jsYASP: Simulador de un procesador docente (Version 1.0)

1.1 Descripción de la máquina elemental

YASP implementa la unidad central de proceso (UCP), descompuesta en una unidad de control (UC) y una unidad aritmeticológica (UAL), y la memoria principal. Para completar la estructura básica de un ordenador, solo faltaría conectar los periféricos.

Esta máquina trabaja con datos de 8 bits (1 byte), que bien pueden estar almacenados en la memoria principal o provenir de un puerto de entrada.

La memoria principal esta formada por 256 bytes, por lo tanto se pueden representar todas las posiciones con un único byte (desde la 0 hasta la 255).

Se dispone de un registro de 8 bits llamado acumulador, que permite procesar los datos, de forma que el resultado de cualquier operación aritmética o lógica se guarda en este registro.

Todas estas operaciones se llevan a cabo en la unidad aritmeticológica, que en el caso de necesitar un segundo operando, lo toma de la memoria principal a través del BM (buffer de memoria). Se dispone de dos flags adicionales, de un bit cada uno, que nos permiten saber si el resultado de la operación ha sido cero o no (el bit Z) y si la operación ha generado acarreo o no (el bit C).

Para acceder a cualquier posición de memoria, es necesario dejar la dirección en el registro de direcciones de memoria (RAM) antes de efectuar la lectura del contenido de memoria o escribir el contenido del BM.

Existen cuatro formas de obtener la dirección del segundo operando de una operación binaria (el otro es el registro A):

Inmediata. El valor del operando se especifica conjuntamente con la operación.

Directa. La dirección del operando se indica con la operación. Para obtener el valor es necesario buscar en la posición indicada.

Indirecta. La dirección que indica la operación nos dice donde esta guardada la dirección del operando. Es decir, nos dice la dirección donde esta guardada la dirección del operando.

Indexada. Este modo de direccionamiento esta indicado para los casos en los que se desea trabajar con una serie de datos de los que se conoce la dirección inicial. Para obtener la dirección del operando hay que sumar el contenido del registro X a la dirección que viene con la operación.

Una vez obtenido el segundo operando, en las operaciones que lo requieran, la UAL realiza la operación entre el operando y el contenido del registro A. El resultado se deja normalmente en el registro A. Si la operación es unaria, el operando es el registro A y el resultado, igual que pasa con las operaciones binarias se guarda en el registro A.

La UAL de YASP puede ejecutar sumas, restas, cálculo del opuesto (cambios de signo), incrementos, decrementos, AND lógica, OR inclusivas y exclusivas, desplazamientos y rotaciones. También permite el paso directo de información sin realizar ninguna operación.

Tanto las operaciones que realiza la UAL como la dirección que se necesita para obtener un segundo posible operando, se indican en la instrucción que se esta ejecutando en ese mismo momento.

Esta instrucción se guarda en el registro de instrucciones (RI), así la unidad de control puede decidir que hacer en cada momento. El ciclo que ejecuta la unidad de control esta formado por estos pasos:

Búsqueda de la instrucción siguiente. La dirección de la siguiente instrucción se guarda en el contador de programa (CP). Por lo tanto la UC se encarga de obtener el contenido de la posición de memoria indicada en el CP.

Cálculo de la dirección efectiva. En el caso de que la instrucción implique hacer una operación con dos operandos, hay que leer el byte siguiente de la memoria. Dependiendo del modo de direccionamiento, este byte indica el segundo operando (direccionamiento inmediato) o la dirección necesaria para obtenerlo dependiendo del modo de direccionamiento indicado en la instrucción.

Ejecución. En esta fase, la unidad de control dirige a los elementos de la máquina para llevar a cabo la operación indicada en la instrucción.

Cálculo de la instrucción siguiente. Generalmente, la siguiente instrucción se encuentra a continuación de la que queremos ejecutar, por lo que hay suficiente con incrementar el CP. En algunas ocasiones, puede ser necesario saltar a un determinado punto del programa, por lo que se deben utilizar saltos incondicionales o condicionales. Los saltos condicionales, dependen del estado de la máquina, y están definidos por los bits C i Z. En este tipo de saltos, solo se puede saltar 16 posiciones hacia delante o 15 hacia atrás. Estas instrucciones utilizan un modo de direccionamiento relativo, por lo que la dirección efectiva se obtiene de sumar la dirección que acompaña a la instrucción y el contenido del CP. El disponer de 5 bits para indicar esta dirección, limita el rango de salto a 16 posiciones hacia delante o 15 hacia atrás.

1.2 El lenguaje máquina

Las operaciones que puede realizar YASP tienen un código asociado, el código de operación, que la unidad de control entiende.

Para facilitar la interpretación de estos códigos se utiliza un mnemónico que ayudan a recordar lo que hace un determinado código.

Una instrucción esta formada por un código de operación y los posibles argumentos que necesite para que se pueda llevar a cabo su función. En el caso de la suma es necesario indicar el modo de direccionamiento para encontrar el segundo operando y la dirección que se utilizará para calcular la dirección efectiva.

Por lo tanto, a la secuencia de instrucciones se las denomina lenguaje máquina, porque están escritas en un lenguaje que la máquina puede entender.

A continuación se describe el repertorio de instrucciones del YASP agrupadas por su función. Para simplificar se utiliza arg para indicar el argumento que acompaña al código de operación.

1.2.5 Desplazamientos y rotaciones

A veces puede ser necesario acceder a los bits de un byte; hay un conjunto de instrucciones que permiten acceder a los bits del acumulador de forma rápida e individual. Estas instrucciones afectan el bit de zero, que se pone a 1 cuando todos los bits del acumulador son 0, y al bit de carry que toma el valor del bit que se desplaza entre los extremos del acumulador.

ROL Efectúa una rotación a la izquierda de los bits del acumulador. De forma que el bit más significativo pasa a ser el menos significativo y también se asigna al indicador de acarreo:

ROR Efectúa una rotación a la derecha de los bits del acumulador. Deja el bit menos significativo como bit de acarreo:

RCL Realiza una rotación a la izquierda de los bits del acumulador y del bit de acarreo. El bit más significativo del acumulador se copia al indicador C y este a la posición menos significativa del acumulador:

RCR Realiza una rotación de los bits del acumulador y de los de acarreo una posición a la derecha:

SHL Desplaza los bits del acumulador una posición hacia la izquierda, pone un 0 como bit menos significativo del acumulador y copia el bit más significativo en el indicador de acarreo:

Esta operación equivale a multiplicar por 2 el valor del registro A.

SHR Desplaza los bits del acumulador una posición hacia la derecha. El bit más significativo se pone a 0. El bit menos significativo pasa al indicador de acarreo:

Esta operación equivale a dividir enteramente por 2 el número natural que se guarda en el registro A.

SCL Desplaza los bits del acumulador una posición hacia la izquierda. El bit más significativo se pierde y el menos significativo toma el valor del

SCR Efectúa un desplazamiento de los bits del registro A una posición hacia la derecha de manera que el bit más significativo toma el valor del de

Esta operación equivale a dividir el contenido del acumulador por 2, siempre que el bit C tenga el mismo valor que el bit de signo del número que se guarda. Si se trabaja con números naturales el acarreo debe ser 0.

CLC Estas instrucciones permiten apagar el bit de acarreo (CLC) o activarlo STC (STC).

1.3 Tabla de instrucciones ordenada por código de operación

Tabla 1. Repertorio de instrucciones de la máquina elemental YASP

2.1 Descripción del interfaz

YASP engloba la totalidad de funcionalidades en una única superficie de trabajo desde donde se ejecutan todos los comandos. Una vez cargada la página se diferencian 7 zonas en la pantalla.

Code. Formada por una caja de texto, en la que se introduce el código que se desea ensamblar para su posterior ejecución en la máquina elemental y dos botones Assemble y Clear , que ensamblan y borran el texto introducido en la caja de texto, respectivamente.

Figura 1. Detalle de la zona Code

Memory. Contiene un marco en el que se muestra una tabla con el contenido de las 256 posiciones de memoria. Cada fila esta dividida en 4 columnas en las que se puede ver si esta activada o no como punto de ruptura, la posición de memoria en base hexadecimal, el nombre de la etiqueta en el caso de que exista y su contenido.

En la parte inferior hay 4 botones (Quit, Reset, Execute, Step) que permiten interactuar con la máquina elemental.

Figura 2. Detalle de la zona Memory

Registers. Compuesta por una tabla donde se pueden ver y modificar el valor de los diferentes registros de la máquina elemental excepto el IR no modificable por el usuario. Cada registro esta representado en binario, hexadecimal, natural, entero y ASCII excepto el IR que se muestra en binario, hexadecimal y como instrucción.

Permite ver y modificar el contenido de los flags de Carry y Zero.

 

 

Display. Formado por una tabla en la que se puede ver el valor, representado en carácter ASCII, de los puertos de salida del 0 al 7.

Comunication ports. Formado por una tabla en la que se pueden ver y modificar el valor de los puertos que forman la máquina elemental. Los puertos de entrada muestran el valor en ASCII si es posible y en su defecto en hexadecimal. Los puertos de salida comprendidos entre el 8 y el 15 mantienen el mismo criterio a la hora de mostrarlos por pantalla, en cambio, los puertos de salida comprendidos entre el 0 y el 7 siempre muestra el valor del puerto en base hexadecimal, ya que la representación en carácter ASCII de los mismos esta reservada para el Display.

Acknowledgement/request. Formado por un conjunto de cajas seleccionables que permiten ver y modificar el estado de las 8 líneas de Acknowledgement y ver el estado de las 8 líneas de Request.