WSPOMAGANIE NAUCZANIA PRZEDMIOTU ALGORYTMY I STRUKTURY DANYCH Z WYKORZYSTANIEM SYMULATORA MASZYNY RAM Piotr Miszczak, Wojciech Kozioł Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Krośnie Opiekun naukowy: dr hab. inż. Barbara Dębska, prof. PWSZ w Krośnie. Współpraca: mgr inż. Agnieszka Kubacka. Streszczenie: Artykuł ten prezentuje budowę maszyny RAM. Zawiera on wprowadzenie teoretyczne opisujące podstawowe założenia modelu, opis symulatora w postaci urządzenia elektronicznego oraz programu komputerowego. Zarówno symulator jak i program komputerowy dają możliwość pisania programów realizujących proste algorytmy za pomocą komend tejże maszyny. Abstract: This article shows construction of The RAM machine. It includes teoretic introcduction which describes the basic guidelines of model, the description of simulator which has form of an electric device and computer program.both simulator and computer program have a possibility to write programs which execute simple algorithms by means of the machine commands
Opis modelu teoretycznego 1. Wprowadzenie Maszyna RAM jest modelem ze swobodnym dostępem do pamięci (RAM Random Access Machine) - oznacza to, że wykonujący się program ma bezpośredni dostęp do każdej komórki tejże pamięci. Maszyna ta jest jednym z modeli obliczeń. Od modelu zależy zestaw dostępnych komend, które możemy użyć do napisania programu realizującego algorytm. 2. Budowa Maszyna RAM składa się z następujących elementów: taśmy wejściowej z której dane są tylko czytane, taśmy wyjściowej na którą dane są tylko zapisywane, pamięci w postaci zbioru rejestrów. Taśma wyjściowa Licznik rozkazów Program R0 R1 R2 R3... Rn Pamię Taśma wejściowa Rys. 1. Schemat maszyny (modelu) RAM Taśma wejściowa ma postać ciągu klatek. Każda klatka może zawierać liczbę całkowitą. Taśma wyjściowa również zawiera ciąg klatek. Na początku są one puste. Pamięć składa się z rejestrów R0, R1, R2, R3,..., Rn. Każdy z nich może przechowywać dowolną liczbę całkowitą. Liczba rejestrów nie ma górnego ograniczenia. Rejestr R0 jest nazywany sumatorem, w nim prowadzone są obliczenia. Program maszyny RAM stanowi ciąg poleceń (komend). Mogą być one poprzedzone etykietą. Licznik rozkazów zawiera numer kolejnego rozkazu do wykonania. 123
3. Programowanie w języku maszyny RAM W modelu RAM dostępne są komendy: arytmetyczne wejścia/wyjścia skoku bezwarunkowego i warunkowego Zestaw komend maszyny RAM zawiera Tabela 1. Komenda LOAD a STORE i STORE *i ADD a SUB a MULT a DIV a READ i READ *i WRITE a JUMP b JGTZ b JZERO b HALT Opis działania załadowanie wartości operandu a do rejestru R0 (sumatora) umieszczenie zawartości sumatora w rejestrze o numerze i umieszczenie zawartości sumatora w rejestrze znajdującym się pod adresem pośrednim suma zawartości rejestru R0 (sumatora) i wartości operandu a ; wynik zapisywany jest do sumatora różnica zawartości rejestru R0 (sumatora) i wartości operandu a ; wynik zapisywany jest do sumatora iloczyn zawartości rejestru R0 (sumatora) i wartości operandu a ; wynik zapisywany jest do sumatora iloraz zawartości rejestru R0 (sumatora) i wartości operandu a ; wynik zapisywany jest do sumatora wczytanie zawartości kolejnej klatki taśmy wejściowej do rejestru o numerze i wczytanie zawartości kolejnej klatki taśmy wejściowej do rejestru pod adresem pośrednim zapis wartości (zawartości) operandu a tej klatki taśmy wyjściowej, przy której aktualnie znajduje się głowica skok bezwarunkowy, licznik rozkazów jest ustawiany na komendę z etykietą b jeśli zawartość sumatora jest większa od zera, to licznik rozkazów jest ustawiany na komendę z etykietą b; w przeciwnym razie na komendę następną jeżeli w sumatorze jest wartość zero, to licznik rozkazów ustawiany jest na komendę z etykietą b; natomiast w przeciwnym razie na komendę następną zatrzymanie programu Tabela 1.Zestaw komend maszyny RAM Operand a może być typu: = i liczba całkowita i, tego typu operand jest nazywany literałem; i zawartość rejestru o numerze i ( i nie może być liczbą ujemną ); * i adresacja pośrednia, wartość operandu stanowi tutaj zawartość rejestru j, gdzie j jest liczbą nieujemną przechowywaną w rejestrze i. Przykładowy program sumuje wczytywane liczby do momentu wprowadzenia wartości zero. Po wprowadzeniu zera następuje wypisanie wartości sumy i wyjście z programu. 124
algorytm START S = 0 Wczytaj n n = 0 T N S = S+n Wypisz S STOP program realizujący powyższy algorytm Etykieta Komenda Adres Komentarz LOAD =0 ;Załadowanie wartości zero do sumatora STORE 2 ;I umieszczenie go w R2 sumuj: READ 1 ;Wczytanie liczby n do rejestru 1 LOAD 1 ;Załadowanie n do sumatora JZERO koniec ;Jeśli n = 0, to skocz do etykiety koniec LOAD 2 ;Jeśli nie, to załaduj S do sumatora ADD 1 ;Wykonanie operacji S + n STORE 2 ;Wynik umieszczony jest w R2 JUMP sumuj ;Dodanie do sumy następnej liczby n koniec: WRITE 2 ;Wypisanie zawartości rejestru R2 HALT ;Koniec programu W programie wykorzystywane są rejestry: R0 sumator R1 rejestr zawierający liczbę n R2 rejestr zawierający sumę S Wersja sprzętowa w postaci symulatora 125
Budowa urządzenia Budowę symulatora przedstawia Rys.2. Urządzenie to zawiera cztery główne moduły. MODUŁ WYŚŚWIIETLACZY LCD MODUŁ MIIKROKONTROLERA MODUŁ PAMIIĘCII MODUŁ KLAWIIATURY Rys. 2. Schemat blokowy symulatora Moduły symulatora są opisane w kolejnych punktach. Moduł mikrokontrolera Mikrokontroler jest mikrokomputerem jednoukładowym, to znaczy, że w jednym układzie scalonym znajdują się wszystkie elementy kompletnego komputera. W chwili pisania artykułu w module tym zastosowany jest mikrokontroler 8051 rodziny MCS 51. W układzie scalonym 8051 zawarto: rdzeń mikroprocesora CPU z 8-bitową jednostką arytmetyczno-logiczną (ALU); pamięć typu ROM, w której zawarty jest program działania mikrokontrolera; pamięć typu RAM jest to tzw. pamięć danych; uniwersalne dwukierunkowe porty wejścia/wyjścia, służące do komunikacji z peryferiami poprzez zapisywanie jak i odczyt przez nie danych cyfrowych ; programowany szeregowy port transmisji dwukierunkowej ; 126
układ wewnętrznego oscylatora, który ogranicza do minimum konieczność stosowania zewnętrznych elementów do pojedynczego rezonatora kwarcowego oraz dwóch kondensatorów ceramicznych; dwa uniwersalne liczniki/timery; układ generowania przerwań systemowych, zawierający także możliwość generowania przerwań zewnętrznych. Moduł pamięci Mikrokontroler 8051 daje możliwość dołączenia zewnętrznej pamięci o łącznej pojemności 64kB. W tym konkretnym przypadku układowym przestrzeń adresowa podzielona jest na dwa 32kB bloki. Pierwszy z nich stanowi pamięć programu sterującego pracą mikrokontrolera. Adresy tej pamięci należą do przedziału od 0000h do 7FFFh. Jako pamięć programu może być zastosowana pamięć typu: EPROM (Erasable Programmable ROM) pamięć z możliwością kasowania dotychczasowej zawartości promieniami ultrafioletowymi i programowania nowej zawartości za pomocą zewnętrznego programatora. Flash - jest nowym typem pamięci elektronicznej kasowanej elektrycznie. Drugi blok to pamięć na program maszyny RAM. Pamięć ta jest obsługiwana w zakresie adresów od 8000h do FFFFh. Blok ten zrealizowany jest w oparciu o pamięć SRAM (Static Random Access Memory) pamięć statyczna RAM. Moduł klawiatury Moduł ten składa się z dwóch zasadniczych części: klawiatury matrycowej; kontrolera, który jest pewnego rodzaju pomostem pomiędzy klawiaturą matrycową a resztą systemu. Przedstawia to Rys.3. Kod znaku KONTROLER KLAWIIATURA MATRYCOWA Rys. 3. Budowa modułu klawiatury Kontroler przegląda stan klawiatury i w oparciu o wynik przeglądania wysyła odpowiedni kod do głównego mikrokontrolera oraz do modułu wyświetlaczy LCD. Rolę kontrolera klawiatury pełni mikrokontroler rodziny AVR ATMEGA8515 127
Moduł wyświetlaczy LCD W skład tego modułu wchodzą cztery alfanumeryczne wyświetlacze LCD. Wyświetlają one odpowiednio: Kod programu Zawartość rejestrów Zawartość klatek taśmy wejściowej Zawartość klatek taśmy wyjściowej Wyświetlacz LCD oprócz pola odczytowego zawiera moduł sterujący. W skład takiego modułu wchodzi specjalizowany układ scalony nazywany kontrolerem sterującym wyświetlacza (lub inaczej sterownikiem). Sterownik Hd44780 zawiera: CG ROM (ang. Chracter Generator ROM) - generator znaków. Fizycznie jest to wbudowana w strukturę sterownika Hd44780 pamięć typu ROM z umieszczonymi kombinacjami zgaszonych i zapalonych kropek w matrycy znaku. Dlatego podając tylko kod danej litery lub symbolu, wybiera się z CG ROM konkretny układ matrycy tej litery. CG RAM (ang. Chracter Generator RAM) - pamięć generatora znaków użytkownika. Pamięć ta przechowuje informację o utworzonych znakach użytkownika (użytkownik może zdefiniować 8 własnych znaków, tyle właśnie może pomieścić pamięć CG RAM). DD RAM (ang. Display Data RAM) - pamięć wyświetlania. Obszar pamięci DD RAM stanowi bufor wyświetlacza. Niezależnie od rodzaju wyświetlacza, a w zasadzie od jego wielkości, czyli ilości znaków w wierszu i ilości linii (wierszy), pojemność DD RAM jest zawsze taka sama i wynosi 80 znaków (80 bajtów). Dlatego maksymalnie jednocześnie można zapisać do modułu wyświetlacza 80-znakową informację. Chcąc wyświetlić znak należy go umieścić(jego kod) w buforze wyświetlacza, (czyli w DD RAM) poprzez szynę danych (linie D0... D7). Wersja programowa Wersja ta podobnie jak i sprzętowa symuluje działanie maszyny RAM. Kod napisany został w języku C w środowisku Lcc przy użyciu funkcji WinApi. Program składa się z dwóch części: Pierwsza z nich zawiera edytor do wpisania kodu wykonywanego na maszynie oraz listy ewentualnych błędów podczas interpretacji wpisanego w edytorze kodu. 128
Rys. 4. Okno edytora kodu Druga część przedstawia maszynę RAM, która zawiera taśmy wejściową i wyjściową, zbiór rejestrów, pole oraz numer aktualnie wykonywanego rozkazu. W tym oknie symulowane jest działanie maszyny RAM według kodu napisanego w edytorze. Pasek narzędziowy oprócz standardowych narzędzi zawiera dwa dodatkowe przyciski, które obsługują działanie maszyny RAM. Przycisk PLAY wywołuje funkcję interpretacji kodu napisanego w edytorze oraz przechodzi do okna symulatora maszyny, jeśli nie wystąpił żaden błąd. Program jest wykonywany. Drugi przycisk realizuje powrót do edytora kodu w celu wprowadzania zmian w programie. W najbliższej przyszłości planuje się dodać debugger, który będzie realizował pracę krokową oraz możliwość ustawienia dowolnej wartości opóźnienia w celu ułatwienia podglądnięcia wykonywanego programu w czasie jego pracy. Zostanie również zmieniona okładka graficzna programu, gdyż w tej chwili jest on w stanie surowym. Autorzy chcą też dodać algorytm obliczania złożoności czasowych i pamięciowych wykonywanego programu. Użytkownik pracujący na maszynie RAM będzie miał możliwość sam wprowadzić obliczone przez siebie złożoności w celu porównania ich ze złożonościami obliczonymi przez program automatycznie. 129
Rys. 5.Maszyna RAM w trakcie wykonywania programu Plany na przyszłość: W przyszłości planujemy dalszą rozbudowę symulatora zarówno w wersji sprzętowej jak i programowej. W części programowej rozbudowa zmierzać będzie w kierunku dodania możliwości automatycznego obliczania złożoności czasowych i pamięciowych. W części sprzętowej dodawane będą kolejne moduły odpowiedzialne za różne funkcje. Całość projektu rozwijać się będzie pod kątem dydaktycznym, aby finalna jego wersja stanowiła jak najlepszą pomoc dla studentów w celu lepszego zrozumienia algorytmów i ich złożoności oraz ułatwić pracę ludziom prowadzącym zajęcia z tego przedmiotu. Szczególne podziękowania kierujemy w stronę: dr hab. inż. Barbary Dębskiej, prof. PWSZ za pomoc naukową, wszelkie rady i konsultacje. mgr inż. Agnieszki Kubackiej za współpracę przy tworzeniu projektu. Literatura: [1] Alfred V. Aho, John E. Hopcroft, Jeffrey D. Ullman Projektowanie i analiza algorytmów, Wydawnictwo Helion [2] Wojciech Głocki Układy cyfrowe, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1998 130
[3] Andrzej Rydzewski Mikrokomputery jednoukładowe rodziny MCS 51, Warszawa Wydawnictwa Naukowo Techniczne. [4] Mariusz Zaleski, Application Programming Interface Win 32 Api 2004 [5] Dokumentacja dołączona ze środowiskiem języka Lcc. [6] http://www.atmel.com - strona producenta mikrokontrolerów AVR. 131