domingo, febrero 15, 2009

Simulador del procesador DLX (jbz) hecho en Java


Ordenando directorios viejos en mi disco duro, me encontré con un proyecto viejo de cuando estaba en la universidad llevando la clase de Arquitectura de Máquinas III, y me pareció interesante compartirlo, ya que quizás sea de utilidad para alguien, por lo cual dedico este artículo a dicho proyectito, en general este artículo es un estracto del trabajo entregado para dicha clase mencionada anteriormente, aquí se puede descargar el documento completo en PDF:

http://sites.google.com/site/denisjtorresg/simulador_dlx_jbz.pdf

Descargar

Dicho proyectito fue realizado como parte de una clase en la universidad, por lo cual probablemente puede ser mejorado, en esta URL se puede descargar el código fuente y la documentación del proyecto.

http://sites.google.com/site/denisjtorresg/dlxjbz.zip

Introducción ¿Qué es DLX (jbz)?
DLX (jbz) es un simulador del procesador DLX segmentado. Es un programa hecho en JAVA lo cual permite su portabilidad a múltiples arquitecturas de sistemas de cómputo (ver Requerimientos del Sistema).
El simulador DLX (jbz) después de leer un archivo conteniendo código DLX, muestra información importante sobre el CPU (pipeline, registros, memoria, ...) mientras se ejecuta el código paso a paso o continuamente. DLX (jbz) ofrece estadísticas sobre el comportamiento del cause a lo largo del tiempo.
La segmentación encausada es una técnica de implementación que consiste en solapar la ejecución de múltiples instrucciones en el tiempo, en los procesadores que implementan esta técnica la ejecución de una instrucción se divide en diferentes fases y el procesador se organiza en unidades o secciones de ejecución relativamente independientes llamadas segmentos o etapas. El objetivo de la segmentación es conseguir una instrucción por ciclo, aunque cada instrucción por separado ocupe varios ciclos (CPI>1).


Diseño del Simulador

Estructura Lógica del Simulador DLX (jbz):

El simulador DLX (jbz) cuenta con 32 registros enteros de propósito general, nombrados de R0 a R31. Está segmentado en 5 etapas, las cuales son: BUS, D/L, ALU, MEM, y ESC.
Etapa Descripción
BUS Etapa de búsqueda o fetch de la instrucción e incremento del PC
D/L Decodificación/Carga de operandos (registros) en ALU
ALU Ejecución de operaciones y cálculo de direcciones efectivas de datos
MEM Acceso a memoria para lectura (M->R) o para escritura (R->M)
ESC Escritura de resultados en los registros
Cuenta con una memoria de 100 casillas, numeradas de 000 a 099. En la memoria se almacena el código fuente que se ejecuta en el simulador, así como valores enteros resultado de operaciones de escritura en memoria.

Formato de instrucciones del DLX (jbz):

El formato de instrucción del DLX (jbz) es el siguiente:
Cálculo OP RD,RF1,RF2 RD = RF1 OP RF2
Acceso a Memoria LW RD,DB(RF) RD = M[RF + DB]
Escritura en Memoria SW DB(RF1),RF2 M[RF1 + DB] = RF2
Significado de simbología:
Símbolo Descripción
OP Indica un tipo de operación
RD Registro destino
RF1 Registro fuente primero
RF2 Registro fuente segundo
DB Dirección de memoria base
RF Registro Fuente

Juego de instrucciones del DLX (jbz):

Cada instrucción cargada en el simulador DLX (jbz) ocupa una casilla de memoria. En el código fuente del programa las MAYUSCULAS y minúsculas se tratan por igual.
Instrucción Ejemplo Descripción
ADDI ADDI R1,R0,7 Suma el Registro Fuente con una Constante y el resultado se almacena en el Registro Destino.
SUBI SUBI R1,R0,7 Resta el Registro Fuente de una Constante y el resultado se almacena en el Registro Destino.
ORI ORI R1,R0,7 Aplica la operación OR a nivel de bits, entre el Registro Fuente con una Constante y el resultado se almacena en el Registro Destino.
ANDI ANDI R1,R0,7 Aplica la operación AND a nivel de bits, entre el Registro Fuente con una Constante y el resultado se almacena en el Registro Destino.
XORI XORI R1,R0,7 Aplica la operación XOR a nivel de bits, entre el Registro Fuente con una Constante y el resultado se almacena en el Registro Destino.
ADD ADD R3,R1,R2 Suma el Registro Fuente 1 con el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
SUB SUB R3,R1,R2 Resta el Registro Fuente 1 del Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
MULT MULT R3,R1,R2 Multiplica el Registro Fuente 1 con el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
DIV DIV R3,R1,R2 Divide el Registro Fuente 1 entre el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
OR OR R3,R1,R2 Aplica la operación OR a nivel de bits, entre el Registro Fuente 1 con el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
AND AND R3,R1,R2 Aplica la operación AND a nivel de bits, entre el Registro Fuente 1 con el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
XOR XOR R3,R1,R2 Aplica la operación XOR a nivel de bits, entre el Registro Fuente 1 con el Registro Fuente 2 y el resultado se almacena en el Registro Destino.
LW LW R3,0(R1) Carga en el Registro Destino el valor ocupado en la celda de memoria cuya dirección es: la suma de la Dirección Base más el valor del Registro Fuente.
SW SW 0(R1),R2 Guarda el valor del Registro Fuente 2 en la celda de memoria cuya dirección es: la suma de la Dirección Base más el valor del Registro Fuente 1.
NOP NOP Operación de relleno. No realiza ninguna operación.
TRAP TRAP Indica al simulador que el programa ha terminado
; ;comentario Todo texto a la derecha del símbolo punto y coma será omitido por el simulador
Diagrama de Clases del fuente del Simulador DLX (jbz):


Clase Descripción
Principal.java Contiene el método Main y es el dlx en si.
Presentacion.java Clase JFrame usada al inicio para mostrar pantalla de bienvenida.
Instrucciones.java Contiene métodos y constantes para manipular, leer y procesar las

instrucciones válidas para el simulador.
InstDecode.java Clase para contener la estructura decodificada de cada instrucción, usada

para buscar dependencias.
jFrmDependencias.java Clase tipo Ventana encargada de encontrar y mostrar mostrar las

dependencias en un código.
DlxFiltro.java Clase usada para filtrar los archivos con extensión .dlx cuando se muestra la

ventana Abrir.
frameAyuda.java Clase tipo Ventana para mostrar la ayuda.
jFrmCodigo.java Clase tipo Ventana para mostrar el código cargado en memoria.
jFrmEstadisticas.java Clase tipo Ventana para mostrar las estadísticas
iFrmPipeline.java Clase tipo Ventana para mostrar el pipeline
jFrmRegistros.java Clase tipo Ventana para mostrar los registros

Uso del simulador

Requerimientos del simulador DLX (jbz):

Software:
Es necesario para la ejecución del simulador DLX (jbz) la previa instalación de la plataforma Java 2 Standard Edition. Sistema operativo: cualquiera soportado por java.
Espacio de disco duro: Menos de 1 MB. Memoria RAM: Mínimo de 32 MB. Procesador: Mínimo de 133 MHZ.

Instalación:

Copie la carpeta “dlxjbz” a su disco duro.

Ejecución del simulador:

En una consola de comandos (la ventana de MS-DOS en Windows) ubicarse en el directorio “dlxjbz/bin” y escribir:
java -jar dlxjbz.jar
Nota para usuarios de Windows: en el directorio “dlxjbz/bin” se incluye un archivo por lotes con el nombre de: “run.bat” el cual puede ejecutar la aplicación con sólo ser picado dos veces.
Referencia rápida a los menús:
Menú Submenú Acceso Rápido Descripción
Archivo



Reset Ctrl + R Reinicia el Simulador

Abrir Ctrl + A Abrir un archivo dlx para ejecutar

Salir Ctrl + S Salir del simulador
Ejecutar



Un Ciclo F5 Ejecuta un ciclo (un paso)

Múltiples Ciclos F6 Ejecuta una cantidad de ciclos según se especifique

Correr F7 Corre por completo todo el programa
Configurar



Instrucciones en el Pipeline Ctrl + I Establece la cantidad de instrucciones que pueden estar en el pipeline
Ventana



Registros Ctrl + 1 Muestra la ventana Registros

Código Ctrl + 2 Muestra la ventana Código

Pipeline Ctrl + 3 Muestra la ventana Pipeline

Estadísticas Ctrl + 4 Muestra la ventana Estadísticas

Dependencias Ctrl + 5 Muestra la ventana Dependencias
Ayuda



Contenido F1 Muestra la ayuda

Acerca de Ctrl + F1 Muestra información sobre los autores del simulador

Ejemplo 1 de código fuente para el DLX (jbz):

;Ejemplo de código para DLX (jbz)
;Programa que suma 8+9 y guarda el resultado en R3
;Asegurar que el valor de R0 sea 0
XOR R0,R0,R0
;Cargar 8 en R1
ADDI R1,R0,8
;Cargar 9 en R2
ADDI R2,R0,9
;Sumar R1+R2 y guardar en R3
ADD R3,R1,R2
;Final del programa
TRAP
El objetivo de la prueba es comprobar el correcto funcionamiento del simulador DLX (jbz) con un código sencillo.
Resultados obtenidos mediante el simulador:
Valores finales de los Registros
R0 = 0
R1 = 8
R2 = 9
R3 = 17
Dependencias
(0) XOR R0,R0,R0
(1) ADDI R1,R0,8 RAW0
(2) ADDI R2,R0,9 RAW0
(3) ADD R3,R1,R2 RAW1 RAW2
Variable Valor
Numero de Instrucciones Total 5
Ciclos Ejecutados 9
Instrucciones Ejecutadas 4
CPI 2.25
ILP 0.44
Instrucciones en el Pipeline 1
Dependencias RAW 4
Dependencias WAR 0
Dependencias WAW 0
Instrucciones Simultaneas en el Pipe Line 5
Ejemplo 2 de código fuente para el DLX (jbz):


; Ejemplo DLX (jbz)
; Carga y lectura de valores en memoria
XOR R0,R0,R0 ; Asegurar 0 en R0
ADDI R1,R0,15 ; Cargar 15 en R1
ADDI R2,R0,4 ; Cargar 4 en R2
; Escritura en memoria
SW 0(R1),R2 ; M[15]=4 en la casilla 15 escribir 4
SW 1(R1),R2 ; M[15+1]=4 en la casilla 15+1 escribir 4
; Lectura de memoria
LW R3,0(R1) ; r3 = M[15]
LW R4,1(R1) ; r4 = M[15+1]
ADD R4,R2,R3 ; r4 = r4+r3
;FIN
TRAP

El objetivo de la prueba es comprobar el correcto funcionamiento del simulador DLX (jbz) con instrucciones de acceso a memoria.
Resultados obtenidos mediante el simulador:
Valores finales de los Registros
R0 = 0
R1 = 15
R2 = 4
R3 = 4
R4 = 8
Valores finales de la Memoria
M[015] = 4
M[016] = 4
Dependencias
(0) XOR R0,R0,R0
(1) ADDI R1,R0,15 RAW0
(2) ADDI R2,R0,4 RAW0
(3) SW 0(R1),R2 RAW1 RAW2
(4) SW 1(R1),R2 RAW1 RAW2
(5) LW R3,0(R1) RAW1
(6) LW R4,1(R1) RAW1
(7) ADD R4,R2,R3 RAW2 RAW5 WAW6
Estadísticas
Variable Valor
Numero de Instrucciones Total 9
Ciclos Ejecutados 13
Instrucciones Ejecutadas 8
CPI 1.62
ILP 0.62
Instrucciones en el Pipeline 1
Dependencias RAW 10
Dependencias WAR 0
Dependencias WAW 1
Instrucciones Simultaneas en el Pipe Line 5

Conclusiones

Desde un punto de vista general: el uso de un simulador del procesador DLX, con la capacidad de poder realizar distintas pruebas, con distintos códigos, y ejecuciones paso a paso, ayuda grandemente a comprender los conceptos de segmentación encausada o pipeline.
En nuestra experiencia: de los datos obtenidos en las distintas pruebas que realizamos con nuestro simulador, encontramos que: mientras más instrucciones a la vez hay en el pipeline la cantidad de ciclos necesarios para ejecutar todo el programa disminuye, lo cual también significa que el CPI disminuye y el ILP aumenta, lo cual se traduce en un aumento del rendimiento del procesador.

Bibliografía

  • Segmentación Encausada Prof. José L. Díaz Chow Depto. de Arquitectura y Sistemas, Universidad Nacional de Ingeniería de Nicaragua (UNI).
  • WinDLX DLX-Pipeline Simulator TU Vienna, Inst. fr Technische Informatik

11 comentarios:

  1. Se parecen a las instrucciones de assembler.... interesante hecho en Netbean aparentemente supongo que la 4.5

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  2. Hola Jose Luis,

    En efecto es como Lenguaje Ensamblador, y si tienes razón fue hecho con una version de NetBeans viejita, del tiempo cuando yo estaba en la universidad.

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  3. Por cierto para las operaciones aritmeticas simplemente simula lo que hace o utiliza IEEE 754 por que me serviria una implementacion de algoritmo de Booth

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  4. hola Denis, oye me gustaria ver tu aplicacion, pero ya no esta disponible puedes ponerla de nuevo, o mandarmela? gracias mi correo alternativo es lazsound@hotmail.com
    gracias y un saludo desde mexico

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  5. Hola

    Saludos desde Nicaragua, los enlaces ya se han corregido, por favor prueba de nuevo (te mandé un correo) espero que sea de tu utilidad.

    Saludos

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  6. que datapath utilizast en el simulador

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  7. Hola

    ¿A qué te refieres con datapath?

    Saludos

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  8. hola! soy un novato en esto y apenas estoy empezando con lo que es el lenguaje ensamblador y con el programa windlx tengo dudas en el ejemplo 1, copio el programa al windlx y me salia un error en la sintaxis "trap", investigue en internet y dice que en el trap lleva un numero y le puse el numero cero y ahora corre bien, mi duda es donde se vizualiza el resultado de la suma 8 + 9 =17, el maestro solo pidio que vizualicemos el programa y pues yo quiero ir un poco mas haya aprendiendo a ejecutar los programas y estar un paso adelante, por tu atención muchas gracias....

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  9. Hola

    El Simulador DLX (jbz) es un intérprete de un subconjunto del lenguaje DLX, la implementación del TRAP es diferente a la del Windlx, por lo que los ejemplos aquí mostrados no necesariamente son compatibles con otros simuladores o intérpretes DLX. Los ejemplos de esta página han sido probados con el Simulador DLX (jbz) únicamente.

    Aquí podrás encontrar la documentación de TRAP en el Windlx:

    http://electro.fisica.unlp.edu.ar/arq/downloads/Software/WinDLX/windlx.html

    Respecto a dónde visualizar la respuesta del ejemplo 1, 8+9=17, en el caso del Simulador DLX (jbz), desde el menú Ventana seleccionas Registros, para hacer visible la ventana de Registros, en la cual podrás observar que el registro R3 tiene el valor: 17. Probablemente el Windlx tiene algo similar.

    Saludos

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  10. muchisimas gracias....

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  11. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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