Resumo Ferramenta CompSim para Ensino de Arquitetura de Computadores

Leia o artigo anexo Faça um resumo simples do artigo httpwww2sbcorgbrceacpadijcaev6n1dec2017 IJCAEv6n1dez2017paper9vfpdf 1 Uma Ferramenta para Exploração do Ensino de Organização e Arquitetura de Computadores O artigo aborda ambientes de simulações que permitem explorar os conteúdos da Organização e Arquitetura de Computadores OAC em diferentes níveis de detalhes a depender das necessidades curriculares específicas OAC está entre as principais disciplinas de cursos superiores nas áreas de Computação Engenharia Eletrônica dentre outras e consiste no estudo dos componentes de um sistema computacional e das respectivas funções bem como dos aspectos e atributos visíveis ao programador abrangendo os conhecimentos necessários à operação projeto e programação eficiente de sistemas computacionais Esses currículos incluem diferentes tópicos porém cinco deles são apontados como fundamentais a qualquer curso básico que são 1 Lógica e Sistemas Digitais 2 Representação de dados em nível de máquina 3 Organização da máquina em nível de montagem 4 Organização e arquitetura de memória 5 Interfaceamento e comunicação A ferramenta CompSim implementa o conceito de projeto baseado em plataforma apresenta um suporte gráfico intuitivo e atrativo para o processo de ensino aprendizagem em OAC Além disso os currículos incluem habilidades práticas que são frequentemente desenvolvidas em laboratório O que permitem que os alunos possam associar teoria e prática Definese as seguintes habilidades práticas que devem necessariamente ser desenvolvidas em cursos de OAC 1 Projeto de blocos básicos de um computador 2 Uso de ferramentas CAD ComputerAided Design para projetar blocos básicos 3 Conversão de dados numéricos entre bases 4 Escrita de programas simples ao nível de máquina Assembly para diferentes cenários de uso do computador 2 5 Demonstração de como construções de linguagens de alto nível são implementadas ao nível de máquina 6 Cálculo dos tempos de acesso aos dados considerando diferentes configurações de memória principal e cache bem como diferentes tipos de referência a dados e instruções Nesse contexto percebese que os simuladores tornamse peçaschave para o desenvolvimento das habilidades práticas estabelecidas em cursos de OAC por representar cenários virtuais que se assemelham aos reais Requisitos como por exemplo desempenho facilidade de uso interface intuitiva portabilidade modularidade acessibilidade interatividade e independência são fatores importantes para sua aplicabilidade e necessários para estimular e permitir que o estudante possa desenvolver seu próprio aprendizado A ferramenta proposta chamada de CompSim busca reunir as principais características dos simuladores do estado da arte bem como o suporte necessário para o desenvolvimento das habilidades práticas Considera os seguintes elementos como os fatores principais para comparações de simuladores para OAC 1 desempenho de simulação 2 flexibilidade para suportar diferentes configurações e níveis de abstração dos componentes de hardware 3 nível de detalhes do modelo de simulação 4 precisão dos resultados de simulação Definese as seguintes métricas de comparação 1 tipo de licença de distribuição sendo que as livres possuem maior impacto positivo por permitirem modificações no código para alteração ou adição de funcionalidades 2 suporte à simulação de diferentes tipos de arquitetura 3 granularidade de parametrização 4 suporte à simulação de aplicações de usuário e de sistemas completos incluindo sistema operacional 3 5 suporte a debugging e tracing pois permitem analisar respectivamente o estado e a carga de trabalho da máquina simulada e 6 disponibilidade de documentação para suporte ao aprendizado no uso do simulador O Simulador Compsim Apresentação CompSim é um ambiente integrado para dar suporte ao processo de ensino aprendizado em OAC Ele possui um ambiente gráfico que pode ser visto com os seguintes recursos 1 parametrização dos componentes de um sistema computacional 2 edição análise montagem e carregamento em memória de código em nível de máquina 3 gerenciamento da dinâmica das simulações 4 acompanhamento dos status dos componentes de hardware durante uma simulação 5 análise das estruturas de dados e pilha do programa durante uma simulação e 6 avaliação do desempenho do sistema ao final de uma simulação A plataforma Mandacaru inclui os seguintes componentes de hardware um processador conceitual uma memória RAM uma memória cachem periféricos de entrada Teclado e de saída Vídeo bem como uma estrutura de comunicação composta por dois barramentos compartilhados sendo um deles de sistema e o outro de periféricos O modelo de processador proposto chamado de Cariri inclui 1 Palavra de 16bits dados e endereços 2 Unidade Lógica e Aritmética ALU 3 Unidade de Controle Control Unit 4 Somador Adder para cálculo do endereço da próxima instrução 5 Banco de registradores para suportar buscadecodificação de instrução operações lógicasaritméticas de entradasaída de acesso à memória e pilha de programa e de transferência de controle Arquitetura do Processador A arquitetura do processador Cariri inclui um projeto simples mas com o suporte necessário para conduzir o aprendizado de programação De uma forma geral o processador Cariri inclui as seguintes características 4 1 Arquitetura baseada em acumulador 2 16 instruções monociclo de baixo nível 3 Operandos inteiros de 16 bits com sinalização 4 Suporte aos modos de endereçamento imediato direto indireto via registrador e implícito 5 Espaço de endereçamento diferenciado para entradasaída e memória principal No CompSim também considerouse o uso de abstrações para composição das operações de entradasaída Porém ao contrário dos simuladores citados incluiuse apenas duas operações básicas 1 leitura de um byte do buffer de entrada para o acumulado r 2 escrita de um byte do acumulador para um buffer de saída Interface Gráfica A interface do CompSim que está integrada à plataforma Mandacaru e ao montador apresenta os seguintes componentes gráficos 1 Editor de Código 2 CPU 3 Cache Memory 4 Main Memory RAM 5 Devices 6 Simulation 7 Logs 8 Variables 9 Stack 10 Platform Customization 11 Assembly Report 12 Outros aplicativos Resultados Preliminares Utilizouse o simulador CompSim nas práticas laboratoriais de uma turma com 20 alunos da disciplina de OAC de um curso de Bacharelado em Sistemas de Informação 5 No experimento os alunos concordaram em avaliar o simulador nas seguintes dimensões 1 Suporte educacional que abrangeu i cobertura dos cinco tópicos básicos apontados nos currículos de referência em ii suporte ao desenvolvimento das habilidades práticas definidas em iii suporte pedagógico e 2 Experiência de uso do simulador Cada um dos indicadores incluiu os seguintes aspectos de qualidade com respectivos escores 1 Ruim 1 ponto 2 Razoável 2 pontos 3 Bom 3 pontos e 4 Excelente 4 pontos Ressaltase ainda que em relação às turmas anteriores da mesma disciplina houve um acréscimo de motivação e produtividade e consequentemente no desempenho geral final As atividades em laboratório com o uso do simulador CompSim trataram desde demonstrações básicas de aspectos de projetos de sistemas digitais e de organização de computadores até o desenvolvimento de aplicações em nível de máquina para 6 1 Operações matemáticas multiplicação e divisão utilizadas somas ou subtrações sucessivas respectivamente ou com deslocamento de bits 2 Operações lógicas AND OR e NOT 3 Construções de linguagens de programação de alto nível IFELSE e FORWHILE e 4 Funções diversas com passagem de parâmetros retorno de resultado e recursividade máximo divisor comum contagem de total de números primos dentro de um determinado intervalo sequência de Fibonacci e busca linear Por fim os feedbacks dos estudantes durante toda a disciplina foram muito importantes para identificaçãocorreção de bugs adição de novos recursos produção de materiais didáticos complementares e otimizações no desempenho do simulador Conclusões Os resultados mostraram que a ferramenta proposta apresentou suporte educacional efetivo e qualidade na experiência de uso bem como constatouse um acréscimo na motivação para estudos avançados e no desempenho final da turma Dessa forma surgiram oportunidades para discussõesimplementações de novas ideias e novas colaborações técnicocientíficas