UD 1 - P4: Relación software y hardware

P 1.4: Relación software y hardware¶

1. Desarrollo de la Actividad A: Comparativa lenguaje C vs Ensamblador¶

Para esta actividad se propone una comparativa entre C y Ensamblador y cómo se relacionan con el hardware. :

1. Introducción al uso del simulador¶

Presenta a los estudiantes la herramienta TinkerCAD. En TinkerCAD, pueden crear un circuito simple con un microcontrolador (por ejemplo, un Arduino) y observar cómo el código que cargan en el sistema interactúa con el procesador y los periféricos.
Explica que cada componente del sistema (procesador, memoria y periféricos) tiene un papel importante en la ejecución de un programa.

2. Primera parte¶

Simulación de la relación Software-Hardware con TinkerCAD: * Los estudiantes crearán un proyecto en TinkerCAD con un circuito que contenga un microcontrolador Arduino y algunos componentes adicionales como un LED y un sensor (botón).
* Cargarán un código simple que, por ejemplo, encienda o apague el LED cuando se presiona el botón.
* Ejemplo de código para Arduino: * Explicación Arduino
* Ejecutar y compilar un programa
* Los estudiantes podrán ver cómo el botón (periférico) envía señales al procesador y cómo el software (el código cargado) controla el hardware (el LED).
* Pueden intentar modificar el programa para que encienda el LED cuando se presiona el botón dos veces y lo apague cuando se presione el botón una sola vez.

3. Segunda parte¶

Simulación del funcionamiento del procesador con el emulador LC3 Machines:

Presenta a los estudiantes el Emulador LC3, una herramienta que simula el funcionamiento de un procesador LC3 (una arquitectura de computadora simple). Se puede usar la opción 1 u opción 2
Los estudiantes utilizarán el Emulador LC3 para cargar un programa en código ensamblador o un programa muy básico en una máquina virtual.
Observarán cómo el software (en este caso, el código en ensamblador o un programa simple en C) se convierte en instrucciones que el procesador ejecuta.

Con el emulador, podrán ver la interacción entre el código, el procesador y la memoria en tiempo real.

Ejemplo básico de código ensamblador (LC3):

.ORIG x3000          

LD R0, NUM1          ; Cargar el valor de NUM1 en R0
LD R1, NUM2          ; Cargar el valor de NUM2 en R1
ADD R2, R0, R1       ; Sumar R0 y R1, guardar el resultado en R2

; Convertir el resultado a ASCII
LD R3, ASCII_ZERO    ; Cargar el valor ASCII de '0' en R3 (48)
ADD R0, R2, R3       ; Sumar el valor de R2 al valor ASCII de '0'

; Mostrar el resultado
TRAP x21             ; Mostrar el carácter en pantalla

HALT                 ; Finalizar el programa

NUM1    .FILL x0005          ; Primer número (5)
NUM2    .FILL x0003          ; Segundo número (3)
ASCII_ZERO .FILL x0030       ; Valor ASCII de '0' (48 en decimal)

.END                 ; Fin del programa

Explicación del código:

LD R3, ASCII_ZERO: Carga el valor 48 (que es el valor ASCII del carácter '0') en el registro R3. Este valor se almacena en la etiqueta ASCII_ZERO.
ADD R0, R2, R3: Suma el valor de R2 (resultado de la suma de 5 + 3) con 48 para convertir el número en un carácter ASCII.
TRAP x21*: Muestra el carácter ASCII resultante en la pantalla (en este caso, el carácter '8').

Resultado esperado:
Al ejecutar este programa, se mostrará el carácter '8' en la pantalla, que es el resultado de la suma de 5 + 3.

4. Conclusión¶

Los estudiantes finalizarán la actividad conectando lo aprendido a la realidad de los sistemas informáticos actuales. Deberán ser capaces de identificar claramente la relación entre el software y el hardware, y cómo las instrucciones del software controlan los diferentes componentes del hardware.

2. Desarrollo de la Actividad B: Funcionamiento de una CPU¶

Esta actividad se centra en el funcionamiento de un procesador y cómo se relaciona con el software. Se utilizará un simulador

1. Introducción al Simulador y Explicación del Contexto:¶

Antes de comenzar con la simulación, introduce el Little Man Computer (LMC) como una metáfora sencilla para explicar cómo funciona una CPU. El "pequeño hombre" en la simulación es el procesador, que sigue instrucciones escritas en un formato muy básico y que puede interactuar con un conjunto limitado de recursos: una memoria de números, un buzón para entradas (teclado) y otro para salidas (pantalla o impresora).
Explica a los estudiantes que utilizarán este simulador para entender cómo se comunican el software (las instrucciones que ellos escribirán) y el hardware (la CPU y la memoria). Así podrán ver cómo el procesador toma decisiones, lee datos de la memoria y los devuelve como salida.

2. Creación de un Programa Simple en LMC¶

Los estudiantes usarán el simulador LMC para escribir un programa simple que sume dos números introducidos por el usuario y muestre el resultado en pantalla. Aqui tienes el acceso al simulador

Ejemplo de código en LMC para sumar dos números:

```nasm
INP           ; Entrada del primer número
STA NUM1      ; Guardar el número en la memoria
INP           ; Entrada del segundo número
ADD NUM1      ; Sumar el segundo número al primero
OUT           ; Mostrar el resultado
HLT           ; Terminar el programa
NUM1 DAT 0    ; Variable para almacenar el número

```

3. Ejecución y Análisis del Programa¶

Una vez escrito el programa, los estudiantes lo ejecutarán paso a paso en el simulador. A medida que se ejecute el programa, el simulador mostrará cómo las instrucciones van siendo procesadas por la CPU (el pequeño hombre), cómo se almacenan los números en la memoria y cómo se realiza la salida.

4. Ampliación: Simulación del Hardware Completo en PCjs Machines¶

Si deseas una actividad más avanzada para alumnos con mayor comprensión, puedes complementar el uso de LMC con una simulación en PCjs Machines (https://www.pcjs.org/). Aquí, los estudiantes pueden cargar un programa en un sistema operativo antiguo, como MS-DOS, y ver cómo el software controla el hardware en una simulación de un ordenador completo.

5. Resultados Esperados¶

Los estudiantes entenderán de forma visual y práctica cómo el software que escriben (instrucciones) interactúa con la CPU (procesador), la memoria y los periféricos (entrada/salida).
Lograrán ver cómo las operaciones básicas de un procesador se relacionan con las instrucciones del software, lo que facilita la comprensión de cómo los programas controlan el hardware.
Podrán identificar el rol de cada componente del sistema (procesador, memoria y periféricos) y cómo su correcta interacción es esencial para el funcionamiento del software en cualquier entorno.