Programação Básica usando o Computador Visível. Jorge Fernandes Maio de 2004

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1 Programação Básica usando o Computador Visível Jorge Fernandes Maio de 2004

2 Organização Geral de um Computador de von Neumann Hardware Processador Dispositivo de Entrada 1 Dispositivo de Entrada 2 Memória (RAM) Dispositivo de Saída 1 Dispositivo de Saída 2 Dispositivo de Entrada e Saída (Híbrido)

3 Um Computador Visível para Entender como o Sofware Funciona Sinais de Controle (rd) Fluxo de dados INPUT_DEVICE MEM-Memória com Posições Endereçaveis mem[0] mem[1] mem[2] mem[3] Processador (CPU) Fluxo de dados Sinais de controle (rd/wr) mem[4] mem[5] mem[6] mem[7] mem[8] mem[9] mem[10] mem[11] mem[12] mem[13] mem[14] mem[15] Sinais de Controle (wr) Fluxo de dados OUTPUT_DEVICE

4 Organização interna do Processador (CPU) CPU wr rd Unidade de Controle Registradores Dados Memória (MDR) Endereços Memória (MAR) Acumulador (ACC) Ponteiro de Instrução (IP) add sub UAL Registrador Instrução (IR)

5 Operações sobre Memória RAM (execute a animação para ver ciclos de leitura e escritura) DADO: ? 7 ENDEREÇO: rd rd rd wr wr rd wr mem[0] mem[1] mem[2] mem[3] mem[4] mem[5] mem[6] mem[7] mem[8] mem[9] mem[10] mem[11] 0 0 mem[1.000] mem[1.001] mem[1.002]

6 O Cenário de Execução Programa que o usuário deseja executar INPUT_DEVICE MEMÓRIA RAM mem[0] mem[1] mem[2] mem[3] mem[4] mem[5] mem[6] mem[7] Usuário CPU wr rd Unidade de Controle (UC) Registradores Reg.Dados Memória (MDR) Reg. Endereços Memória (MAR) Reg. Acumulador (ACC) INPUT_DEVICE Ponteiro de Instrução (IP) Fluxo de Controle Fluxo de Dados add/sub UAL Registrador Instrução (IR)

7 Linguagem de Montagem IO - LM_IO Uma Linguagem para Entrada e Saída de Dados LM_IO

8 Conjunto de Instruções de LM_IO STOP Encerra a execução do programa. INPUT pos Le o valor contido no dispositivo de entrada e armazena este valor na posição de memória pos. MEM[pos] <= INPUT_DEVICE OUTPUT pos Copia o valor contido na posição de memória pos para o dispositivo de saída de dados. OUTPUT_DEVICE <= MEM[pos].

9 Linguagem de Montagem para Cálculos LM_CALC uma Linguagem para Cálculos Matemáticos Básicos LM_CALC LM_IO

10 LM_CALC : Conjunto de Instruções STOP (já definida em LM_IO) INPUT (já definida em LM_IO) OUTPUT (já definida em LM_IO) LOAD pos Copia para o acumulador o valor contido na posição de memória pos. ACC <= MEM[pos]. STORE pos Copia para a posição de memória pos o valor contido no acumulador. MEM[pos] <= ACC. ADD pos Calcula a soma entre o valor contido no acumulador e o valor contido na posição de memória pos, armazenando o resultado no Acumulador. ACC <= ACC + MEM[pos].

11 Um Programa Para Calcular a Soma entre Dois Números O Objetivo é Obter C = A + B, onde A e B são informados pelo usuário -- o texto que se segue aos dois traços (--) é apenas comentário INPUT 0 -- lê armazena A INPUT 1 -- lê e armazena B LOAD 0 -- armazena A no acumulador ADD 1 -- soma A com B STORE 2 -- Armazena o resultado em C OUTPUT 2 -- escreve C no dispositivo de saída STOP -- pára a execução do programa Perceba que o programa contém sete instruções

12 Programa Finalizado, reservando Espaço na Memória para Conter o Programa na Posição 0 e os dados após o término do código INPUT 7 INPUT 8 LOAD 7 ADD 8 STORE 9 OUTPUT 9 STOP -- MEM[7] é a variável (var) A -- MEM[8] é a variável (var) B -- Carrega var A no ACC -- Soma a ACC o valor de var B -- Armazena ACC na variável C -- Imprime valor da variável C -- pára execução

13 O Programa Carregado na Memória RAM Instruções INPUT 7 INPUT 8 LOAD 7 ADD 8 MEM[0] MEM[1] MEM[2] MEM[3] STORE 9 OUTPUT 9 STOP MEM[4] MEM[5] MEM[6] MEM[7] A B C MEM[8] MEM[9] MEM[10] MEM[11] MEM[12] MEM[13] MEM[14] MEM[15] Dados (Variáveis)

14 Linguagem de Montagem 1 - LM_1 Obtendo Capacidade Computacional Plena LM_1 LM_CALC LM_IO

15 LM_1: Uma linguagem com Poder Computacional Pleno STOP (já definida em LM_IO) INPUT (já definida em LM_IO) OUTPUT (já definida em LM_IO) LOAD pos (já definida em LM_CALC) STORE pos (já definida em LM_CALC) ADD pos (já definida em LM_CALC) JMP pos Desvia a execução do programa para que a próxima instrução a ser executada seja a contida na posição pos JNZ - Desvie se Acumulador não é 0 Se o valor contido no acumulador é igual a 0 (zero) então desvia a execução do programa a posição pos. Caso contrário a execução continua inalterada

16 Mais três Instruções que Facilitam a Construção de Programas SUB pos Calcula a diferença entre o valor no acumulador e o valor na posição pos, armazenando o resultado no Acumulador. ACC <= ACC - MEM[pos]. ACC valor Armazena no acumulador o valor indicado Exemplo ACC 500 armazena no acumulador o valor 500 JNEG pos - Desvie se Acumulador é negativo Se o valor contido no acumulador é menor que 0 (zero) então desvia a execução do programa a posição pos. Caso contrário a execução continua inalterada

17 Sumário do Conjunto de Instruções LM_1 INPUT x MEM[x] <- INPUT_DEVICE OUTPUT x STOP LOAD x STORE OUTPUT_DEVICE <- MEM[x] Pára execução do programa ACC <- MEM[x] MEM[x] <- ACC ADD x ACC <- ACC + MEM[x] SUB ACC <- ACC - MEM[x] JMP IP <- x JNZ x Se ACC == 0 então IP <- x JNEG x Se ACC < 0 então IP <- x ACC x ACC <- x

18 Exercícios Construa, usando a linguagem LM_1, um programa que Calcula a Multiplicação entre Dois Números através de somas sucessivas Construa, usando a linguagem LM_1, um programa que Calcula o Quadrado de um Número Construa, usando a linguagem LM_1, um programa que Calcula o Resto da Divisão entre Dois Números através do método de subtrações sucessivas

19 Multiplica dois Números (primeira tentativa programa com BUG, porque a leitura destrói as quatro primeiras instruções do programa após a execução!) -- MULTIPLICA DOIS NÚMEROS INPUT 0 -- mem[0] <= INPUT_DEVICE INPUT 1 -- mem[1] <= INPUT_DEVICE ACC 1 -- ACC <= 1 STORE 2 -- mem[2] <= ACC - UM ACC 0 -- ACC <= 0 STORE 3 -- mem[3] <= ACC - PRODUTO LOAD 0 -- ACC <= mem[0] STORE 4 -- mem[4] <= ACC -- CONTA LOAD 4 -- ACC <= mem[4] SUB 2 -- ACC <= ACC - 1 STORE 4 -- mem[4] <= ACC JNZ JMP LOAD 3 ADD 1 STORE 3 JMP 8 OUTPUT 3 STOP

20 Programa multiplica dois números, agora reservando Espaço para as Variáveis! INPUT 18 INPUT 19 ACC 1 STORE 20 ACC 0 STORE 21 LOAD 19 JNZ 9 JMP 16 LOAD 21 ADD 18 STORE 21 LOAD 19 SUB 20 STORE 19 JMP 6 OUTPUT 21 STOP