são possíveis de serem visualizadas, tanto com pipeline quanto sem pipeline, o que facilita a compreensão das mesmas e do funcionamento de um processador enquanto realiza uma instrução. PALAVRAS-CHAVE: Arquitetura de Computadores, Processador, Instruções.

8 8 ABSTRACT In computer architecture is a challenger to make the students understand the processor working correctly. To help on this task it s used applications that simulate these architectures. From this restriction to the education it was proposed the application development which visually simulates the instructions of a didactic and implementable architecture. These instructions are possible of being visualized with pipeline or without it. This feature facilitates the understanding of them and the processor operation. Keywords: Computer Architecture, Processor, Instruction.

9 9 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Ilustração do Modelo de Von Neumann Figura 2: Disposição dos Registradores na Microarquitetura Figura 3: Disposição dos Registradores no Simulador Figura 4: Computador com Seis Níveis, no qual o nível 2 é o ISA Figura 5 Ilustração da Estratégia do Pipeline Figura 6 Objetos do Simulador Modelados no Blender Figura 7 Instruções Possíveis para a Arquitetura Utilizada Figura 8 Tela Inicial do Simulador Figura 9 Descrição do Objetico da Instrução Figura 10 Simulação da Instrução Figura 11 Ilustração da Simulação do Pipeline... 24

10 10 LISTA DE SIGLAS CAD Computer-aided design CPU Unidade de Processamento Central DOS (Disk Operating System) Sistema Operacional em Disco IJVM Instruções da Máquina Virtual Java ISA (Instruction Set Architecture) Arquitetura do Conjunto de Instruções Mic-2 Arquitetura Apresentada por [Tanenbaum 2006] PET Programa de Educação Tutorial PET.Com Programa de Educação Tutorial de Computação UFPB Universidade Federal da Paraíba ULA Unidade Lógica e Aritmética X3D Extensible 3D XJ3D X3D Desenvolvido em Java. SAI (Scene Access Interface) Interface de Acesso a Cena

11 11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Trabalhos Relacionados Objetivos Contribuições Esperadas Estrutura Da Monografia FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Arquitetura de Processadores Registradores Microarquitetura Pipeline..... Erro! Indicador não definido. 2.5 X3D (Extensible 3D) MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Implementação Objetos da Cena Instruções Implementadas Simulador Desenvolvido DISCUSSÃO E TRABALHOS FUTUROS CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 25

12 12 1. INTRODUÇÃO A informática tem tido uma relevância cada vez maior nos dias de hoje no cenário educacional. Aplicações para o ensino facilitam a transmissão do conhecimento de professores para alunos através de métodos dinâmicos, massificando uma aula para múltiplos ramos sem haver grande esforço ou repetições desnecessárias. O uso da computação gráfica tem se mostrado útil nos métodos de aprendizagem em diferentes áreas. O uso de CAD, sistemas computacionais que auxiliam na construção de desenhos técnicos, na geologia, engenharia e arquitetura, por exemplo, mostra o quanto uma interface gráfica com 3D facilita no desenvolvimento de um projeto, no seu entendimento e posterior ensino. Facilitar a aprendizagem do correto funcionamento de um processador para os alunos e proporcionar também uma visão comparativa sobre algumas possibilidades arquiteturais é um dos principais problemas encontrados no ensino de arquitetura de computadores. Um desafio ainda maior é tornar o conteúdo atrativo visualmente. Várias caixas e fios com letras pequenas tornam os circuitos um assunto de difícil entendimento através de uma simples leitura. Os simuladores atuais que estão disponiveis para o ensino apresentam uma interface de usuário pouco elaborada e com poucos recursos operacionais, e mesmo considerando o uso de arquiteturas mais simples, é usual por parte dos alunos certa dificuldade de trabalhar com eles [Borges e Silva 2006]. Grande maioria destes simuladores exige dos alunos codificarem o sistema, ou seja, é necessário conhecimento em programação de linguagem de máquina ou rodam no DOS apenas exibindo os valores presentes nos registradores, o que torna a aprendizagem do funcionamento da arquitetura do processador uma tarefa longa e exigente.

13 13 Para auxílio a esta tarefa, está sendo desenvolvida uma aplicação com objetivo de prover maior motivação e interesse por parte dos alunos em participar das aulas de arquitetura de computadores. Recursos como animações gráficas tridimensionais estão sendo utilizados para facilitar o entendimento do funcionamento dos processadores, já que na prática não é possível ver o caminho percorrido pela informação processada. Este simulador não exige do aluno nenhum grau de programação para que a arquitetura seja demostrada, Dessa forma é possível efetuar um estudo detalhado dos elementos presentas na arquitetura. 1.1 Trabalhos Relacionados Existem muitas ferramentas que simulam processadores, como exemplos temos o o Abacus, WinMIPS64 [Scott 2006], SATSim [Wolf e Wills 2000] e o GNUSim8085 [Sridhar 2002]. O Abacus (desenvolvido em Windows) e o GNUSim8085 (desenvolvido para plataformas Unix) simulam o microprocessador 8085 da Intel, o qual vem sido base do ensino de arquitetura de computadores, devido a sua simplicidade, seguindo o modelo de Von Neumann e sem possuir pipeline. Ambos apresentam os valores dos registradores no decorrer da execução das instruções, além de exibir o conteúdo presente na memória do processador. O simulador WinMIPS64 simula arquitetura do processador MIPS64, que utiliza o pipeline. Essa ferramenta possibilita a visualização das instruções passando pelos pipelines e os valores presentes nos registradores. Para o ensino de arquiteturas superescalares há o SATSim que não se baseia em nenhum processador real, dessa maneira ele possibilita a configuração da quantidade de unidades funcionais por tipo de instrução, o número de elementos por buffer de reordenação, número de instruções buscadas por ciclo e etc. 1.2 Objetivos O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema que simule o comportamento das microinstruções em um subconjunto das instruções da Máquina Virtual Java utilizando a arquitetura de processador Mic-2 apresentada por [Tanenbaum 2006]. Os objetivos específicos deste trabalho são:

14 14 1. Desenvolver um simulador de instruções para facilitar o aprendizado do funcionamento de uma microarquitetura. 2. Promover uma plataforma de auxílio ao ensino de conceitos básicos a respeito de microprogramação mostrando o funcionamento em relação a execução das instruções da IJVM em cima da arquitetura Mic-2 usando um modelo 3D. 1.3 Contribuições Esperadas Espera-se que, ao término deste trabalho, o simulador desenvolvido possa facilitar o aprendizado dos alunos que cursam a disciplina de Arquitetura de Computadores no âmbito da microprogramação. 1.4 Estrutura Da Monografia A Monografia está estruturada nos seguintes capítulos: Capítulo 2 Fundamentação Teórica. Capítulo que visa apresentar e reforçar os principais conceitos teóricos necessários para o desenvolvimento do trabalho. Capítulo 3 Materiais e Métodos. Apresenta a descrição dos recursos computacionais e os métodos utilizados para desenvolvimento e avaliação do simulador proposto. Capítulo 4 Discussão e Trabalhos Futuros. Apresentação e discussão dos trabalhos futuros para o simulador desenvolvido. Capítulo 5 Considerações Finais. Apresentação das contribuições e conclusões do simulador proposto e algumas perspectivas para trabalhos futuros.

15 15 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Arquitetura de Processadores É necessário conhecer a arquitetura interna de um processador para facilitar a compreensão de como ele executa os programas. Em um processador existem vários circuitos chamados de registradores que funcionam como posições de memória onde o seu acesso é extremamente rápido. Todos os processadores usam uma linguagem baseada em códigos numéricos na memória, onde cada código significa uma instrução no qual chamamos de linguagem de máquina. Os códigos numéricos são representados por siglas que são os nomes das instruções, e os operandos dessas instruções são os registradores, valores existentes na memória e valores constantes. Alguns processadores são baseados no modelo arquitetural de Von Neumann, e que considera uma unidade central de processamento (CPU) com apenas uma unidade funcional, podendo buscar apenas uma instrução por ciclo de execução como demonstrado na Figura 1. Figura 1 Ilustração do modelo de Von Neumann A arquitetura utilizada foi a Mic-2 proposta por [Tanenbaum 2006], que apesar de não ser comercial é implementável. 2.2 Registradores Na arquitetura de computadores, um registrador é uma pequena porção de memória localizada no processador central. Os registradores permitem acessos muito rápidos a dados e são usados para aumentar a velocidade de execução de programas. Os que são utilizados nessa simulação são de 32 bits, aos quais foram atribuídos nomes simbólicos como PC, SP, MDR. É importante salientar que esses registradores só podem ser acessados no nível das microinstruções (logo, só quem pode acessar é o microprograma).

16 16 Os registradores usados na microarquitetura são: MAR (de endereço de memória), MDR1 e MBR2 (de dados de Memória), PC (contador de programa), SP (apontador da Pilha), LV (apontador para a base das variaveis locais, localizada na pilha), CPP (aponta para o POOL de constantes, apontadores para outras áreas de Memória), TOS e OPC (são temporários) e H (um acumulador). Veja nas figuras 3 e 4 como eles estão dispostos na arquitetura e no simulador. Figura 2 Disposição dos registradores na Microarquitetura Figura 3 Disposição dos registradores no Simulador 2.3 Microarquitetura A lógica digital é uma ferramenta que trabalha apenas com variáveis cujos valores alternam exclusivamente entre dois estados e não admitem valores intermediários, assim ela é ideal para trabalhar com grandezas cujos valores são expressos no sistema binário. O nível de microarquitetura está um nível acima do nível lógico é o ISA, o qual será simulado. O Caminho de Dados utilizado para a simulação é a parte da CPU que contém a ULA, suas entradas e saídas. Ele contém os registradores, os quais foram vistos no tópico anterior.

17 17 Figura 4 Computador com seis níveis, no qual o nível 2 é o ISA. 2.4 Pipeline Para o ensino de arquitetura de computadores, é interessante demonstrar o conceito de pipeline, técnica de hardware que permite que a unidade central de processamneto realize a busca de uma ou mais instruções além da próxima a ser executada. Estas instruções são colocadas em uma fila de memória dentro do processador (CPU) onde aguardam o momento de serem executadas, esta técnica faz com que o tempo de processamento de uma instrução seja menor do que o tempo que seria gasto caso o pipeline não fosse utilizado. A estratégia do pipeline é demonstrada na Figura 2. Figura 5 Ilustração da Estratégia do pipeline

18 X3D (Extensible 3D) O X3D (Extensible 3D) é um padrão aberto adotado internacionalmente para disponibilização de conteúdos tridimensionais na Web [Brutzman e Daly 2007]. Ele permite descrever em um arquivo, formas e comportamentos de ambientes virtuais tridimensionais complexos e interativos. A visualização destas cenas descritas em X3D é realizada através de browsers específicos que consistem em aplicações capazes de interpretar e processar os arquivos X3D, apresentando os modelos tridimensionais, animados ou não, e permitindo interações do usuário com os objetos. Os browsers X3D (também chamados de navegadores ou players) podem se apresentar como plugins ou applets em navegadores Web como o Mozilla Firefox ou Google Chrome, ou como aplicações independentes [Web3D Consortium 2011]. Para a formação gráfica da cena são utilizados os nós X3D, que por sua vez compõem o grafo de cena. Cada nó é formado por uma seqüência específica de campos. Os nós descrevem as funcionalidades disponibilizadas pelo X3D, e os campos servem para especificar os atributos e características dos nós X3D utilizadas para descrição tridimensional do ambiente. A interatividade de uma cena X3D pode ser caracterizada por mudanças de posição, orientação, tamanho, cores ou outras características pertinentes aos campos do nó X3D, resultando em uma animação. Eventos e rotas são as funcionalidades do X3D que permitem adicionar tais comportamentos a objetos do ambiente virtual de forma simples. Para interações mais complexas são utilizados o nó Script e a API SAI (Scene Access Interface) que permite o controle do grafo de cena através de linguagens de programação [Web3D Part 2: Scene Access Interface].

19 19 3. MATERIAIS E MÉTODOS Este capítulo descreve os recursos utilizados e os métodos que foram desenvolvidos. A metodologia empregada neste trabalho foi a de implementar o simulador proposto. Pesquisar e implementar a simulação das microinstruções. 3.1 Materiais Para gerar o simulador proposto neste trabalho, foi utilizado o browser Xj3D, a API SAI (Scene Access Interface) que permite manipulação do grafo de cena X3D, e a linguagem de programação Java, para programar toda interatividade do aplicativo. Tudo foi executado no ambiente com as seguintes especificações: Processador: Intel Core 2 Duo T GHz Memória (RAM): 3,00 Gb Tipo de Sistema: Sistema Operacional Windows Seven Professional 32 bits 3.2 Implementação Nesse subtópico será mostrado como o simulador proposto foi implementado Objetos da Cena Todos os objetos da cena foram modelados no Blender, que é um software open source de modelagem gráfica em 3 dimensões. Após serem modelados o browser XJ3D permite a importação desses objetos. A figura 6 mostram todos os objetos da cena após serem modelados e importados para o browser.

20 20 Figura 6 Objetos do simulador modelados no Blender Instruções implementadas Uma instrução é um conjunto de microinstruções que são executadas no processador para que o resultado seja obtido. As instruções se utilizam da memória, da ULA e principalmente dos registradores para serem finalizadas. Na figura 7 podemos ver as instruções possíveis para o simulador em questão. Figura 7 Microprogramas possíveis para a arquitetura utilizada. As instruções implementadas com e sem pipeline são: IADD, IOR, IAND, ISUB, NOP, ILOAD, dup, BIPUSH BYTE, WIDE, IDC_W1, INC, IFEQ e POP. Restando apenas IRETURN, SWAP, IF_ICMPEQ e ISTORE Simulador Desenvolvido O simulador produzido demonstra o funcionamento do processador didático apresentado em [Tanenbaum 2006]. A fim de o comprimento do caminho de execução seja menor, foram utilizados dois barramentos completos de entrada para a ULA (barramentos A e B) e um barramento de saída. Todos (ou ao menos a maioria) dos registradores devem ter acesso a ambos os barramentos de entrada. A vantagem de ter dois barramentos de entrada é que não é possível adicionar um registrador a outro registrador em um só ciclo.

21 21 O simulador é composto por uma interface gráfica que contém uma lista das instruções disponíveis, uma breve descrição do objetivo da instrução escolhida e um espaço reservado para o visualizador da simulação. Na lista fornecida, o usuário escolhe qual instrução do processador deseja visualizar como ilustrado na Figura 8. Figura 8 Tela Inicial do simulador. Após a escolha da instrução o botão OK deve ser pressionado. Então uma breve descrição com o objetivo da instrução é mostrada logo após, como se observa na Figura 9. Figura 9 Descrição do objetivo da instrução. Ao pressionar o botão SIMULAÇÃO ela é iniciada de acordo com a instrução escolhida. A posição das telas lado a lado facilita a compreensão, já que o usuário pode observar a descrição do objetivo e o mesmo em ação.

22 22 Figura 10 Simulação da instrução. A memória e todos os outros elementos do processador são representados em um contexto tridimensional. A simulação demonstra a sequência de passos da execução de uma instrução na Figura 10, desde sua saída da memória até seu retorno, caso ocorra. A exibição de cada passo é feita através da interpolação das cores ou posição dos elementos que estiverem ativos. Cada instrução exibida contém um conjunto de micro-instruções que são demonstradas pela exibição passo-a-passo a cada clock, de acordo com o conceito de pipeline visto anteriormente, e são marcadas com uma cor diferente com o objetivo de demonstrar o clock e o pipeline como demonstrado na Figura 11. Para melhor visualização, a câmera acompanha o fluxo de passos da execução da instrução, focando nos blocos que estão sendo utilizados em determinado momento da simulação. Figura 11 Ilustração da simulação do pipeline.

23 23 4. DISCUSSÃO E TRABALHOS FUTUROS O entendimento do funcionamento de uma determinada arquitetura é uma tarefa difícil de ser compreendida quando se estuda apenas a teoria. Isto evidencia a importância do uso de simuladores neste contexto. A partir dessa constatação, o simulador apresentado neste trabalho visa facilitar o entendimento da arquitetura baseada no modelo de Von Neumann. A facilitação da compreensão ocorre devido à apresentação intuitiva das informações ao usuário pelo simulador. Os trabalhos correlatos encontrados na literatura apresentam apenas informações textuais dos valores de registradores, flags e memória, e algumas estatísticas. O presente trabalho propõe que o fluxo de informações do processador seja ilustrado através de um ambiente 3D, que torna simples a visualização de informações saindo de um objeto como o barramento, registrador, ou ula, para outros através da mudança de cores dos mesmos. O principal objetivo desse simulador é facilitar o entendimento dos alunos de cursos da Ciência da Computação e similares no estudo da arquitetura dos computadores. Outra característica que o diferencia positivamente, em relação aos demais simuladores citados nesse trabalho, é a possibilidade de visualizar uma mesma instrução sendo executado em uma mesma arquitetura de processador, com e sem o uso do pipeline, facilitando de forma substancial a compreensão dessa importante evolução ocorrida na área. Para trabalhos futuros propõe-se a realização de uma avaliação do uso do simulador por estudantes para coletar a impressão destes e verificar a facilidade de uso, e grau de aprendizado adquirido, para posterior aperfeiçoamento da aplicação. Propõe-se também a disponibilização via Web do aplicativo, facilitando o acesso dos alunos à ferramenta e possibilitando uma facilidade para a prática da Educação à Distância.

24 24 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Esse trabalho propõe um sistema que simule o comportamento das microinstruções em um subconjunto das instruções da Máquina Virtual Java utilizando a arquitetura de processador Mic-2 apresentada por [Tanenbaum 2006]. Com a finalização do trabalho desenvolvido percebe-se que o objetivo final foi atingido, pois o estudo sobre o assunto foi realizado e a implementação do simulador obteve sucesso.

25 25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BORGES, JOSÉ ANTONIO S., SILVA, GABRIEL P. (2006) NeanderWin - Um Simulador Didático para uma Arquitetura do Tipo Acumulador. BRUTZMAN, D., DALY, L., (2007) X3D: 3D Graphics for Web Authors. Morgan Kaufmann Publishers. MOREIRA, ANGÉLICA A., MARTINS, CARLOS AUGUSTO PAIVA DA SILVA. (2009) R2DSim: Simulador Didático do RISC Reconfigurável SCOTT, M. (2006) WinMips64, version 1.5,School of Computing, Dublin City University, Ireland, , 20. SRIDHAR, Z, (2002) GNUSim8085, versão 1.3, , 23. TANENBAUM, ANDREW S. (2006) Organização Estruturada de Computadores, Editora Prentice-Hall. VERONA, ANDRÉ B., MARTINI, JOÃO A., GONÇALVEZ, TIAGO LOPES (2009) SIMAEAC: Um Simulador Acadêmico para Ensino de Arquitetura de Computadores. Web3D Consortium, X3D FAQ (Frequented Asked Questions). Online: Acesso em: março/2011. Web3D Part 2: Scene Access Interface, Extensible 3D (X3D). Part 2: Scene access interface (SAI). ISO/IEC : Online: e/index.html. Acesso em março/2010. WOLFF, M. e WILLS, L. (2000) SATSim: A Superscalar Architecture Trace Simulator Using Interactive Animation, In: WCAE: Workshop On Computer Architecture Education, Vancouver, Canada. ZELENOVSKY, RICARDO. (2002) PC: um guia Prático de Hardware e Interfaceamento, Editora MZ Produções Culturais.