MCBE: Modelo Computacional Binario Elemental

Programas para trabajar con el Modelo Computacional Binario Elemental (MCBE)

Qué es el MCBE

Es una máquina de programa almacenado, teórica y minimalista, que cuenta con una CPU, una memoria y órganos de entrada/salida. Su finalidad es introducir a temas de Organización y Arquitectura de Computadoras. Forma parte del material didáctico de la asignatura Introducción a la Computación de primer año de las licenciaturas de la Facultad de Informática de la Universidad Nacional del Comahue.

En el material de dicha asignatura puede estudiarse una descripción completa del MCBE.

Contenidos

Los programas
- Máquina virtual mcbe Ejecuta programas en código de máquina MCBE
- Ensamblador mcbeas Ensamblador e intérprete para la máquina MCBE
- Traductor mcbecc Traductor sub-C a ensamblador para la máquina MCBE
Cómo usar los programas
Un video de cómo trabajar
Sub-C Subconjunto restringido del lenguaje C

Los programas

mcbe

El programa mcbe es una máquina virtual MCBE, es decir, es un programa que emula el comportamiento que tendría una máquina MCBE si ésta fuera implementada.

mcbeas

El programa mcbeas es un ensamblador, es decir, recibe como entrada un programa en lenguaje ensamblador, o assembler, del MCBE, y produce a la salida un programa en código de máquina.

mcbecc

El programa mcbecc es un traductor de Sub-C (un subconjunto de C) al lenguaje ensamblador, o assembler, de la máquina MCBE.

Cómo usar los programas

Instalación en Linux

Necesitamos una instalación de Linux (o el lenguaje Perl instalado en Windows).
Descargar https://github.com/egrosclaude/mcbe/archive/master.zip
A partir de aquí todo funciona dentro del shell.
unzip master.zip.
cd mcbe-master.
Seguir los ejemplos que se desarrollan en la animación.
Intentar crear otros programas. ¡Ver qué pasa!

¡No tengo Linux!

¿No Linux? ¡No problem! La máquina virtual Linux en Javascript que hemos ofrecido como recurso de la materia cuenta con un intérprete de Perl que viene de lujo. Solamente hay que ser astutos y saber usar la función de subir archivos.

Para usar estos programas en esa máquina virtual:

Descargar https://github.com/egrosclaude/mcbe/archive/master.zip en nuestra máquina.
Descomprimir master.zip.
Ingresar a la máquina virtual Linux.
Pulsar el botón de upload o subir archivos que está junto a la cajita "Paste Here". No se ve bien debido al fondo negro, pero está ahí.
Elegir los archivos mcbe, mcbecc y mcbeas de nuestro directorio mcbe-master y subirlos a la máquina virtual. El resto del trabajo se puede hacer dentro de la máquina virtual.
Ponerles atributo de ejecutable a los tres programas con el comando chmod a+x mcbe*.
Opcionalmente también se pueden subir los programas de ejemplo, pero como son muy cortos también se pueden tipear (con cat > archivo o editar (con nano archivo).
Como antes, seguir los ejemplos sugeridos en la animación.

Uso de los programas en línea de comandos

Para traducir un programa en C a código ensamblador

El comando ./mcbecc prog.c mostrará por pantalla los mnemónicos de ensamblador MCBE equivalentes al programa en lenguaje C.
El comando ./mcbecc prog.c > prog.asm guardará esos mismos mnemónicos en un archivo llamado prog.asm, que estará en lenguaje ensamblador del MCBE.
La sintaxis del subconjunto del lenguaje C admitida por mcbecc se describe en la sección Sub-C de este documento.

Para generar código ejecutable para MCBE a partir de código ensamblador

El comando ./mcbeas -g prog.asm mostrará por pantalla los códigos de instrucciones MCBE equivalentes al programa en ensamblador.
El comando ./mcbeas -g prog.asm > prog.exe guardará esos mismos códigos de instrucciones en un archivo llamado prog.exe, que por lo tanto estará en código de máquina de MCBE.

Para ejecutar un programa en la máquina virtual MCBE

El comando ./mcbe prog.exe ejecutará el programa prog.exe.
Si el cursor se detiene sin imprimir nada, es posible que la máquina virtual esté ejecutando una operación LD IN (entrada de usuario), por lo cual el usuario debe introducir un dato en decimal.
Si el programa emite información por la salida (instrucción ST OUT), es posible que se desee imprimir esa información en diferentes formatos. Las opciones -A, -H y -B hacen que la salida se vea en formato ASCII, hexadecimal y binario, respectivamente.

Para ensamblar un programa en código ensamblador

El comando ./mcbeas -a prog.asm mostrará por pantalla los códigos de instrucciones equivalentes a los mnemónicos pero en formato de números binarios.
El comando ./mcbeas -a -v prog.asm mostrará por pantalla la misma lista pero con mnemónicos y números de línea.

Para interpretar un programa en código ensamblador

El comando ./mcbeas -i -v prog.asm interpretará el programa en ensamblador, mostrando a cada paso el estado de la máquina con sus registros y memoria.

Para encadenar operaciones

En ciertas condiciones (*) es posible realizar más de un paso de los anteriores en forma encadenada gracias a la capacidad de entubamiento o pipelining del shell de Linux.

El símbolo para indicar entubamiento de comandos es | (que suele leerse "pipe"). En el comando ls | more, por ejemplo, este símbolo dice que la salida del comando ls (la lista de nombres y atributos de los archivos) sea introducida como entrada del comando more (paginar). De esta manera, cuando la lista de archivos es muy larga, la vemos paginada.

Nuestros programas para trabajar con MCBE generan salida que sirve como entrada para los otros programas. El programa mcbecc genera assembler que tomará mcbeas, y mcbeas genera código ejecutable que tomará mcbe.

Así, podemos encadenar la traducción, el ensamblado y la ejecución, todo en un solo comando: ./mcbecc prog.c | ./mcbeas -g - | ./mcbe - .

El símbolo - significa que la entrada de los comandos mcbeas y mcbe no debe ser tomada de un archivo sino de la tubería.

Como en este caso la entrada está siendo tomada de la tubería, el programa mcbe no puede recibir entrada del usuario, que está operando el teclado. Las condiciones (*) son que los programas no pidan entrada de usuario.

Un video de cómo trabajar

Esta animación se puede detener, reanudar, retroceder, etc. usando la barra de control al pie de la ventana. Se puede avanzar o retroceder paso a paso con las teclas de las flechas.

Sub-C

Llamamos Sub-C a un subconjunto muy básico del lenguaje C, que nos sirve para ilustrar diferencias entre lenguajes de alto y bajo nivel, aspectos de la traducción de programas, diferencias entre compilación e interpretación, etc.

A continuación describimos el lenguaje Sub-C que es capaz de comprender el programa mcbecc.

Programa

Constituido por una única función, main().
Sentencias terminadas por punto y coma.

int main()
{
   ...sentencias...
}

Constantes numéricas

Únicamente constantes enteras en formato decimal.

Constantes de cadena o strings

Caracteres ASCII entre comillas dobles.

Variables

Variables enteras.
Deben estar declaradas.
Sus nombres pueden contener dígitos pero deben comenzar por una letra.
Opcionalmente, inicializadas en la declaración.
Constantes y variables son almacenadas en 8 bits en complemento a 2.

int main()
{
   int a;
   int b = 1;
   int cad2;
   int d8;
}

Asignaciones

Asignación de constantes a variables.
Asignación de variables a variables.

int main()
{
   int a;
   int b = 1;
   
   a = 2;
   b = a;
}

Operaciones aritméticas

Sumas y restas entre exactamente dos operandos.
Los operandos pueden ser variables o constantes.
Únicamente pueden aparecer como miembro derecho de una asignación.

int main()
{
   int a;
   int b = 1;
   int c;
   
   a = 2;
   b = a + 3;
   a = 2 + b;
   c = a + b;
}

Acumulador

Cuando las mismas variables aparecen en ambos miembros de la asignación se obtiene una construcción de "acumulador".

int main()
{
   int b = 1;
   
   b = b + 3;
}

Operador de autoincremento y autodecremento

Una variable puede incrementar o decrementar en 1 su valor con la sintaxis siguiente.

int main()
{
   int b = 1;
   int c;
   c = 6;
   b++; // b queda con valor 2
   c--; // c queda con valor 5
}

Entrada y salida

Dos funciones de E/S de bytes, in() y out().
Una función de E/S de strings, printf().

La función de entrada in() recibe como argumento la dirección de una variable. Espera el ingreso de un número a cargo del usuario.

int main()
{
   int b = 1;

   in(&b);
}

La función de salida out() recibe como argumento la variable cuyo contenido se desea imprimir.

int main()
{
   int b = 1;

   out(b);
}

La función de salida printf() recibe como argumento un string. No hace conversiones. Es equivalente a un lazo formado por llamadas a out().

int main()
{
   printf("Hola Mundo!");
}

Sentencias de control

Se proveen las sentencias de control if() y while().

Las condiciones de control para ambas construcciones pueden ser:
- La comparación por diferencia (!=) entre una variable y una constante.
- La comparación por diferencia (!=) entre dos variables.

Sentencia if()

Permite decidir entre dos alternativas.

int main()
{
	int a;

	in(&a);
	if(a != 10) {
		a = a + 1;
	}
	out(a);
}

Sentencia while()

Permite iterar un conjunto de sentencias mientras una condición sea verdadera.

// Calcula e imprime la suma de 1 a 10
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 0;

	while(a != 11) {
		b = b + a;
		a++;
	}
	out(b);
}

Anidamiento de sentencias de control

Las sentencias de control pueden anidarse, pero es muy probable que la traducción a ensamblador produzca programas que ocupen más memoria de la disponible (en MCBE, solamente se pueden ocupar las posiciones 0 a 29) o que tengan saltos con desplazamiento mayor del permitido (en MCBE, el rango de desplazamiento para los saltos relativos es [-16, 15]).

Una posible solución es optimizar a mano el código assembler producido.

// Pide tres datos y los imprime, 
// excepto que el dato sea 0
int main()
{
	int a = 0;
	int b;

	while(a != 3) {
		in(&b);
		if(b != 0) {
			out(b);
		}
		a++;
	}
}

Comentarios

Doble barra (//) al principio de una línea indica que la línea es de comentarios, y será ignorada por el traductor. El programador puede escribir lo que desee en los comentarios para documentar su programa.

egrosclaude / mcbe Goto Github PK

mcbe's Introduction