Arquitetura de Computadores - Simulador Von Neumann

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    DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA SIMULAO DE UM COMPUTADOR SIMPLES BASEADO NA ARQUITETURA VON NEUMANN1

    Francis Ribeiro Scherer Adriano Zanuz2 - Orientador

    Universidade Luterana do Brasil (Ulbra) Curso de Cincia da Computao Cmpus Canoas

    Av. Farroupilha, 8001 Bairro So Jos CEP 92425-900 Canoas RS

    22 de junho de 2011

    RESUMO Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um software para simulao do funcionamento interno de um

    computador simples. Este simulador, denominado SVN Simulador Von Neumann, servir de auxlio didtico para os cursos das reas de engenharia e computao no ensino sobre a arquitetura e a organizao de computadores. O trabalho inicia pela conceituao terica referente ao tema proposto, e, aps, aborda o desenvolvimento do sistema, sua arquitetura, caractersticas, recursos e funcionalidades. A estrutura desse computador baseada na arquitetura de von Neumann. So abordados aspectos referentes ao modelo da arquitetura definida por Neumann, sua estrutura e funcionamento. So tambm expostos os modelos desenvolvidos durante a etapa de projeto do sistema, atravs de diagramas da UML, nos quais fica caracterizada sua estrutura, bem como suas funcionalidades. Aps, so documentados itens referentes ao funcionamento e utilizao do sistema por parte dos usurios, como a sua linguagem prpria para a criao de programas, seu conjunto de instrues e sua interface. Tambm exposta uma avaliao do sistema, realizada diretamente com o pblico alvo de utilizao. Para concluir, so feitas as consideraes finais do trabalho e discutidas as possibilidades de expanso do sistema, indicando alguns pontos para evoluo. Palavras-chave: Arquitetura e Organizao de Computadores; Modelo de von Neumann; Simulao.

    ABSTRACT Title: Development of a software for simulation of a simple computer based on von Neumann architecture

    This paper presents the development of a software that simulates the internal operation of a simple computer. This simulator will serve as a teaching aid for engineering and science computing courses when teaching about the computer architecture and organization. The work begins with the theoretical conceptualization, referring to the proposed theme, and, after, discusses the system development, its architecture, features, capabilities and functionalities. The structure of this computer is based on the von Neumann architecture. It covers topics related to the model of the architecture defined by Neumann, its structure and functioning. Models developed during the stage of system design are also exposed through UML diagrams, where are characterized their structure, as well as their facilities. After, items related to the the operation and use of the system by the users are documented, such as its own language for programs creation, its instruction set and its interface. An evaluation of the system is also exposed, carried out directly with the target audience of use. Finally, concluding remarks of the work are made and possibilities of expansion of the system are discussed, indicating some points for evolution. Key-words: Computer Architecture; von Neumann model; Simulation.

    1 INTRODUO Durante a graduao nos cursos da rea de Computao, e tambm alguns de Engenharia, existem

    disciplinas com diferentes contedos e abordagens, tratando dos mais variados tpicos a respeito do estudo de computadores. Nestas disciplinas so estudados conceitos desde os referentes ao funcionamento bsico das mquinas at os computadores e sistemas complexos existentes hoje em dia. Uma das reas de estudo diz respeito arquitetura e organizao de computadores, que o tema central deste artigo.

    A rea de arquitetura e organizao de computadores abrange os conceitos no nvel do hardware da mquina e do software de baixo nvel. Entre os tpicos estudados em arquitetura de computadores, um 1 Trabalho de Concluso de Curso II, referente ao Curso de Cincia da Computao; submetida ao Curso de Cincia da Computao da

    Universidade Luterana do Brasil, Campus Canoas. 2 Professor orientador - Formao em Engenharia Eltrica, Mestre em Cincia da Computao e professor das disciplinas de Arquitetura de

    Computadores I e II.

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    aspecto de grande importncia o estudo dos princpios bsicos de funcionamento do computador, em especial o entendimento sobre a CPU (Central Processing Unit), memria principal, barramentos e dispositivos de entrada e sada. Na dcada de 50, um cientista chamado John von Neumann, precursor nos estudos na rea da computao, definiu um modelo abstrato de organizao interna do computador (ZANUZ, MARCHIORO e PETRY, 2006). O modelo definido por Neumann em 1950 at hoje utilizado como referncia para a arquitetura de computadores modernos.

    No estudo sobre arquitetura de computadores amplamente discutido o modelo de von Neumann, os componentes integrantes e seu funcionamento. Para fixao dos conceitos tericos envolvidos, os educadores utilizam ferramentas para demonstrao de como a operao interna do computador e a integrao dos dispositivos, onde os alunos possam visualizar como realizado o processamento das informaes e o fluxo interno de operaes. As ferramentas utilizadas so geralmente software simuladores, compostos virtualmente pela CPU, memria principal e caminho de dados e dispem de uma interface de interao com o usurio na qual simulam operaes bsicas de hardware. Existem hoje disponveis para uso alguns software simuladores nos quais possvel demonstrar algumas operaes de mquina, com o objetivo principal de melhorar o entendimento dos alunos quanto ao funcionamento interno do computador. Porm, verifica-se que essas ferramentas apresentam algumas deficincias ao no explicitar suficientemente o fluxo de operaes do hardware.

    O foco deste trabalho o estudo de conceitos gerais relacionados rea de Arquitetura e Organizao de Computadores, que compreende um dos tpicos nos estudos de Cincia da Computao. O objetivo apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta para simulao do funcionamento interno do computador, seguindo o modelo de von Neumann, mas preservando as caractersticas reais de como o hardware opera. Foram analisados alguns aplicativos de simulao existentes e verificou-se que, de modo geral, os software simulam as operaes corretamente, mas deixam a desejar no que tange a forma de apresentao da simulao. A visualizao dos fluxos dos processos, realizados na execuo dos programas, no demonstram fielmente como ocorrem as operaes no nvel do hardware. Ento, a proposta deste sistema apresentar a simulao do processamento de um programa em baixo nvel que tenha uma interface com um visual mais prximo de como o hardware interno do computador.

    Para o desenvolvimento deste artigo, inicialmente sero abordados conceitos referentes ao modelo original do computador desenvolvido por von Neumann, tratando de forma individual cada um dos componentes do hardware e seu funcionamento. Tambm abordado o software de baixo nvel: linguagem de montagem e linguagem de mquina. Alm disso, so expostos dois software de simulao similares, seu desenvolvimento e suas principais caractersticas, assim traando um parmetro para anlise e comparao do software desenvolvido. Aps esse embasamento inicial, so iniciados efetivamente os tpicos referentes ao desenvolvimento do sistema, iniciando pela exposio de suas funcionalidades, abordando o seu modelo conceitual e fazendo uma exposio de duas verses do diagrama de sequncia, apresentando uma viso dinmica do ciclo de funcionamento do simulador. Ainda tratando da caracterizao do sistema, apresentado o conjunto de instrues bsicas definidas e tambm a sua linguagem prpria, utilizada para descrio dos programas. Com o objetivo de apresentar de forma sistematizada os resultados do simulador, abordado um tpico especfico a respeito da validao do sistema, forma de avaliao e resultados obtidos. Finalizando o artigo, so feitas as concluses e feita uma discusso a respeito de trabalhos futuros, abordando questes relativas expanso do software, onde so avaliadas algumas possibilidades de expanso do sistema, que pode servir como ferramenta de estudo para futuros interessados.

    2 ABRANGNCIA DO PROJETO O projeto proposto apresenta como foco central de aplicao a Arquitetura e Organizao de

    Computadores, mas, para seu desenvolvimento tambm envolveu o estudo de outras reas relativas Cincia da Computao. A seguir exposta uma sucinta descrio das reas de envolvimento deste projeto, so elas:

    Arquitetura e Organizao de Computadores: o tema central da aplicao deste trabalho, os contedos referentes a esta rea de estudo so indispensveis para a fundamentao terica e servem como base para a construo do sistema. Neste projeto, trata-se da implementao de um simulador do funcionamento do hardware, em baixo nvel. Portanto, objeto de estudo e implementao no sistema, alm de seu hardware, tambm seu software de baixo nvel.

    Projeto e Desenvolvimento de Sistemas: o tema central da execuo deste trabalho, pois o resultado o desenvolvimento um software de simulao. Para execuo deste projeto, optou-se pela utilizao da linguagem de programao Java, cuja ferramenta de desenvolvimento foi a IDE

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    Netbeans. O NetBeans IDE um ambiente de desenvolvimento - uma ferramenta para programadores escreverem, compilarem, depurarem e implantarem programas. escrito em Java, mas pode suportar qualquer linguagem de programao. Existe tambm um enorme nmero de mdulos para aprimorar o NetBeans IDE. O NetBeans IDE um produto gratuito sem restries de como ser utilizado (NETBEANS.ORG). Como plataforma utilizada para o modelamento do sistema, a UML foi utilizada para todas as etapas de concepo da aplicao. Foram desenvolvidos Diagramas de Casos de Uso, Classes e Sequncia, que foram de fundamental importncia para entendimento do sistema.

    Conceitos de IHC e Programa