Unidad 1. Arquitectura del computador#

Introducción#

En esta unidad vas a estudiar cómo funciona un computador digital moderno entendiendo cómo hace este para ejecutar un programa en lenguaje ensamblador y la relación entre el lenguaje ensamblador y código de alto nivel.

Duración de esta etapa#

Consulta en la sección Cronograma la duración de esta etapa.

Reto#

Construye una aplicación interactiva en el lenguaje ensamblador de la CPU que estudiaste en esta unidad. La aplicación la vas a correr en el simulador CPUEmulator. La aplicación debe:

Funcionar en un ciclo infinito.
Leer el teclado. Si la tecla presionada es la primera letra de tu primer apellido entonces debes mostrar en la pantalla una imagen de tu elección. Si la letra presionada es la última de tu primer apellido entonces debes borrar la pantalla. Si la última letra de tu apellido es la misma que la primera letra entonces toma la penúltima y así sucesivamente hasta que encuentres una diferente.

Investigación#

Preguntas guía iniciales#

Estas preguntas las puedes explorar observando los videos o leyendo el texto guía (en los icones que representan a una persona leyendo están los capítulos de las diferentes unidades del libro). Tu decides qué te gusta más, el video o el texto. Puedes buscar otros recursos en Internet si estos no te gustan estos.

Los computadores digitales modernos funcionan gracias a la teoría de la lógica booleana. observa el video 6, unidad 1.1. de este playlist. Selecciona una función booleana. Representa dicha operación de dos maneras diferentes. ¿Pudiste observar en el video esas dos maneras?
Ahora observa el video 7. Inventa una tabla de verdad de tres entradas y una salida. ¿Cuál es la función booleana que la representa?
Observa el video 8. ¿Cómo sería el circuito lógico que representa la función booleana del punto anterior?
Observa el video 14, unidad 2.1. ¿Cuántos números diferentes puede representar un computador de 8 bits?
¿Cuál es la representación binaria del número en 8 bits del número 128?
Observa el video 15. ¿Qué es un overflow en una suma binaria? inventa un ejemplo.
Observa el video 16. ¿Cómo se representan números enteros negativos en un computador en complemento a dos? Construye una tabla que represente un conjunto de número enteros positivos y negativos usando 4 bits.
Observa el video 17. ¿Qué es una unidad aritmética lógica? ¿Qué se puede hacer si una función no está implementada en la ALU?
¿La ALU del video anterior puede multiplicar? ¿Cómo podrías resolver por software la multiplicación?
Observa el video 20, unidad 3.1. ¿Cuál es la diferencia entre la lógica combinacional y la lógica secuencial?
Observa el video 21. ¿Por qué se combina lógica combinacional y secuencial para construir un computador? Muestra un circuito que permita almacenar un bit en un computador.
Observa el video 22. ¿Cómo funciona una memoria memoria RAM? ¿Cuál es la relación entre el bus de direcciones y la salida cuando el bit de load es 0 y cuando es 1?
Observa el video 23. ¿Cuál es la función del program counter en un computador?
Observa el video 26, unidad 4.1. ¿Cuál es la diferencia entre el lenguaje ensamblador y el lenguaje de máquina?
¿En qué consiste el concepto de programa almacenado? ¿Cuál es el rol del contador de programa?
Observa los videos 27 y 28. ¿Cuáles son los tipos de instrucción del computador Hack? ¿Cómo funcionan los mnemónicos de este computador?
Observa los videos 29 a 33. ¿Cómo funciona la entrada salida mapeada a memoria en el computador Hack?
Reproduce los experimentos que viste en los videos anteriores.

Advertencia

SOLO PARA LAS PERSONAS MÁS CURIOSAS

En los videos 36 a 39 podrás observar un poco más acerca de la construcción interna del computador para el cual vas a escribir los programas en lenguaje ensamblador de esta unidad. A esto se le conoce como organización del computador.

Actividad guía#

Construye estos programas realizando pruebas intermedias para cada funcionalidad. A medida que integras funcionalidades, realiza pruebas de la integración de estas.

Antes de los programas, un ejercicio de calentamiento. Esta será una actividad de análisis. Observa el código en comentarios (//) y su traducción respectiva. En la primera parte podrás ver el programa en algo nivel completo y luego su implementación en lenguaje ensamblador. Simula este programa en el CPUEmulator y analiza cómo está implementado el ciclo while.

//int i = 1;
//int sum = 0;
//While (i <= 100){
//  sum += i;
//  i++;
//}

//int i = 1;
@i
M = 1  // Memory[A] o Memory[16] = 1
//int sum = 0;
@sum
M = 0
(LOOP)
//While (i <= 100){
// i <= 100 --> i - 100 <= 0
@i
D = M
@100
D = D - A
@END
D;JGT
//  sum += i;
//  sum = sum + i;
@i
D = M
@sum
M = M + D
//  i++;
// i = i + 1
@i
M = M + 1
@LOOP
0;JMP
//}
(END)
@END
0;JMP

Construye un programa en lenguaje ensamblador que multiplique dos números. Ingresa manualmente los operandos en los registros R0 y R1 y almacena el resultado en el registro R2.
Construye un programa que pinte la pantalla completa si se presiona cualquier tecla y la borre cuando no se presiona ninguna. El programa debe correr en un ciclo infinito, es decir, debe volver a comenzar.

Recursos guía iniciales#

En esta lista puedes encontrar videos que explican los conceptos de esta unidad.
Unidad 4, machine language del texto The Elements of Computing Systems.
Para dibujar compuertas lógicas puedes usar la herramienta draw.io.
Un ejemplo de clase:

// Si hay un tecla presionada pinto los primeros
// 16 pixeles, si no los borro.
// Recordar: la primera posición de la pantalla
// es la 16384. En esa posición se almacenan los primeros 16 pixeles.
// La posición de memoria para el teclado es la 24576.


(START)
@24576
D = M
@IF
D;JEQ
// ELSE
@16384
M = -1
@START
0;JMP
(IF)
@16384
M = 0
@START
0;JMP

Aplicación#

Una vez termines la fase de investigación y tengas todos los fundamentos necesarios puedes comenzar la etapa de aplicación. En este etapa construirás las aplicaciones para resolver el reto.

Compartir#

Vas a evidenciar tu proceso con las siguientes evidencias que compartirás en el archivo README.md de esta unidad:

Bitácoras de las 3 sesiones de trabajo de cada semana.
Archivo program.asm con la solución.
Explica cómo solucionaste los problemas para diseñar, implementar y probar tu aplicación.