Unidad 1. Arquitectura del computador

Introducción

En esta unidad vas a aprender los bloques de construcción básicos del hardware de un sistema de cómputo moderno y cómo esos bloques pueden combinarse para construir computadores.

Propósito de aprendizaje

Comprender cómo funciona el hardware de un computador moderno desde una perspectiva sistémica, es decir, estudiando las partes que lo componen y cómo conectarlas entre ellas para conseguir funciones cada vez más complejas.

¿Cómo lo haremos? Emprendiendo una de las aventuras más interesantes: construyendo un computador.

Temas

Compuertas lógicas
Circuito lógicos y aritméticos: ALU
Memorias y registros.
Lenguaje de máquina / lenguaje ensamblador
Arquitectura del computador

Trayecto de actividades

Sesión 1

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Ejercicio 1: introducción al control de versión

Introducción a Git y GitHub

Trabajo autónomo 1

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Ejercicio 2: entorno de trabajo

Para poder trabajar en los ejercicios vas a necesitar un ambiente de trabajo basado en Linux.

Te voy a pedir que le des una mirada a este video para que te hagas una idea de qué es Linux.

Hay varias opciones para tener Linux funcionando en tu computador: lo puedes instalar en una memoria, en una partición de tu computador, en una máquina virtual o incluso en WSL2.

La opción que te voy a recomendar es instalar el sistema operativo en una memoria USB externa.

Vas a necesitar dos memorias USB. Una grande (> 16GB), donde instalarás tu sistema operativo y otra más pequeña (8GB) donde grabaras el instalador. Trata de utilizar la USB más rápida y más grande para instalar tu sistema operativo.

Te voy a dejar unos videos de ayuda:

Este video te muestra como grabar en la USB pequeña el instalador. En este caso la distribución es PopOS, es la misma que yo uso; sin embargo, puedes grabar la que más te guste, por ejemplo Ubuntu. Ten presente que la versión del video no será la última. También, debes investigar cómo entrar al menú de configuración de tu BIOS para que ajustes el orden de boot. Nota que debes darle prioridad a la USB para que al tenerla conectada arranques el instalador del sistema operativo.
Ahora, este video video te mostrará cómo instalar, usando la USB pequeña con el instalador, tu sistema operativo en la USB grande. Te recomiendo iniciar a ver el video en el minuto 6:29, donde comienza en si el proceso de instalación. Una vez termines de instalar Linux en la USB grande, NO OLVIDES desconectar la USB pequeña para que tu computador inicie con la versión instalada de Linux en la USB grande.
Si tu computador no arranca en Linux debes reiniciarlo y entrar el menu de boot (debes indagar cómo hacerlo en tu computador) y seleccionar Linux.

Si lo anterior no te funciona, prueba con una máquina virtual o con WSL2. Ten presente que las versiones de los videos pueden no coincidir con las versiones actuales.

Ejercicio 3: instala las herramientas

Una vez tengas Linux funcionando debes instalar unas cuentas herramientas:

Abren la terminal y ejecuta los comandos:

$ sudo apt update
$ sudo apt install build-essential
$ sudo apt install gdb

Ejercicio 4: instala un de entorno de desarrollo

Para el curso te recomiendo que instales Visual Studio Code. Te servirá para todas las modalidades de instalación del sistema operativo que te comenté, incluyendo WSL2.

Visual Studio Code

Sesión 2

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Vas a terminar el Ejercicio 1.

Trabajo autónomo 2

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Termina los ejercicios de la sesión de trabajo autónomo 1. La meta es que para la semana entrante tengas funcionando Linux en tu propio computador.

Sesión 3

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Ejercicio 5: circuitos lógicos

En esta sesión de clase vamos a realizar una actividad grupal para comprender los conceptos de circuitos lógicos. Vamos a jugar el primer nivel del videojuego Silicon Zeroes.

Trabajo autónomo 3

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Lee el capítulo 4 del libro guía.

Responde las siguientes preguntas:

Muestra una instrucción tipo A en representación simbólica y en lenguaje de máquina. Explica qué hace esta instrucción.
Muestra una instrucción tipo C en representación simbólica y en lenguaje de máquina. Explica qué hace esta instrucción.
En el lenguaje hack ¿Qué son los símbolos? muestra varios ejemplos de estos.
¿Qué son los labels? ¿Para qué sirven? ¿En que se diferencian de los símbolos?

Sesión 4

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Ejercicio 6: introducción al lenguaje ensamblador

Realiza el proyecto 4 que encuentras aquí

Antes de comenzar a programar realiza un diagrama de flujo que indique cómo solucionarás el problema.

Advertencia

CONTROL DE VERSIÓN

Desde el inicio del proyecto debes crear un repositorio y realizar commits periódicamente. Tu repositorio debe mostrar el proceso de trabajo.

Trabajo autónomo 4

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Terminar el proyecto 4.

Sesión 5

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Ejercicio 7: de ensamblador a alto nivel

En esta sesión analizaremos el siguiente programa:

Responderemos las siguientes preguntas:

¿Qué hace el programa?
¿Cómo funciona?
¿Cómo quedaría una posible traducción a lenguaje de alto nivel?

Advertencia

ALERTA DE SPOILER

Te mostraré dos posible respuestas a la última pregunta usando como lenguaje de alto nivel C. Ten presente que en este caso R0 es la representación simbólica de la dirección 0, i es la dirección 16 y j es la dirección 17.

Traducción 1:

int R0 =10;
int i;
int *j;

if(R0 >0){
    i = R0;
    j = 16384;

    while(i > 0){
    // "RAM[j]" = -1;
    *j = -1;
        j = j + 32;
        i = i - 1;
    }
}
AQUI:
goto AQUI;

Traducción 2:

int R0 =10;
int *j = 16384;

if(R0 >0){
    for(int i = R0; i > 0;  i--){
    *j = -1;
        j = j + 32;
    }
}
while(1);

Trabajo autónomo 5

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Revisar la unidad hasta este punto y terminar los ejercicios pendientes.

Sesión 6

(Tiempo estimado: 1 hora 40 minutos)

Ejercicio 8: implementación de una CPU

En esta sesión vamos a analizar partes de la implementación del computador que realiza el set de instrucciones del lenguaje ensamblador estudiado previamente.

La herramienta que usaremos se llama Digital y se puede descargar aquí.

El circuito que usaremos en clase se llama CPUplusMemDisplay.dig y se puede descargar (entre otros circuitos) aquí.

En la parte final de esta sesión veremos que el computador estudiado se puede llevar a una implementación física como se muestra en este proyecto. En particular puedes ver en este video una aplicación interactiva funcionando.

Alguna vez te has preguntado ¿Cómo se implementa y construye un chip? Pues se parte de un diseño que se describe mediante algún lenguaje de descripción de hardware, como por ejemplo, el que puedes observar en la imagen:

Luego este diseño debe descomponerse en partes más simples. Esas partes se denominan transistores:

Finalmente, los transistores y sus conexiones se deben transferir a un medio físico. Esto se hace mediante un proceso conocido como fotolitografía:

Nota

Material complementario

¿Cómo funciona un transistor?

Trabajo autónomo 6

(Tiempo estimado: 1 hora 20 minutos)

Analiza de nuevo el programa que estudiamos juntos en la sesión 5.

Evaluación de la unidad

Problema

El problema está divido en dos challenges. Tu programa debe cumplir exitosamente ambos challenges.

Challenge 1: leer indefinidamente el teclado y llenar la pantalla de negro si la tecla leída es la letra F.
Challenge 2: leer indefinidamente el teclado y llenar la pantalla de negro si la tecla leída es la letra F y limpiar la pantalla si la letra leída es la C.

Sustentación

Para sustentar tu evaluación realizarás en el repositorio la Wiki (como aprendiste en el ejercicio 20 de la introducción a Git y GitHub).

Tu sustentación debe tener la representación en lenguaje de alto del programa que realizaste en ensamblador (50% del valor total de la sustentación).
Debes mostrar cada instrucción de alto a nivel a qué instrucciones de bajo nivel corresponde (50% del valor total de la sustentación).

Consideraciones

Para solucionar la evaluación debes utilizar Git y GitHub. Aquí está el enlace de la evaluación así como lo practicaste en el ejercicio 19 de la guía de introducción a Git y GitHub.
Debes realizar constantemente commit y push al repositorio en GitHub. Debe verse claramente la evolución de tu evaluación en el tiempo.
No olvides colocar la información solicitada en la parte superior de program.asm.

Para realizar la evaluación:

CLONA el repositorio.
Cámbiate al directorio problem.
edita ÚNICAMENTE el archivo program.asm.
No olvides hacer commits y push.
Puedes hacer las pruebas usando la herramienta CPUEmulator.sh o CPUEmulator.bat dependiendo de tu sistema operativo.
Al hacer las pruebas te recomiendo colocar la animación en FAST y con la opción No Animation. No olvides que debes dar click en el botón del teclado para que el programa reciba las teclas que presionarás.
También puedes hacer pruebas automáticas. En este caso usarás la línea de comandos. Cámbiate al directorio problem y luego ejecuta:

Para el challenge 1:
```
../tools/CPUEmulator.sh programBasic.tst
```
Para el challenge 2: .. code-block:: bash

../tools/CPUEmulator.sh program.tst

Si tienes éxito verás el mensaje End of script - Comparison ended successfully. De lo contrario te aparecerá un mensaje que indicará la línea del archivo .out que no coincide con el vector de prueba en el archivo .cmp.
Ten en cuanta que cada que hagas push al repositorio remoto, las pruebas anteriores se ejecutarán automáticamente y podrás ver el resultado.

Criterios de evaluación

Challenge 1: 1 unidad.
Challenge 2: 2 unidades.
Solo sustentación del challenge 1: 1 unidad.
Sustentación del challenge 2 (esta incluye el challenge 1): 2 unidades.

Retroalimentación de la evaluación

En este enlace podrás consultar y clonar el repositorio con una posible solución a la evaluación.