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Simula3MS: simulador pedagógico de un procesador
Raquel Concheiro, Marta Loureiro, Margarita Amor y Patricia González
Dtpo. Electrónica y Sistemas
Universidade da Coruña
15071 A Coruña
Resumen
En este artículo se presenta un nuevo simulador pedagógico, Simula3MS , de un procesador para su utilización en asignaturas de arquitectura y tecnología de
computadores en cualquiera de las titulaciones de informática. Se presentan los principales simuladores
de procesadores utilizados en universidades españolas y se discuten sus ventajas e inconvenientes y el
porqué de la necesidad de plantear este nuevo simulador.
1. Introducción
El objetivo de las primeras asignaturas de arquitectura y tecnología de computadores en las
titulaciones de informática es introducir y analizar
los principios básicos de la organización de los
computadores clásicos o von Neumann. Centrándose
fundamentalmente en el estudio de los bloques
funcionales básicos que componen un sistema
monoprocesador: el procesador, la unidad de entrada/salida, la memoria y el sistema de interconexión.
Frecuentemente el funcionamiento del procesador
es explicado a través de un procesador concreto
para facilitar la adquisición de los conceptos, y se
utiliza como elemento de apoyo un simulador del
procesador.
técnicas segmentadas y no segmentadas, que permite
aplicar los conceptos que se imparten en el estudio
del procesador. Este trabajo se ha desarrollado en
dos proyectos fin de carrera ([6], [11]) de Ingeniería
Técnica en Informática de Sistemas. La parte
desarrollada en estos proyectos se corresponde al
simulador de un procesador con configuraciones
monociclo, multiciclo y un procesador segmentado
básico.
Este trabajo forma parte de un proyecto global
más amplio que comprende la realización de un
simulador más completo. Pretendemos ampliar esta
herramienta añadiendo, entre otros, la unidad de
punto flotante, y métodos de segmentación avanzada,
como los algoritmos de Marcador y de Tomasulo.
En la sección 2 se presentan las características básicas que debe tener un simulador pedagógico de
un procesador y los principales simuladores utilizados. La sección 3 presenta el nuevo simulador Simula3MS. En la sección 4 se describe la experiencia de
la utilización del simulador en las prácticas de una
asignatura de Tecnología y Arquitectura de Computadores durante el curso académico 2004-2005. Las
conclusiones y el trabajo futuro se presentan en la
sección 5.
2. Simuladores de procesadores
En este artículo analizamos las características
básicas que debe tener un simulador pedagógico de
un procesador. Además, se muestran los simuladores
utilizados actualmente en docencia, así como sus
principales ventajas e inconvenientes, y la necesidad
de plantear un nuevo simulador que cubra estas
carencias.
El simulador que hemos desarrollado es el
Simula3MS [13] que simula un procesador MIPS
R2000 [12], uno de los procesadores más utilizado
como ejemplo en el estudio del procesador. Este
nuevo simulador es configurable, con diferentes
El uso de simuladores [14, 16] en lugar de procesadores reales resulta bastante común en docencia
debido a que ofrecen un entorno de programación
más amigable que una máquina real. Además, en
los simuladores se pueden detectar más errores,
ofrecen más posibilidades que un ordenador real y
no modifican elementos físicos del computador.
Por otro lado, los simuladores son una herramienta
útil para estudiar la arquitectura de los procesadores
y los programas que se ejecutan en ellos. Debido
a que están realizados en software y no en silicio,
490
los simuladores se pueden modificar fácilmente
para añadir nuevas instrucciones, construir nuevos
sistemas como multiprocesadores o simplemente
ofrecer más información.
Finalmente otra razón para usar un simulador en
lugar de estaciones de trabajo es que estas no están disponibles universalmente y además el constante
progreso hacia máquinas cada vez más rápidas puede
dejar estas estaciones obsoletas.
2.1. Características de un simulador
Un simulador pedagógico de un procesador debe
permitir observar la evolución de la memoria y de
los registros durante la ejecución de las instrucciones.
Esto también permite que los alumnos comprueben la
traducción de las instrucciones en lenguaje máquina.
También es conveniente una representación gráfica
del camino de datos con la representación concreta
de cada instrucción. Así como la posibilidad de que
se pueda ejecutar paso a paso cada instrucción.
Adicionalmente, la inclusión de un editor propio
en el simulador facilita a los alumnos la elaboración
de los programas ensamblador.
Finalmente, el simulador debería ser configurable
con diferentes técnicas segmentadas y no segmentadas para que permita a los alumnos en un único simulador aplicar todos los conocimientos que se les
imparten. La presencia de las distintas implementaciones permitirá observar las diferencias de un mismo código según las características del procesador.
2.2. Ejemplos de simuladores pedagógicos
En la actualidad existen varios simuladores
de lenguaje ensamblador con características muy
diferentes, los más utilizados son el Spim [4, 10] y el
DLX [3]. Otros simuladores no tan utilizados son el
SimuProc [1] y el Simplescalar [2, 5], más orientado
a investigación en arquitectura de computadores.
La principal ventaja del Spim [4, 10] radica en
estar basado en un procesador real. Este simulador
permite observar la evolución de la memoria y
de los registros durante la ejecución de las instrucciones. Algunas de las principales carencias de
este simulador son la ausencia de una representación
gráfica del camino de datos sobre el que se pueda
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visualizar la ejecución concreta de cada instrucción,
o la imposibilidad de observar la ejecución de una
instrucción por pasos, o ver los posibles efectos de
la segmentación sobre el mismo código. Además no
tiene un editor propio, lo que conlleva dificultades
para hacer cambios en el código y tener que cargar
el fichero después de cada cambio.
Hay otro tipo de simuladores, como el DLX [3]
o el SimuProc [1], que implementan un procesador
hipotético, es decir, su repertorio de instrucciones no
está basado en ningún procesador real.
El DLX es un simulador de un procesador segmentado que permite ver la representación de la ejecución de cada instrucción sobre el camino de datos.
Es uno de los más utilizados para docencia. Se pueden configurar las características del procesador, escogiendo entre varias técnicas de segmentación: básico, Tomasulo y Marcador. La configuración, por parte del usuario, de las características del simulador resulta poco amena y nada intuitiva. Uno de sus principales inconveniente es que no incluye una representación de la evolución del segmento de datos o de los
registros durante la ejecución del código. En su versión para Windows, WinDLX incluye una representación del valor de los registros en cada instrucción.
3. Simula3MS : Simulador Pedagógico
Simula3MS es un simulador cuya principal utilidad es su uso pedagógico por lo que el diseño y la
implementación de la herramienta ha intentado paliar
los defectos detectados en otras herramientas similares. Y aunque Simula3MS es ya un simulador útil,
aún está en desarrollo.
3.1. Características básicas
Simula3MS es un simulador de un procesador
RISC (Reduced Instruction Set Computer) [15, 12],
que implementa un subconjunto de instrucciones basadas en el repertorio de instrucciones del procesador
MIPS [12]. La elección de un procesador RISC frente a uno CISC (Complex Instruction Set Computer)
está basada en la mayor relevancia de este tipo de
arquitectura. También cabe destacar que estos procesadores presentan una estructura y un repertorio de
instrucciones fácil de comprender. Usando una ar-
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
quitectura RISC, los estudiantes aprenden los fundamentos básicos del repertorio de instrucciones y de
la programación en lenguaje ensamblador en menos
tiempo que utilizando un procesador CISC.
Simula3MS es un simulador de un procesador
configurable, que cuenta con un entorno de trabajo
sencillo que permite depurar fácilmente los programas, observar la evolución de la memoria, así como
la ejecución de las instrucciones sobre distintos caminos de datos como pueden ser monociclo, multiciclo
y segmentado. La interacción del usuario con la herramienta se hace por medio de una interfaz gráfica
implementada con Java [8, 9].
Otro punto importante consiste en poder observar la
evolución de todos estos componentes ciclo a ciclo
(incluso paso a paso en el caso del procesador multiciclo) y tener también la opción de ejecutar conjuntamente todas las instrucciones y observar únicamente
el efecto que produce la ejecución completa.
Consta de una primera parte que incluye un editor
y que permite cargar un programa ya existente en un
fichero o editarlo desde cero en la propia herramienta. En esta herramienta se analizan sintácticamente
las instrucciones antes de pasar a la ejecución de las
mismas. En esta parte también se permite escoger entre las distintas opciones disponibles para la configuración de los distintos caminos de datos.
Una vez analizadas sintácticamente las
instrucciones se puede seguir la evolución del
segmento de datos, así como de los registros y del
resto del camino de datos.
3.1.1.
Editor
La primera ventana que vemos
Simula3MS (figura 1) es un editor.
al
abrir
La parte superior de esta ventana, engloba los menús y la barra de botones típicas de un editor, con la
salvedad del menú Configuración y el botón de Error
siguiente. El menú Configuración permite elegir al
usuario entre los diferentes procesadores implementados (por defecto está seleccionado monociclo). El
botón Error siguiente se activará en el caso de que
una vez analizado el código se produzca más de un
error sintáctico. Su función es ayudar al usuario en
la corrección del código permitiendo avanzar al siguiente error de forma sencilla.
La zona central es un área de texto destinada a la
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Figura 1: Ventana del editor.
elaboración del código en lenguaje ensamblador, y la
zona inferior será utilizada para destacar los errores
que se detecten al ensamblar el código.
Los botones, Ensamblar y Ejecutar aparecen desactivados en un principio. La finalidad de Ensamblar es indicar si el código es, o no, sintácticamente
correcto; si lo es, se activará el botón Ejecutar, y si
no se mostrarán los errores en la parte inferior de la
pantalla, indicando brevemente el motivo. Al pulsar
Ejecutar se pasará a la ventana que muestra el simulador, ésta será ligeramente diferente dependiendo de
la configuración elegida.
3.1.2.
Ventana de ejecución
Esta ventana presenta pequeñas variaciones según
el tipo de camino de datos que se escoja. La figura 2
se corresponde con un procesador monociclo.
Los registros se muestran en la parte superior izquierda y están divididos en tres partes: Registros especiales (como son PC, HI, LO...), Registros generales, y los Registros de punto flotante.
En la parte superior derecha se puede ver el camino de datos correspondiente a un procesador monociclo sobre el que se representará la realización
concreta de cada instrucción. En la implementación
monociclo (figura 3.a) y segmentado (figura 3.b)
el color de esta representación dependerá del tipo de
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Figura 2: Ventana del simulador para un procesador monociclo.
la instrucción. Mientras, en el caso del multiciclo variará dependiendo de la etapa en la que nos encontremos.
La realización segmentada incluye además el
diagrama multiciclo, figura 4, que se utiliza para
dar una perspectiva general de diferentes situaciones
dentro de la segmentación. Se considera que el
tiempo avanza de izquierda a derecha, situación que
se indica con el número de ciclo en la parte superior
de la imagen, y las instrucciones se desplazan de la
parte superior a la inferior del panel.
El segmento de datos se puede dividir en dos
zonas: memoria y pila.
La memoria está dividida en dos partes, la primera
columna, cuyo valor está entre corchetes es el valor
de comienzo de la primera palabra de la línea. Las
otras cuatro columnas son los datos almacenados en
la memoria de forma consecutiva.
La pila crece hacia direcciones inferiores de
memoria. Igual que la memoria esta zona también
está dividida en dos partes, la primera columna
indica la posición del puntero de pila y las restantes
los datos.
El segmento de texto contiene una lista de
instrucciones que componen el programa a ejecutar.
Está dividido en tres columnas. En la primera
columna se indica entre corchetes la dirección de
memoria hexadecimal (PC) de la instrucción. Las
instrucciones se almacenan a partir de la dirección
0x0040000. La segunda columna es la codificación
numérica de la instrucción en hexadecimal, y
la tercera columna es la instrucción en lenguaje
ensamblador.
Aquella instrucción que esté siendo ejecutado en
ese momento aparecerá resaltada en color azul. Si se
ha insertado algún punto de ruptura (breakpoint) las
instrucciones posteriores aparecerán en gris y en cursiva.
La parte inferior de la ventana contiene los siguientes botones: Volver al editor, Ciclo anterior,
Ciclo siguiente y Ejecutar que ejecuta la totalidad
del código o hasta el punto de ruptura. Además, en
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(a)
(b)
Figura 3: Caminos de datos (a) multiciclo (b) segmentado
la configuración multiciclo aparecen habilitados los
botones de Paso siguiente y Paso anterior.
Después de estos botones hay un botón de selección (Breakpoint) que permite poner un punto de
ruptura en el código. Si se selecciona este botón se
activará el menú desplegable situado debajo de él para permitir elegir la situación del punto de ruptura entre las direcciones de las instrucciones desde la que
se está ejecutando hasta la última del código. Por último, al final de la barra hay un número que indica el
número de ciclos que han sido ejecutados hasta ese
momento.
4. Experiencia de uso
Simula3MS se ha usado durante este curso
en la asignatura Estructura de Computadores I
[7] en las titulaciones de Ingeniería Informática e
Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas en
la Universidad de A Coruña. Esta asignatura no
se imparte en Ingeniería Técnica en Informática
de Gestión. Estructura de Computadores I es
una asignatura cuatrimestral de 7,5 créditos (6
teóricos y 1,5 prácticos) que se imparte en el primer
cuatrimestre del segundo curso. Los alumnos que
llegan a esta asignatura han cursado en el segundo
cuatrimestre del primer curso la asignatura de
Tecnología de computadores donde se estudian
los circuitos lógicos básicos, tanto combinacionales
como secuenciales. En el tercer curso los alumnos
completarán sus conocimientos básicos de la arquitectura clásica con Estructura de Computadores II.
El objetivo de Estructura de Computadores I
es introducir y analizar los principios básicos de la
organización de los computadores. En esta asignatura se hace énfasis, principalmente, en los aspectos
relacionados con el procesador.
Las prácticas en esta asignatura se dividen en
sesiones de una hora semanales. Es obligatoria la
asistencia de los alumnos al 80 % de las sesiones
para poder superar la parte práctica de la asignatura.
Cada sesión está dedicada a un tema concreto,
como pueden ser los saltos condicionales, el paso
de parámetros en subrutinas, el uso de la pila,
etc. En cada una de las sesiones se entrega a los
alumnos un guión de prácticas donde se detallan las
instrucciones de la práctica y se indica claramente
el objetivo de la misma. Además, estos guiones
constan de una serie de cuestiones cortas que deben
ir respondiendo durante el desarrollo de la práctica
y entregar al profesor al finalizar la sesión. Este
método fomenta en los alumnos una actitud más
activa en el laboratorio, y permite que saquen mayor
partido de cada sesión.
La acogida por parte de los alumnos ha sido
muy buena, en especial por parte de aquellos que
ya tenían experiencia con otros simuladores de años
anteriores. Además, hemos constatado que en el
examen de prácticas han obtenido mejores resultados
que en los cursos precedentes. También hemos
involucrado de forma indirecta a los alumnos en el
494
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proceso de testeo de la herramienta, lo cual los ha
motivado de cara a su uso.
5. Conclusiones y trabajo futuro
La principal utilidad de Simula3MS es su uso pedagógico por lo que el diseño y la implementación de
la herramienta ha intentado paliar los defectos detectados en otras herramientas similares como Spim o
DLX, que se venían usando hasta ahora.
Referencias
[1] Simupro. http://www33.brinkster.com/vlaye/software/simuproc/simuproc.html.
[2] Todd M. Austin. A Hacker‘s Guide to the Simplescalar Archiecture Research Tool Set. Technical report, Intel Micro Computer Research
Labs, 1996.
[3]
Erich Boehm.
DLX Distribution
Homepage.
http://www.wuwien.ac.at/usr/h93/h9301726/dlx.html, 1996.
[4] Robert L. Britton. MIPS Assembly Languaje
Programming. Prentice Hall, 2004.
[5] Doug Burger and Todd M. Austin. The Simplescalar Tool Set, version 2.0. Technical report, Computer Science Departament, Univ. of
Wisconsin, 1997.
Figura 4: Diagrama multiciclo
Simula3MS se caracteriza por dividirse en dos
partes. La primera de ellas, novedosa con respecto a
las herramientas anteriores, se corresponde a un editor en el cual se analiza la corrección sintáctica del
programa a ejecutar. En la segunda parte se visualiza el comportamiento del procesador que el usuario
puede elegir en la configuración, y la evolución de
los registros, la pila y la memoria durante la ejecución del programa. Las novedades en esta segunda
parte son: la posibilidad de elegir el tipo de procesador, y la visualización del camino de datos y sección de control. Simula3MS permite la configuración de tres caminos diferentes: monociclo, multiciclo y segmentado.
Como trabajo futuro se aumentarán las prestaciones de Simula3MS incluyendo, por ejemplo, una
unidad de punto flotante o distintas técnicas de segmentación como los algoritmos de Tomasulo y Marcador.
La
herramienta
está
disponible para su uso libre en el enlace
http://www.des.udc.es/∼patricia/Simula3MS.htm.
[6] Raquel Concheiro. Simula3MS: Simulador de
un procesador RISC multiciclo. Proyecto Fin
de Carrera, Facultad de Informátic de la Univ.
da Coruña, 2004.
[7] Estructura
de
Computadores
http://www.des.udc.es/∼patricia/ec1.htm.
I.
[8] Cay S. Horstmann and Gary Cornell. Java
2. Características avanzadas. Prentice Hall,
2003.
[9] Cay S. Horstmann and Gary Cornell. Java 2.
Fundamentos. Prentice Hall, 2003.
[10] James R. Larus. SPIM A MIPS R2000/R3000
Simulator.
http://www.cs.wisc.edu/∼larus/spim.html.
[11] Marta Loureiro. Simula3MS: Simulador de un
procesador RISC segmentado. Proyecto Fin de
Carrera, Facultad de Informátic de la Univ. da
Coruña, 2004.
[12] David A. Patterson and John L. Hennessy. Estructura y diseño de computadores. Interficie
circuitería/programación. Reverté, S.A., 2000.
[13] Simula3MS. http://www.des.udc.es/∼patricia/Simula3MS.htm.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
[14] Fermín Sánchez. Características deseables en
un procesador pedagógico parala enseñanza básica de la arquitectura de computadores. Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática (JENUI), 2002.
[15] William Stallings. Organización y arquitectura
de computadores. Prentice Hall, 2000.
495
[16] Miguel A. Vega and Juan A. Gómez Juan
M. Sánchez. Innovación docente en la Arquitectura de Computadores mediante el uso de Simuladores. Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática (JENUI), 2000.
Guía visual y dinámica del funcionamiento de un procesador
didáctico sencillo
Jon Cortés Ayala, Txelo Ruiz Vázquez, Izaskun Etxeberria Uztarroz
Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores
Facultad de Informática, Universidad del País Vasco UPV-EHU
20018 Donostia - San Sebastián
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Resumen
En este trabajo se presenta una aplicación gráfica
cuyo objetivo es proporcionar una guía visual y
dinámica del funcionamiento, a nivel de los componentes hardware, de un procesador didáctico
muy sencillo. Dicha aplicación puede ser utilizada
tanto por el profesor en el aula, en lecciones magistrales, como por los alumnos de manera autónoma, para profundizar en la comprensión del
funcionamiento del procesador. Por ello, cuenta
con una interfaz visual atrayente y su utilización
es fácil e intuitiva. Dispone también de ayuda online para resolución de dudas.
1. Motivación
Dentro de los tópicos que habitualmente se imparten dentro de una asignatura introductoria de Arquitectura de Computadores está el de la unidad
de proceso o ruta de datos de un procesador relativamente sencillo [4] [5] [6]. La comprensión de su
funcionamiento por parte del alumnado es fundamental para la adquisición posterior de conceptos más avanzados de Arquitectura de Computadores, como puede ser la segmentación de la ruta
de datos.
En nuestra Facultad, en una asignatura introductoria de primer curso, denominada “Diseño de
Sistemas Digitales” e impartida en el primer
semestre, se presenta una versión reducida de un
procesador sencillo [1] —diseñado por miembros
de esta Facultad en base al procesador MIPS [4]—
que es utilizado en asignaturas posteriores para
introducir más conceptos de Arquitectura de Computadores. En dicha asignatura, planteada según
un enfoque bottom-up [2], inicialmente se exponen los componentes básicos de un sistema digital, trabajándose exhaustivamente tanto el análisis
como la síntesis de sistemas sencillos, y se con-
tinúa con una introducción al diseño de sistemas
síncronos con unidades de control cableadas basadas en máquinas de estados finitas (algoritmos
ASM). Como colofón de la misma, se realiza el
diseño (guiado por el profesor) de un procesador
sencillo, tipo RISC, con un reducidísimo conjunto
de instrucciones (concretamente, cuatro) y sólo
dos modos de direccionamiento: absoluto y directo de registro. Se diseñan tanto la Unidad de Proceso como la Unidad de Control cableada (mediante su especificación ASM).
El objetivo fundamental de dicho proceso de
diseño contempla dos facetas: por una parte, que
los alumnos sean capaces de analizar exhaustivamente el funcionamiento del procesador, distinguiendo todas las fases de ejecución de las instrucciones y dándose cuenta del funcionamiento
concurrente de los componentes hardware; por
otra parte, que adquieran la visión de conjunto
necesaria para deducir qué componentes habría
que añadir o modificar en la Unidad de Proceso
para poder ampliar el conjunto de instrucciones
del procesador con una instrucción determinada,
así como cuáles serían los pasos de ejecución que
debería realizar la Unidad de Control para obtener
un funcionamiento correcto de la nueva instrucción añadida. Es obvio que la segunda faceta depende de la primera: si no se alcanza un conocimiento satisfactorio del funcionamiento del procesador, difícil será modificar correctamente el diseño dado para ampliar su funcionamiento.
Para evaluar la adquisición de ambas competencias, en el examen de la asignatura se plantea
un ejercicio (habitualmente, con un peso de 2,5
puntos sobre 10) sobre el procesador sencillo, que
recoge ambas facetas de manera independiente:
por un lado, preguntas muy concisas y concretas
sobre el funcionamiento del procesador, y, por
otro, la realización de una nueva instrucción.
Dada la falta de costumbre del alumnado de
primer curso a la hora de comprender en profun-
498
Recursos docentes
didad el funcionamiento a nivel hardware de un
sistema digital de cierta complejidad, como es el
sencillo procesador diseñado, surgía el problema
de que un elevado número de alumnos no llegaba
a alcanzar el nivel mínimo deseado, lo cual era un
inconveniente en asignaturas posteriores.
Dada la amplia utilización de simuladores en
la enseñanza de materias de Arquitectura y Organización de Computadores [8] [9] [3] y las ventajas que en el proceso de enseñanza/aprendizaje
reportan [7], en el momento en que se diseñó el
procesador sencillo, se realizó también su simulador correspondiente [1]. Dicho simulador es utilizado en la asignatura de primer curso “Lenguaje
Máquina”, impartida en el segundo semestre, y es
muy adecuado para trabajar los aspectos relacionados con la programación en lenguaje ensamblador, permitiendo visualizar los resultados obtenidos en cada paso de ejecución —contenido del
conjunto de registros y de memoria principal—,
pero sin hacer hincapié en el funcionamiento del
hardware, que es el aspecto que interesa recalcar
en la asignatura de Diseño de Sistemas Digitales.
Por ello, con el objetivo de paliar las deficiencias observadas, y con la idea de obtener mejores resultados, se pensó que sería de gran ayuda
didáctica el contar con un simulador específico del
procesador sencillo, que hiciera hincapié en el
funcionamiento de los componentes hardware
(PC, IR, UAL, conjunto de registros,...) y que
presentara una interfaz gráfica “amistosa” y sencilla, de manera que pudiera ser utilizado tanto por
el profesor en el aula durante sus lecciones magistrales, como por los alumnos de manera autónoma, lo que les permitiría profundizar a su ritmo en
la comprensión del funcionamiento del procesador, sin presiones.
Al tratarse de un procesador específico, no era
viable la utilización de simuladores ya existentes,
sino que exigía el desarrollo de un simulador específico, para lo que se recurrió a plantear un proyecto fin de carrera (PFC). Dada la limitación de
tiempo, inherente al PFC, para el desarrollo de un
simulador completo, que permitiera la posibilidad
de ejecución de diferentes programas, se decidió
reducirlo, de manera que lo que se ha obtenido es
la guía visual dinámica del funcionamiento del
procesador sencillo que aquí se presenta.
2. Estructura del procesador sencillo
La unidad de proceso del procesador sencillo
(figura 1) consta de un conjunto de 32 registros de
propósito general (CR), una unidad aritméticológica sencilla (UAL), el contador de programa
(PC), el registro de instrucción (IR), y una serie de
registros y circuitería auxiliar (básicamente multiplexores). Se considera una memoria principal de
64K x 16 bits. Los datos son de 16 bits, mientras
que las instrucciones son de 32 bits (de ahí la división del registro de instrucción, IR, en dos partes, IR1 e IR2, ya que se necesitan dos lecturas en
memoria).
Figura 1. Estructura de la unidad de proceso del procesador sencillo (pantalla principal de la aplicación).
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Figura 2. Resultado de hacer zoom sobre el algoritmo de control ASM.
En la figura 2 se puede ver el algoritmo ASM
que refleja el funcionamiento de la unidad de control del procesador, tal como lo muestra el programa al hacer zoom sobre el recuadro de la parte inferior izquierda de la pantalla principal.
3.
Características de la aplicación
La aplicación se ha desarrollado en el entorno Microsoft Visual Basic 6.0, sobre una plataforma PC
y el sistema operativo Windows XP. Se puede ejecutar en plataformas PC Pentium y en los sistemas
operativos: Windows 9x, Milenium, NT 3.5 o superiores, 2000/ XP.
La pantalla principal (figura 3), permite ver el
estado de cada componente de la unidad de proceso mediante una interfaz gráfica intuitiva, proporcionando toda la información necesaria para comprender el funcionamiento de la misma: señales de
control que se activan en un momento dado; esta-
Figura 3. Evolución de la información a través de la unidad de proceso en un instante dado.
500
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Figura 4. Resultado de hacer zoom sobre la memoria principal.
do en el que se encuentra el algoritmo ASM de
control; y el camino seguido por la información al
circular entre diferentes componentes.
Dicha información se va mostrando de manera
dinámica, de forma que el usuario puede seguir intuitivamente todo el proceso de ejecución de cada
instrucción y su efecto sobre la unidad de proceso.
Además, haciendo zoom bien sobre la memoria principal o bien sobre el conjunto de registros,
se puede ver su contenido en cualquier instante de
la ejecución del programa (figuras 4 y 5).
En cuanto a su funcionamiento, se toma como
base un programa ejemplo que multiplica dos números, escrito usando únicamente las cuatro instrucciones del conjunto de instrucciones. El usuario puede elegir entre tres modos de simulación:
continua, ciclo a ciclo, o una instrucción completa. Así, puede optar por el modo de simulación
que mejor se adapta a su nivel de comprensión.
En esta línea, se ofrece la posibilidad de modificar la velocidad a la que evoluciona la información en la pantalla durante la simulación, así como
Figura 5. Resultado de hacer zoom sobre el conjunto de registros.
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detenerla, para poder analizar detenidamente el resultado de alguna de las fases de ejecución, y posteriormente continuar con la simulación.
En www.ehu.es/acwruvac/SIM/simc.htm se
puede obtener la apicación (2,72 MB).
4. Conclusión
En este trabajo se ha presentado un programa que
proporciona una guía visual dinámica de la unidad
de proceso de un procesador didáctico muy sencillo. Este programa ha sido realizado como proyecto fin de carrera por un alumno de la titulación
de Ingeniería Informática. La experiencia adquirida por el alumno al realizar esta aplicación ha sido
muy enriquecedora, ya que no sólo se ha tenido
que enfrentar al desarrollo de un programa de
cierta envergadura, sino que también ha tenido
que tener en cuenta las características de los posibles usuarios. Además, el índice de satisfacción
del alumno ha sido alto, ya que ha comprobado
que su trabajo es de utilidad para ayudar a otros
alumnos y facilitar su aprendizaje.
Por otra parte, la experiencia ha confirmado la
validez de utilizar los proyectos fin de carrera como generadores de recursos docentes ad hoc, totalmente adaptados a las necesidades concretas de
cada centro/asignatura/profesor, ya que se pueden
tener en cuenta un sinfín de particularidades; en
concreto, una de ellas es la posibilidad de que los
recursos docentes estén en los idiomas utilizados
por los alumnos (en el caso de la aplicación aquí
presentada, está en castellano y en euskara).
La aplicación se utilizó por primera vez en la
asignatura de Diseño de Sistemas Digitales durante el segundo semestre del curso 2003-04 y también en el primer semestre del curso 2004-05. El
nivel de aceptación tanto del profesorado como
del alumnado ha sido alto. Su utilización en el
aula por parte del profesor se ha revelado como
una potente ayuda de cara a la explicación detenida del funcionamiento del procesador, ya que
permite hacer hincapié en los conceptos deseados:
fases de ejecución de las instrucciones, funcionamiento concurrente de los componentes hardware, etc., pudiendo el profesor detener la simulación en cualquier instante y continuar cuando
desee. Antes de la utilización del simulador, se
recurría a la realización manual, sobre transpa-
501
rencias, de cronogramas explicativos, lo que solía
ser bastante engorroso, tanto desde el punto de
vista del profesor, como desde el de seguimiento
del alumnado.
En cuanto a resultados acerca de su influencia
en el nivel de comprensión de los alumnos medido
en una prueba objetiva, como es el examen, en
comparación con los resultados del curso anterior
cabe destacar que la nota media obtenida en el
ejercicio correspondiente ha mejorado en un 30%
aproximadamente. Por otra parte, se ha reducido
en un 15% el número de alumnos que obtenían en
dicho ejercicio una puntuación inferior a 0,5 puntos (sobre los 2,5 que vale el ejercicio).
Referencias
[1] Arbelaitz, O, Arregi, O., et alter. Nivel de lenguaje máquina: una aproximación. ATCFISS. ISBN: 84-600-9519-3, 1999.
[2] Clements, A. The Undergraduate Curriculum
in Computer Architecture. IEEE Micro Special Issue on Computer Architecture Education, Vol. 20, No. 3, pp. 13-22, May/June
2000.
[3] Djordjevic, J., et alter. An Integrated Environment for Teaching Computer Architecture.
IEEE Micro Special Issue on Computer Architecture Education, Vol. 20, No. 3, pp. 66-74,
May/June 2000.
[4] Patterson, D.A., Hennesy, J.L. Estructura y
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[5] Stallings, W. Organización y Arquitectura de
computadores, 5ª edición, Prentice Hall, 2000.
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Architecture Simulator in the Laboratory.
SIGCSE Bulletin, Vol. 22, June 1990.
[8] Wolffe, G., et alter. Teaching Computer Organization/Architecture With Limited Resources
Using Simulators. Proc. of SIGCSE 2002.
[9] Yurcik, W., et alter. A Survey of Simulators
Used in Computer Organization/Architecture
Courses. Proc. of the Summer Computer Simulation Conference (SCSC), July 2001.
JAVATRACEIT!: software didáctico de apoyo a la docencia en Java
D. Glez-Peña, F. Fdez-Riverola, J.R. Méndez
F. Díaz
Dpto. de Informática
Universidad de Vigo
32004 Ourense
Dpto. de Informática
Universidad de Valladolid
40005 Ourense
e-mail: { riverola, moncho.mendez }@uvigo.es
Resumen
El objetivo de este trabajo es dar a conocer una
nueva herramienta didáctica de apoyo a la
docencia en asignaturas con contenidos
curriculares que incluyan Java como lenguaje de
programación. En concreto, JAVATRACEIT!
proporciona un entorno integrado de desarrollo
adaptado a Java, que permite la compilación y el
análisis de código ejecutable gracias a la
implementación de un sencillo depurador y
optimizador, que permiten al alumno conocer el
estado de un programa en todo momento.
1. Introducción y motivación
En los últimos años, Java se ha convertido en uno
de los lenguajes de programación más usados por
la comunidad de desarrolladores, tanto a nivel
comercial como a nivel de software libre. Este
hecho, se ve reflejado en su inclusión formando
parte de los numerosos temarios de estudios de
informática, ya sea en el mundo universitario,
ciclos formativos de grado medio y superior,
academias, etc. Para la docencia de Java, se ha de
tener en cuenta que ningún lenguaje de
programación se escapa a la máxima de
programar se aprende programando, por lo que
son bienvenidas las herramientas que den soporte
a la enseñanza práctica de los lenguajes de
programación orientados a objetos.
JAVATRACEIT! [1] surgió como experiencia
piloto en la Escuela Superior de Ingeniería
Informática de la Universidad de Vigo [2], a partir
de la necesidad de disponer de una herramienta
gratuita, potente y de fácil manejo para el
desarrollo de programas Java por parte de los
alumnos. El proyecto, que tuvo sus inicios en el
curso académico 2002/2003, se utiliza con éxito
hoy en día en las diferentes asignaturas que
manejan conceptos de orientación a objetos y
lenguajes de programación. La idea consistió en la
construcción inicial y posterior implantación de
e-mail: [email protected]
una herramienta de depuración y optimización de
programas Java.
Los depuradores constituyen un componente
presente en la mayoría de los entornos integrados
de desarrollo (IDE), cuya misión es la de facilitar
la búsqueda de errores de programación, principal
causa de comportamientos no deseados en los
programas desarrollados. Las funcionalidades
generales que aportan los depuradores de
propósito general, y más concretamente
JAVATRACEIT!, son las siguientes:
•
•
•
Ejecución, paso a paso, de las sentencias del
programa a nivel de código fuente.
Establecimiento de puntos de ruptura
(breakpoints) en el código fuente.
Visualización y modificación de los valores
de las variables y tipos no primitivos.
Los optimizadores, también llamados profilers,
proporcionan funciones destinadas a obtener
información acerca de la ejecución de un
programa para tratar de localizar puntos críticos
donde el rendimiento no es el esperado, con la
finalidad de mejorarlo y aumentar su eficiencia.
Un ejemplo de información útil para lograr
optimizar un programa es el uso que se hace de la
memoria en un momento dado, analizando cuánta
se usa y cómo se emplea.
JAVATRACEIT! proporciona un analizador de
memoria que facilita las tareas de optimización.
Cuenta además con un editor avanzado de código
con funcionalidades como sintaxis resaltada,
numeración de línea, visualización de paréntesis,
etc. Con JAVATRACEIT! se consigue proporcionar a
los alumnos una herramienta de apoyo a la
programación que permite su iniciación y
perfeccionamiento, teniendo disponible desde un
principio los componentes más útiles de los
grandes IDE comerciales. En este sentido, un
depurador/optimizador no sólo sirve para detectar
errores, es además muy útil para comprender el
funcionamiento de cualquier lenguaje.
504
Recursos docentes
2. Arquitectura de JAVATRACEIT!
JAVATRACEIT! está implementado utilizando la
plataforma JPDA (Java Platform debugger
Architecture) [3] estructurada en tres capas:
•
JVMTI (Java Virtual Machine Tool
Interface) [4]. Especifica servicios a bajo
nivel que proporciona la JVM (Java Virtual
Machine) con el fin de ser utilizados por
módulos nativos (librerías compartidas) que
actúan a modo de cliente.
•
JDWP (Java Debug Wire Protocol). Define
un protocolo de comunicación vía sockets o
memoria compartida entre el módulo nativo
y un posible front-end.
•
JDI (Java Debug Interface). Es una API
100% Java para el desarrollo de depuradores
a modo de front-end.
Para desarrollar el depurador de JAVATRACEIT!
se ha trabajado exclusivamente a nivel de JDI
(capa superior), debido a que existe un módulo
nativo JVMTI disponible en las distribuciones del
JDK. Sin embargo, para el desarrollo del
optimizador ha sido necesario trabajar con
JVMTI, ya que JDI está orientado solamente a
depuradores, no a tareas de optimización. Es por
ello que se ha tenido que implementar un módulo
nativo ad-hoc.
En resumen, JAVATRACEIT! puede verse como
un front-end de depuración y optimización
realizado en Java. Por lo tanto, durante la
ejecución de la herramienta existen dos JVM: una
para el programa a depurar/optimizar y otra para
el propio JAVATRACEIT!. Los detalles de bajo nivel
de la herramienta pueden consultarse en [5-6].
3. Utilización de JAVATRACEIT!
El
aspecto
que
presenta
la
Figura 1. Ventana principal de JAVATRACEIT!.
3.1. Tratamiento de ficheros fuente
Antes de poder depurar las aplicaciones de usuario
es necesario abrir sus ficheros, o al menos el
fichero que contiene el método de entrada. En este
sentido, se proporcionan una serie de utilidades
básicas para poder gestionar estos archivos. Entre
estas utilidades se encuentran: nuevo fichero,
abrir fichero, guardar, cerrar, etc. El usuario
tiene la posibilidad de tener abiertos tantos
ficheros fuente como desee. La Figura 2 muestra
el editor de código con múltiples ficheros abiertos.
Figura 2. Editor de código de JAVATRACEIT!.
ventana
de
JAVATRACEIT! es similar a la que muestran los IDE
comerciales (ver Figura 1).
JAVATRACEIT! proporciona un área de edición
de código, además de varios paneles y
herramientas para el alumno.
A continuación se describen brevemente las
funcionalidades más comunes de JAVATRACEIT!,
para su utilización por parte de un alumno de
primer curso de una titulación de ciclo corto en
informática.
3.2. Ejecución paso a paso
La depuración paso a paso permite controlar la
ejecución de un programa. Para ello, se
proporcionan tres tipos de pasos o formas de
avanzar por el código fuente en ejecución: step
over, step into y step out.
Step over es el más sencillo de todos. Cuando
se está en una situación de parada ante una línea
de código, si se solicita un step over, se tratará de
ejecutar la línea de código en su totalidad. Una
vez ejecutada, se estará en una nueva situación de
parada en la línea siguiente. Es por tanto, un salto
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
de una línea de código. La Figura 3 muestra la
ejecución de este tipo de salto.
505
llamado al actual. Es posible que no exista
ninguno más externo, por lo que step out
provocará la finalización del hilo que ejecuta
dicho método, que si es el principal, finalizará la
ejecución del programa. La Figura 5 muestra la
ejecución de este tipo de salto.
Figura 3. Step over en JAVATRACEIT!.
Step into avanza hacia el interior de la línea de
código, es decir, busca la siguiente línea de código
que se ejecuta internamente. Una sentencia puede
incluir una o varias llamadas a otros métodos. Un
step into provocará una nueva situación de parada
inmediatamente antes de ejecutar la primera línea
de código del primer método llamado en la
sentencia exterior. Si la sentencia exterior no
provoca llamadas a otros métodos, el efecto es el
mismo que un step over. La Figura 4 muestra la
ejecución de este tipo de salto.
Figura 5. Step out en JAVATRACEIT!.
3.3. Puntos de ruptura
Los puntos de ruptura o breakpoints permiten
detener la ejecución del programa en una línea de
código. Cuando se coloca un punto de ruptura, la
ejecución se detendrá cuando cualquiera de los
hilos de ejecución trate de ejecutar la sentencia
donde se ha colocado el breakpoint, provocándose
una nueva situación de parada.
JAVATRACEIT! permite colocar o descartar
puntos de ruptura tanto antes de la ejecución,
como durante ella, lo cual facilita mucho la tarea
de depuración. Los puntos de ruptura en una línea
de código se muestran en un tono rojizo, tal y
como muestra la Figura 6.
Figura 4. Step into en JAVATRACEIT!.
Step out provoca que se continúe ejecutando
el programa hasta que se salga del método actual,
es decir, se busca el retorno al método que ha
Figura 6. Punto de ruptura en JAVATRACEIT!.
506
Recursos docentes
3.4. Gestión de variables en memoria
La gestión de las variables es una tarea muy
importante en la depuración, ya que la mayoría de
los errores se descubren observando los valores
erróneos que toman las variables. Para navegar
por estructura de la memoria, JAVATRACEIT!
proporciona el árbol mostrado en la Figura 7.
Figura 8. Analizador de memoria de JAVATRACEIT!.
4. Conclusiones
Figura 7. Árbol de memoria de JAVATRACEIT!.
Cuando el programa a depurar se encuentra
detenido, se muestra su árbol de memoria. El
alumno puede navegar jerárquicamente por los
objetos que se encuentren visibles desde la
posición actual del programa. En el nivel superior
se encuentran los hilos de ejecución, dentro de
ellos, los registros de activación o pila de llamadas
a métodos y, finalmente, los objetos o variables,
que a su vez contienen más objetos hasta llegar a
los tipos de datos primitivos. Es preciso destacar
que JAVATRACEIT! también permite modificar el
valor de las variables de tipo primitivo.
3.5. El optimizador de aplicaciones
JAVATRACEIT! dispone de un analizador de
memoria para ayudar al alumno a realizar tareas
de optimización o profiling. Con el analizador de
memoria se puede ver el uso de memoria que hace
el programa a optimizar en el sentido de que se
muestra cada clase Java, el número de instancias
actual de dicha clase y los bytes que ocupa. Con
ello, se pueden detectar posibles usos innecesarios
de memoria que provocan un mal funcionamiento
de la aplicación. La Figura 8 muestra su uso.
En la presente comunicación se ha presentado una
herramienta de apoyo a la docencia en Java, uno
de los lenguajes con mayor calado en la
actualidad. Existen soluciones que en la mayoría
de los casos suponen un coste muy elevado frente
al carácter gratuito de JAVATRACEIT!, además de
ser muy pesadas y poco manejables en ambientes
docentes. Esta herramienta se encuentra
disponible para su descarga libre en la dirección
http://javatraceit.siteinteresa.com.
Referencias
[1] JAVATRACEIT!
http://javatraceit.siteinteresa.com
[2] ESEI: Escuela Superior de Ingeniería
Informática de la Universidad de Vigo.
http://www.ei.uvigo.es. 2005.
[3] Sun Microsystems. Java Platform Debugger
Architecture
(JPDA).
http://java.sun.com/products/jpda/index.jsp.
[4] Sun Microsystems. JVM Tool Interface v.1.0.
http://java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/jvmt
i/jvmti.html.
[5] Glez-Peña, D., Fdez-Riverola, F. JavaTraceIt!,
depurador y optimizador de aplicaciones
Java. I Congreso JavaHispano. 2003.
[6] Glez-Peña, D., Fdez-Riverola, F. JVMTI,
creación
avanzada
de
profilers
de
aplicaciones con la nueva API de Tiger. II
Congreso JavaHispano. 2004.
Aritmética en coma flotante y programación en ensamblador en
las prácticas de Estructura de Computadores: Control de un
simulador de radar
P.A. Castillo Valdivieso, M. García Cruz, M.G. Arenas, G. Romero, A. Prieto Espinosa
Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores
Universidad de Granada, 18071 Granada
e-mail: [email protected]
Resumen
La enseñanza del lenguaje ensamblador es
complicada debido a la dificultad que supone a los
alumnos enfrentarse a un lenguaje de bajo nivel.
La experiencia nos dice que plantear unas
prácticas atractivas al alumno les hace interesarse
por dicho lenguaje y por la asignatura de
Estructura de los Computadores I (en la que se
estudia, en la Universidad de Granada).
La programación de un control de radar puede
ser una práctica atractiva a los alumnos, de forma
que la programación en ensamblador resulte casi
un juego conforme mejoran la programación del
cálculo de las coordenadas.
1. Motivación
La asignatura de Estructura de los Computadores
I, en la Universidad de Granada, estudia el
lenguaje máquina, centrándose en la arquitectura
de la familia 80x86. Las prácticas de esta
asignatura se basan, principalmente, en el estudio
del lenguaje ensamblador.
A pesar de las ventajas que presenta este
lenguaje en cuanto a poder realizar programas
completamente adaptados a la máquina y por tanto
optimizados en cuanto a velocidad y utilización de
recursos [1,2], su estudio debe plantearse de forma
que sea lo más atractivo y cómodo para el alumno.
En este trabajo se presenta una herramienta
software que simula un radar que debe ser
controlado mediante un programa externo que
calcule una coordenada a partir de un ángulo y
una distancia. Esta práctica puede resultar
atractiva a los alumnos, de forma que la
programación en ensamblador sea más amena.
El radar realiza un barrido de 360 grados
detectando de cuando en cuando, de forma
aleatoria, objetivos que debemos capturar.
El programa intercepta un objetivo a partir de
la coordenada que le transmita nuestro programa
de control externo. Para ello, ambos programas se
sincronizan a través de dos ficheros de texto: el
simulador escribe el valor del ángulo y la
distancia al objeto detectado, y nuestro programa
escribe la coordenada de intercepción.
Además de la implementación de los accesos
a los ficheros y de la sincronización de los
programas, se deben realizar cálculos matemáticos
en coma flotante para el cálculo de funciones
trigonométricas. Para la práctica, el programa de
control se debe desarrollar en lenguaje
ensamblador, con objeto de que aprendan dicho
lenguaje, y la arquitectura 80x86.
El simulador ha sido desarrollado en C++,
utilizando la biblioteca de programación gráfica
gtkmm2 [3], de forma que puede ser compilado y
utilizado fácilmente, tanto en Windows como en
Linux/Unix.
El resto del artículo está estructurado como
sigue: en la siguiente sección se describe el
simulador desarrollado; en la tercera sección se
explica cómo usar el simulador en prácticas. La
cuarta sección expone diferentes formas de
calcular el seno y coseno para el cálculo de las
coordenadas a partir de la distancia y ángulo. Por
último, la quinta sección expone una serie de
conclusiones.
2. El simulador
El sistema constará de dos programas (ver las
Figuras 1 y 3): un simulador que muestra el radar
(programa gráfico, a la izquierda), y otro
programa que realiza el control del primero
508
Recursos docentes
Figura 1. Captura de pantalla bajo Windows en la que el programa-control (a la derecha) envía coordenadas al
simulador del radar (a la izquierda). En este caso, el radar muestra cinco objetivos, de los cuales el control
ha interceptado a dos (a la derecha vemos las coordenadas a las que se ordena interceptar). Conforme el
detector del radar avanza, los objetivos que quedan más lejanos van desapareciendo.
(programa que se ejecuta en modo texto en una
ventana de comandos, a la derecha).
El sistema funciona de la siguiente forma:
1. La sincronización entre el programacontrol y el simulador se hace a través de
dos ficheros (S y A).
2. El simulador inicializa la ventana, dibuja
el radar, y va haciendo avanzar el
indicador de forma constante. A cada
paso escribe en el fichero S el ángulo
actual del indicador y la distancia a un
objetivo detectado en ese momento (si no
hubiera objetivo, escribe el valor 0 como
distancia).
3. El programa-control, que estaba en un
bucle de espera hasta que hubiera datos
en el fichero S, lee los 2 valores. Se trata
de acceder al fichero en modo de texto e
ir leyendo carácter a carácter hasta
encontrar un espacio, lo que indicará que
se ha leído un número más. Seguiremos
leyendo esa línea hasta haber leído los 2
números; después se pasan esas cadenas
leídas a números enteros.
4. El control procesa esos dos valores para
calcular la coordenada cartesiana (X,Y)
donde debemos interceptar. Es posible
que en alguna ocasión (si la distancia es
0, esto es, si no hay objetivo), el control
5.
decida no actuar; en ese caso, los valores
para X e Y deben ser igual a 0. En
cualquier otro caso, las ecuaciones a
utilizar serán las siguientes:
X = 200 + distancia * cos(angulo)
Y = 200 - distancia * sen(angulo)
Una vez calculada la coordenada a
interceptar, se guardan los valores X e Y
en el fichero A (en la primera línea,
separados ambos números por un
espacio). Para ello hay que pasar a
cadena cada uno de los números, y
escribirlos en el fichero como caracteres
individuales (texto plano). Así, si la
coordenada es (45,70) se guardaría como
la secuencia de caracteres ‘4’, ’5’, ’ ‘, ’7‘,
’0‘, 13, 10 (el \n , en MSDOS, se cambia
por los dos caracteres con códigos ASCII
13 y 10).
La sincronización por ficheros hace más
fácilmente portable el sistema, y al tiempo
delimita los aspectos que el alumno debe estudiar
para hacer la práctica:
•
E/S por pantalla
•
E/S por fichero
•
Estructuras de control complejas para la
sincronización
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
509
Figura 2. Controles del simulador para iniciar o detener su funcionamiento, para reiniciarlo, obtener información sobre
la versión del programa, o para terminar su ejecución.
•
•
•
Cálculos matemáticos con números
enteros y en coma flotante
Formato IEEE-754 de representación de
números reales
Transformación de datos entre diversas
representaciones
3. ¿Cómo usar el simulador en prácticas?
Hemos desarrollado una versión del simulador
para Linux y otra para Win32, por lo que la
práctica puede plantearse en ambos sistemas
operativos.
Las versiones del simulador para los
diferentes sistemas pueden descargarse de la URL
http://atc.ugr.es/~pedro/docencia/simuladores
El programa simulador dispone de varios
botones para iniciar o detener su funcionamiento,
o reiniciarlo (ver Figura 2). Su función queda
descrita a continuación:
• “Parar” : detiene el simulador. El indicador
deja de girar y las comunicaciones se paran.
• “Continuo” : comienza el funcionamiento del
radar. El indicador irá girando, y de cuando
en cuando detectará nuevos objetivos. Las
comunicaciones se llevarán a cabo
continuamente con el programa de control.
•
•
•
“Reiniciar” : si queremos probar diferentes
programas-control, pulsaremos este botón, de
forma que se reinicie el valor del número de
objetivos y aciertos, y el indicador se sitúe en
su posición inicial.
“Ayuda” : muestra información sobre la
versión del programa simulador.
“Salir” : termina el programa.
Para sincronizar ambos programas a través
de los dos ficheros, el bucle principal del
programa-control (el programa que debemos
realizar en ensamblador) debe ser similar al
siguiente:
repetir
abrir_fichero("S")
mientras(no_hay_datos_en(“S”)){
cerrar_fichero
hacer_pausa
abrir_fichero("S")
fin_mientras
// leer los datos
angulo
= leer_del_fichero
distancia = leer_del_fichero
cerrar_fichero
//calcular coordenada
x = calcular_coord_X
y = calcular_coord_Y
//escribir en “A” la coordenada
510
Recursos docentes
abrir_fichero(“A”)
escribir_en_fichero x , y
cerrar_fichero
fin_repetir
4. Cálculo del seno y coseno
Para realizar esta práctica es imprescindible
utilizar números reales para el cálculo del seno y
del coseno de un ángulo (ver el Apéndice I para
una descripción de los cálculos en coma flotante
usando el coprocesador matemático). En cuanto
a posibles formas de calcular el seno y coseno de
un ángulo, daremos varias posibilidades.
4.1. Desarrollo en serie
Podemos calcular el seno y coseno de un ángulo
mediante los siguientes desarrollos en serie:
∞
sen( x) = ∑ (−1) n −1
n =1
∞
cos( x) = ∑ (−1)
n =1
n −1
x 2 n −1
(2n − 1)!
x 2 n−2
(2n − 2)!
Las sumatorias las haremos con t términos, tal
que la diferencia entre la suma desde 1 hasta t y
la suma desde 1 hasta t+1 sea menor que una
constante dada que determinará la precisión.
4.2. “Geometría recreativa”
La idea básica la tomamos de la página web:
http://es.geocities.com/geometriarecreativa/g
eomrecreat05.html
En ella se nos explica cómo calcular ciertas
funciones matemáticas de una forma un tanto
“manual”, sin recurrir a tablas, calculadoras, ni
nada.
Es cierto que con estos cálculos, el error
cometido puede variar y ser algo más alto que con
el método anterior, pero resulta mucho más
sencillo de programar.
La idea básica que se expone es subdividir el
primer cuadrante del círculo para ir calculando el
seno de cada ángulo simplemente sumando una
cantidad fija que podemos calcular por semejanza
de triángulos. Según se explica en la página,
podemos cometer errores de menos del 2% en el
cálculo del seno de cualquier ángulo.
Pues bien, nosotros vamos a partir de los
valores conocidos para ciertos ángulos, y vamos a
obviar el porcentaje de error cometido para
calcular los ángulos intermedios:
Sen(0)
0
Sen(15)
0,259
Sen(30)
0.5
Sen(45)
0.707
Sen(60)
0,866
Sen(75)
0,966
Sen(90)
1
Para ángulos intermedios sumaremos un valor
calculado como (sen(a2)-sen(a1))/15 de forma
que obtendremos un valor aproximado con un
error aceptablemente pequeño.
De esta forma, y a partir de estos cálculos
podemos obtener los valores correspondientes al
seno de los ángulos de los restantes cuadrantes, y
los correspondientes al coseno.
4.3. Construir la tabla completa
Una variación consiste en tener una tabla
completa (360 entradas, para los 360º) para el
cálculo del seno y otra diferente para el cálculo
del coseno. De esta forma, para cada valor del
ángulo sólo tenemos que ir a la posición de la
tabla para obtener el valor ya calculado.
En este trabajo no las vamos a poner, y de
hecho se recomienda utilizar cualquiera de los
otros métodos antes que éste.
4.4. Usar las instrucciones del coprocesador
La más rápida y sencilla de las opciones
propuestas. El Apéndice I describe la forma de
realizar cálculos en coma flotante usando el
coprocesador matemático. Las instrucciones
aritméticas que utilizaremos son las siguientes:
FCOS : calcula el coseno del valor contenido
en la cima de la pila del coprocesador. Se
supone expresado en radianes (habrá que
transformar los ángulos leídos en grados a
radianes, multiplicando por PI y dividiendo
por 180). Se sustituye la cima de la pila por el
valor calculado.
FSIN : calcula el seno del número real
contenido en la cima de la pila. Se supone
expresado en radianes. Se sustituye la cima
por el valor obtenido.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
FSINCOS : halla el seno y el coseno del
ángulo (en radianes) que hay en la cima de la
pila, y deja ambos valores en la cima y en la
siguiente posición de la pila.
5. Conclusiones
El aprendizaje del lenguaje ensamblador suele
resultar complicado a los alumnos, así como llegar
a hacerles ver la necesidad de su estudio. Sin
embargo, plantearles unas prácticas amenas y
atractivas puede motivarlos, evitando que les
resulte tan engorroso el estudio a tan bajo nivel de
la programación.
Este trabajo presenta un simulador de radar
desarrollado con esta idea. El alumno debe
desarrollar un programa de control que recibe el
valor de la distancia y ángulo del objetivo
detectado, y le envía la coordenada cartesiana del
objetivo a interceptar.
El primer año en que se ha ofertado esta
práctica varios alumnos han desarrollado
programas de control siguiendo las diferentes
opciones para el cálculo del seno y coseno. Les
resultó estimulante y motivador comprobar cómo
sus programas calculaban las coordenadas
correctamente y acertaban en los objetivos.
511
El funcionamiento de los registros internos del
coprocesador matemático es diferente al del 8086.
No existen aislados ni con nombres distintos.
Están estructurados en forma de pila cíclica de
ocho elementos. Cada elemento de la pila es de
10 bytes de longitud (80 bits), y el formato de los
datos es real temporal, de forma que el rango de
valores representable va de 3.4E-4932 hasta
1.2E4932. La representación binaria interna sigue
el formato IEEE754 [4,5].
El puntero de pila indica en todo momento
cuál es el elemento que se encuentra en la
cabecera de la pila (Stack Top). Puede valer entre
0 y 7, es decir, señala el número del elemento.
La mayor parte de las instrucciones del 8087
usan los registros de la pila. Así, las aritméticas
utilizan uno o dos operandos de la pila y el
resultado se deja también en la pila.
Todos los nombres simbólicos de las
instrucciones empiezan por F. El conjunto de
instrucciones se puede dividir en los siguientes
tipos(ver [1,2] para obtener más detalles):
•
de transferencia de datos. Sirven para mover
operandos entre los elementos de la pila y la
memoria:
FLD
cargar real en la pila
FST
almacenar real en mem.
FILD
cargar entero en la pila
FIST
almacenar entero en mem.
•
Aritméticas. Permiten hacer operaciones
aritméticas. Los operandos pueden ser
elementos de la pila o de memoria. El
resultado se almacena en la pila:
FADD
sumar reales
FIADD
sumar num. enteros
FSUB
restar num. reales
FISUB
restar num. enteros
FMUL
multiplicar reales
FIMUL
multiplicar enteros
FDIV
dividir reales
FIDIV
dividir enteros
FSQRT
raíz cuadrada
FABS
valor absoluto
•
de comparación. Sirven para comparar dos
operandos. Para analizar el contenido del
código de condición hay que transferir a
memoria la palabra de estado:
FCOM
comparar dos valores reales
FICOM
comparar dos valores enteros
Referencias
[1] RODRÍGUEZ-ROSELLÓ, M. A.: "80888086/8087. Programación ensamblador en
entorno MSDOS". Anaya Multimedia, 1993
[2] BELTRÁN DE HEREDIA, Jon: "Lenguaje
ensamblador de los 80x86" Anaya
Multimedia. Colección Guías prácticas para
programadores. ISBN: 84-7614-622-1
[3] http://gtkmm.sourceforge.net/gtkmm2
[4] STEVENSON, D.: "A Proposed Standard
for Binary Floating-Point Arithmetic: Draft
8.0 of IEEE Task P754." IEEE Comput.
14 51-62, 1981.
[5] A. Prieto Espinosa, A. Lloris Ruiz, J.C.
Torres Cantero: "INTRODUCCIóN A LA
INFORMáTICA 3ªed". Editorial McGrawHill. ISBN: 8448132173
Apéndice I. Arquitectura del coprocesador
512
Recursos docentes
FXAM
examina el tope de la pila,
para determinar si contiene un valor
normalizado, renormalizado, cero, infinito o
vacío.
•
•
•
de cálculo de funciones. Sirven para calcular
funciones trigonométricas, logarítmicas y
exponenciales:
FPTAN
tangente de un ángulo
FCOS
coseno de un ángulo
FSIN
seno de un ángulo
FSINCOS
seno y coseno de un ángulo
relativas a constantes. Sirven para cargar una
constante en la pila:
FLDZ
cargar 0.0
FLD1
cargar 1.0
FLDPI
cargar PI
de control del microprocesador. Corresponden
a actividades internas del coprocesador
(inicialización, cambiar modo de redondeo,
permitir o inhibir interrupciones, etc):
FINIT
inicializar coprocesador
FDISI
desactivar ints
FENI
activar ints
FSTSW
almacenar palabra de estado
FNOP
no operación
Las del cálculo del seno y coseno
corresponden al 80387, de forma que el 8087 no
puede ejecutarlas.
A modo de ejemplo, veamos cómo realizar
tres operaciones aritméticas sencillas y la
comparación entre dos valores. No mostraremos
todo el programa ensamblador, sino sólo las
instrucciones que usaríamos para hacer el cálculo.
fld dword [x]
; st0=x
; st0=st0*st0
fmul st0
; st0=x*x
st1=x
fld dword [y]
; st0=y
st1=x*x
; z=st0
Z = sqrt( (X-Y) / Z )
fld dword [y]
fld dword [x]
; st0=y
; st0=x
st1=y
fsubrp st1
; st0=x-y
st1=x
st2=y
fld dword [z]
; st0=z
st1=x-y
st2=x
fdivp st1
; st0=(x-y)/z
fsqrt
; st0=sqrt((x-y)/z) . . .
fistp dword [Z]
st1=z
; Z=st0
fld dword [pidiv180]
fld dword [ang]
; st0=PI/180
; st0=ang
st1=PI/180
fmul st1
; st0=a=ang*PI/180
fcos
; st0=cos(a)
fld dword [dist]
fmul st1
fistp dword [X]
st1=a
; st0=dist st1=cos(a)
; st0=dist*cos(a) st1=dist
; X=st0
Comparar X e Y
; st0= 0
; st0=y
st1=0
; st0=x st1=y st2=0
; comparer st0 con st1 (st0-st1)
fcomp st1
;cargar la palabra de estado en AX
fnstsw
st2=x
; st0=y-x*x st1=y st2=x*x
...
X = dist * cos(angulo)
fldz
fld dword [y]
fld dword [x]
Z=Y–X*X
; st0=st1-st0
fsubrp st1
fistp dword [z]
; si (st0<st1) entonces ah=???????1 (x<y)
; si (st0>st1) entonces ah=???????0 (x>y)
and ah,00000001b
jnz x_menor
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
513
…
x_menor:
Figura 3. Captura de pantalla bajo Linux en la que el programa-control (abajo a la derecha) envía coordenadas al
simulador del radar (arriba a la izquierda). En este caso, la pantalla del simulador muestra tres objetivos,
uno de los cuales ha sido interceptado.
LABNET: Laboratorio remoto para control
de procesos
Nourdine Aliane
Departamento de Arquitectura de Computadores y Arquitectura
[email protected]
Aída Martínez, Alberto Fraile, Jaime Ortiz
Área de Informática
Universidad Europea de Madrid
Resumen
alumnos realizar sus prácticas sin restricciones
de horarios y un número ilimitado de veces.
En este trabajo, se presenta una herramienta
didáctica para la realización de experimentos de
control sobre maquetas de laboratorio de forma
remota utilizando Internet. Las características
más importantes de nuestra aplicación son: el
acceso simultáneo a varias maquetas, la elección
del tipo de realimentación (local o remota), la
elección de un controlador predefinido y la
generación automática de informes.
Desde el punto de vista pedagógico, las prácticas
realizadas de forma remota ofrecen una
formación similar a las realizadas in–situ.
Finalmente, hay que resaltar que para la
formación de tipo semi-presencial o continuada,
la flexibilidad que ofrece un sistema de acceso
remoto a un laboratorio es de gran importancia.
Palabras Clave: Control Remoto, Laboratorios
Remotos, Educación, Internet
1. Introducción
Dentro de la enseñanza del control automático,
la realización de prácticas experimentales sobre
sistemas reales es de suma importancia ya que,
no solamente ayuda a los estudiantes a asimilar
los conceptos teóricos, sino también desvela
otros aspectos difíciles de abordar de forma
teórica.
Desafortunadamente, varios factores dificultan
la realización de prácticas [5] como el gran
número de alumnos, la poca capacidad de los
laboratorios, ya sea en medios o en espacio, lo
que hace imprescindible la restricción del acceso
a los laboratorios a ciertas horas prefijadas.
El acceso remoto a los laboratorios responde en
gran medida a los problemas anteriores. Por un
lado, permite incrementar el ratio de ocupación
y la posibilidad de utilizar a tiempo compartido
equipos costosos, y por otro, permite a los
La idea de compartir los equipos de un
laboratorio usando Internet con fines educativos
remonta a principio de los noventa y en el
trabajo [1] se propone un esquema básico de
acceso remoto a los sistemas de control de un
laboratorio, así como compartirlos con otras
universidades. En realidad, el artículo [2] se
considera como el primer trabajo enfocado a la
enseñanza del control automático a través de
Internet, y desde entonces, se han llevado a la
práctica varias aplicaciones relacionadas con los
laboratorios remotos. En las referencias [4, 7, 8,
9], podemos encontrar todos los aspectos más
importantes relacionados con los laboratorios
remotos.
No se deben confundir un laboratorio virtual y
un laboratorio remoto. Los laboratorios
virtuales, en su mayoría, son sistemas basados
en la simulación. En muchas ocasiones, estos
laboratorios se instalan y se ejecutan de forma
local y no requiere ningún componente externo
[12]. En otras ocasiones, la ejecución de una
simulación es remota. En este tipo de sistemas,
el funcionamiento de la aplicación requiere los
recursos de un servidor y la interacción se
realiza a través de aplicaciones Web. Estas
516
aplicaciones se conocen como laboratorios
virtuales y remotos [3].
En los laboratorios remotos, los usuarios operan
remotamente sobre ciertos dispositivos, sean
didácticos como maquetas de laboratorio o
industriales. El manejo del dispositivo puede ser
una acción remota simple como el control de
una maqueta de un tren [13], donde el control se
limita a mandar ordenes. En otros casos, La
acción puede tener una realimentación sobre el
sistema, siendo ésta local o remota como en [6],
[10] o [14]. En este caso, además de ofrecer
capacidades de laboratorio virtual, los
laboratorios requieren de servidores específicos
que gestionan no solamente los usuarios, pero
también las máquinas a tele-operar.
En la página Web de la revista “International
Journal of Engineering Education” [15], así
como la página del “Comité Español de
Automática, CEA-IFAC”, [16], podemos
acceder a varios trabajos relacionados con los
laboratorios remotos o virtuales para la
educación y directamente relacionados con las
ingenierías como la robótica, visión por
computador,
la
automatización,
la
instrumentación y el control de procesos.
Finalmente, señalamos de la existencia de una
red temática sobre laboratorios virtuales y
remotos cuyo objetivo principal es el diseño de
un portal con posibilidad de integrar varios
laboratorios virtuales y ofrecer servicios de
acceso a todo un banco de laboratorios virtuales
y remotos.
En la actualidad, pocas universidades disponen
realmente de un sistema fiable y con
funcionalidades suficientes como para llevarlo a
la práctica y satisfacer, así, todas las
motivaciones que hemos señalado al principio.
En lo que queda del artículo, explicaremos la
arquitectura y el funcionamiento de nuestro
sistema. A continuación, se comentarán las
funciones más destacadas del cliente y del
servidor.
Finalmente,
se
sacarán
las
conclusiones más importantes y se indicarán las
posibles mejoras de nuestro sistema.
Recursos docentes
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
2.1. Arquitectura del sistema
Nuestro sistema consiste en una aplicación
orientada a la realización de experimentos de
control con maquetas de laboratorio de forma
remota utilizando la red Internet (o Intranet). La
arquitectura del sistema sigue el modelo
cliente/servidor, tal y como se muestra en la
gráfica nº1.
Maquetas
Clientes
TCP/IP
Servidor
Laboratorio
Figura 1: Arquitectura del sistema
El servidor es concurrente y permite gestionar
hasta 4 un máximo de 4 maquetas controladas
desde clientes diferentes. Esta limitación es,
fundamentalmente, debida a las tarjetas de
adquisición de datos utilizadas.
2.2. Modos de control
En lo referente a los experimentos de control,
nuestro sistema nos permite dos configuraciones
básicas: El control local y el control remoto.
Control Local: En ésta configuración, el
controlador está ubicado en lado servidor, como
lo indica la figura nº2. La acción remota se
limita a la configuración de los experimentos
como la elección de la maqueta, el tipo de
controlador, y el secuenciamiento de las órdenes
como iniciar o parar un experimento.
Finalmente, el cliente puede recibir los datos del
experimento en tiempo real, o una vez finalizado
el experimento.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
517
linealidad es de 0 a 10v para las maquetas
unipolares y de -10 a 10v para las bipolares.
Figura 2: Realimentación local
3. LA HERRAMIENTA LABNET
Control Remoto: En esta modalidad, el
controlador está ubicado en lado del cliente tal y
como lo indica la figura nº3. La realimentación
se hace a través de la Internet. La inyección de
los retardos de transmisión en el lazo de control
afecta seriamente al comportamiento global del
sistema. Estos retardos dependen de varios
factores como: el protocolo utilizado (TCP,
UDP), el medio utilizado para la transmisión de
datos (el cable o la red inalámbrica), el tráfico en
la red en el momento del experimento, etc.
Figura 3: Realimentación Remota.
2.3. Los controladores
En el control propiamente dicho, nuestro sistema
cuenta con una serie de controladores
predefinidos. Estos son:
•
PID teórico,
•
PI-D filtrado
•
PID con Anti-Windup.
Estos tres controladores predefinidos son las
más utilizadas en la industria y representan más
del 95% de los controladores industriales.
2.4. Maquetas utilizadas
Nuestro sistema utiliza tres tipos de maquetas
didácticas: una maqueta para el control de nivel,
otra para el control de temperatura y un sistema
de estabilización de barcos. En la figura nº4,
podemos ver unas fotografías de las maquetas.
En la Web de nuestro laboratorio [11], se
pueden ver las características principales y el
funcionamiento de cada una de las maquetas.
Las tres maquetas admiten entradas y salidas
normalizadas en voltajes y su rango de
Figura nº 4: Las maquetas de nivel, temperatura y
estabilizador de barcos.
La herramienta LABNET se articula en 2 partes:
el cliente y el servidor. En este apartado
explicaremos las funcionalidades más
destacadas de ambas partes.
518
Recursos docentes
3.1. EL CLIENTE
La aplicación cliente es el punto de entrada al
sistema LABNET. Los usuarios se conectan al
sistema con un usuario y de una password. El
usuario tiene acceso a los servicios del sistema
navegando por el sistema de menús.
Figura 6: Elección del tipo de controlador
3.1.2
Visualización de datos e informes
Para visualizar los datos de los experimentos, el
cliente dispone de una herramienta con las
siguientes funcionalidades:
Visualización grafica: Esta opción, nos permite
visualizar los datos de las variables elegidas
como la salida del sistema, la señal de control,
etc.
Figura 5: Entorno GUI del cliente LABNET
La figura nº5 muestra el entorno GUI del cliente
LABNET. Las funcionalidades más destacadas
del cliente son:
•
Configuración de un experimento
•
Visualización de datos e informes
•
Gestor de plantillas
Todas las ventanas del sistema tienen asociadas
una ayuda breve y explicativa del elemento que
se está configurando en cada momento.
3.1.1
Exportación de los datos: Una vez finalizado el
experimento, podemos exportar los datos a
formatos más conocidos como (Excel, Matlab,
html, jpeg, etc).
Generador de informes: Esta opción crea un
documento de texto con los datos del usuario,
los parámetros de configuración y una serie de
enlaces a todos los archivos generados por el
experimento. En la figura nº 7, podemos ver el
modelo de un informe generado por el cliente
LABNET.
Configuración de un experimento
Una vez ingresado en el sistema LABNET, el
cliente puede activar las opciones que
corresponden al experimento que se desee
realizar. Las opciones más destacadas son:
•
•
•
•
Elección de una maqueta
El tipo de control (local o remoto)
Elección de la señal de referencia
Elección de un PID (El teórico, con Dfiltrada o con Antiwindup) y sus
diversos parámetros
En la figura nº 6 se puede ver el menú
correspondiente a la elección de un controlador.
Figura 7: Ejemplo de informe generado
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
3.1.3
Gestor de plantillas
El gestor de plantillas es una herramienta que
consiste en guardar los datos de un experimento
en un archivo plano. La carga de la plantilla de
un experimento nos permite lanzarlo a ejecución
de forma inmediata. Las plantillas de se pueden
editar y modificar utilizando un editor de texto.
519
La administración de las maquetas consiste en
establecer la correspondencia exacta entre las
maquetas reales y sus equivalentes virtuales
definidas en el servidor, así como la
especificación de los driver´s de las tarjetas de
adquisición de datos.
La figura nº9 nos muestra la ventana
correspondiente a la administración de las
maquetas.
3.2. EL SERVIDOR
El servidor constituye un puente entre los
clientes y las maquetas del laboratorio. Con su
entorno GUI, el administrador puede acceder a
todas las utilidades de administración de forma
sencilla. Las funciones más desatacadas son:
•
•
•
•
Administración de usuarios.
Administración de las maquetas
Administración de los experimentos
Administración de las conexiones
La figura nº8 nos muestra el aspecto del servidor
Figura 9: Administrador de las maquetas
El servidor lleva un modelo virtual de cada
maqueta y tiene definidos varios modelos. El
administrador decide que maquetas conectar al
sistema, realizando la correspondencia exacta
entre las entradas-salida del modelos virtual y la
maqueta real.
El sistema lleva la cuenta de las maquetas
activadas y los clientes disponen de esta
información justo al acceder al sistema.
3.2.3
Figura 8: El servidor LABNET
3.2.1
Administración de las maquetas
Nuestro laboratorio cuenta con 9 maquetas y el
sistema LABNET sólo puede gestionar un
máximo de 4 maquetas.
Administración de los experimentos
En la opción experimentos, el servidor nos
muestra toda la información relativa a los
experimentos activados en cada momento.
La información consiste en un registro de datos
que identifican el usuario, la maqueta utilizada,
el controlador utilizado, las señales utilizadas,
520
Recursos docentes
los diversos
experimento.
parámetros
y
tiempos
del
La figura nº10 nos muestra la utilidad de
administración de los experimentos.
4. CONSIDERACIONES SOBRE LA
IMPLEMENTACIÓN
El servidor se ejecuta sobre un PC Pentium-III
con Windows 2000 y alberga 2 tarjetas de
adquisición de datos PCLAB-816 para bus ISA
de Advantech.
La gestión del tiempo se hace mediante el reloj
multimedia de Windows. Es un reloj bastante
preciso para periodos de muestreo mayores de 5
milisegundos. Un estudio estadístico del error,
realizado sobre un solo temporizador nos
muestra un error del 0,2% con una desviación
estándar del orden de 0,05%.
Toda la implementación del sistema se ha
codificado en Builder C++ y la concurrencia se
ha llevado a cabo mediante los hilos de la API
Win32.
5. EXPERIMENTOS Y PRUEBAS
Durante la fase de desarrollo, hemos realizado
varias pruebas parciales. Las más importantes
son las pruebas sobre el reloj multimedia, el
generador de señales, las pruebas sobre los
controladores y finalmente los retardos debidos
a la red
El temporizador
Figura 10: Administración de los experimentos
Las pruebas realizadas sobre el reloj de windows
son de tipo estadístico y son diseñadas para
evaluar la robustez y la regularidad de los
temporizadores. La prueba consiste en
programar un temporizador periódico que
ejecute una rutina cada periodo de muestreo.
Esta misma prueba se realiza un número elevado
de veces y se comparan los tiempos exactos de
los experimentos con los tiempos esperados.
Para simplificar la configuración del sistema, se
han definido modelos virtuales de entrada-salida
de todas las maquetas utilizadas. Estos modelos
virtuales guardan la información como la
polaridad de las señales de control y de salida,
sus escalas, rangos, etc. El administrador solo
tiene que realizar un cableado entre las maquetas
virtuales y las reales sin preocuparse de los
detalles de ganancias de las tarjetas de
adquisición de datos.
Para periodos de muestreo del rango 5…50
milisegundos, y realizando la misma prueba
6000 veces, se ha obtenido un promedio de error
del 0,2% y con una desviación estándar del
orden de 0,05%. Esta prueba ha sido realizada
solo para un temporizador y conviene
generalizarla a varios temporizadores.
En cuanto a la implementación digital de los
controladores PID, se ha utilizando un diseño
basado en la conversión del diseño analógico
utilizando la aproximación de Tustin. El modulo
de los controladores está tanto en el cliente
como en el servidor.
Para comprobar el buen funcionamiento del
generador de señales, se ha diseñado un plan de
pruebas el cual consiste en generar una señal
especificando los parámetros de amplitud y
frecuencia, a continuación sacarla por un por un
canal de salida de la tarjeta de adquisición. Esta
misma señal se captura y se procesa con
Matlab/Simulink. Esta prueba nos permite no
El generador de señales
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
solamente comprobar la onda de la señal, sino su
generación en el tiempo.
Los controladores
Las pruebas realizadas sobre los controladores
son en lazo cerrado y en modo local. La prueba
consiste en consiste en comparar las señales de
control de PID implementado y del mismo PID,
pero implementado en el Matlab/Simulink, pero
tiene como entradas las mismas señales
generadas por el sistema LABNET.
La figura nº11 muestra el aspecto de la respuesta
de la maqueta de temperatura ante un escalón y
controlada con un PID con D-filtrada.
Figura 11: La respuesta de la maqueta de temperatura
controlada con un PI-D-filtrada
El control remoto
En el caso de ejecución del algoritmo de control
en la parte cliente, hemos evaluado los retardos
que se añaden en la transmisión por la red
dependiendo del tipo de conexión (cable o
inalámbrica).
Tiendo en cuenta las condiciones experimentales
(con poco tráfico en la LAN de nuestro
Campus), hemos observado, en promedio, que
por el cable tenemos un retardo que en todos los
casos es menor de 1 milisegundo, mientras este
se dispara hasta casi 42 milisegundos en el caso
del acceso inalámbrico.
El efecto de los retardo sobre la calidad del
control remoto es mínimo en el caso del cable,
ya que las maquetas que estamos utilizando son
sistemas lentos. Esto nos permite utilizar
periodos de muestreo algo más elevados. En el
caso de la red inalámbrica, el retardo es algo
elevado, pero aun así, podemos elegir periodos
521
de muestreo más elevados ya que son sistemas
lentos.
En todo caso, estamos añadiendo un retardo de 1
periodo de muestreo que es inherente a la
implementación de un control digital.
6. CONCLUSIONES
En este artículo, en un primer lugar, se han
presentado los trabajos más importantes en los
últimos años en el diseño de plataformas para el
acceso a los laboratorios remotos. A
continuación, se ha presentado nuestro sistema
dando sus funcionalidades más importantes.
Nuestro sistema presenta ventajas en varios
aspectos, en comparación con otros sistemas,
como la posibilidad de controlar varias maquetas
de forma concurrente, la posibilidad de
experimentar una acción de control local o
remoto, la generación de informes o la
reutilización de plantillas. Estos aspectos hacen
que nuestra aplicación sea funcional y
productiva.
Sin embargo, pensamos que sistema LABNET
es mejorable, en los siguientes aspectos: la
posibilidad de cambio de los parámetros del
regulador en tiempo real, la posibilidad de
edición de las leyes de control, su descarga al
servidor, la posibilidad de incrementar el
número de maquetas de forma independiente del
hardware.
Referencias
[1] Aburdene, M. F., Mastascusa, et all “A
proposal for a remotely shared control
systems laboratory”, Proceedings of the
ASEE 1991 Frontiers in Education
Conference, Session 24A3, 1991, pp. 589592.
[2]
Aktan, B, C.A. Bohus, “Distance
Learning Applied to Control Engineering
Laboratories”. IEEE Transactions on
Education”, 1996 Vol 39(3), pp 320-326.
[3 ] J. Albino Méndez Pérez et all,
Controlweb: una herramienta para el
análisis y simulación de sistemas de
522
Recursos docentes
control en internet.
automática, Léon
[4]
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Control Systems Lab, The University of
Tennessee at Chattanooga:
Laboratory”. IEEE Control Systems
Magazine, October 1999, pp 19-34.
[9]
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ontrolslab.html
[5]
Daniel
Gasa
Fonollosa,
et
all,
”Laboratorio remoto de automática:
plantas de variable discreta”
XXIII
jornadas de automática, Leon.
[6]
Garcia, R. Murillo et all “Real-time
Remote Network Control of an Inverted
Pendulum
Using
ST-RTL”,
32nd
ASEE/IEEE Frontiers in Education
Conference, Boston, MA
[7]
Henry, J. (1996). “Controls Laboratory
Teaching via the World Wide Web”. In:
Proceedings of the ASEE Annual
Conference. Washington, USA, Session
3513
[8]
Jamahl W. Overstreet & Anthony Tzes
(1999) “Real-Time Control Engineering
Johansson, M., Gäfvert, M. and Åström,
K.J. “Interactive Tools for education in
Automatic Contro”, IEEE Control Systems
Magazine, June. 1998
[10] J. Sánchez and F. Morilla S. Dormido
“Teleoperation of an inverted pendulum
through the world wide Web“ in workshop
on internet based control education.
ibce’01, pages 12–14, madrid, Spain, 2001.
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
www.esi.uem.es/laboratorios
http://control.ee.ethz.ch/~hybrid/tts/
http://rr.informatik.tu-freiberg.de/
http://www.ewh.ieee.org/soc/es/1999
http://www.ijee.dit.ie/specialissues/
http://www.cea-ifac.es/wwwgrupos/
http://msdn.microsoft.com/library/
Empleo de Laboratorios Virtuales en el Espacio Europeo de Enseñanza
Lenin Lemus1, Alberto Llorens1, Mª. Belén Bollo1, José Manuel Gómez2
1
Dpto. de Informática de Sistemas y Computadores
2
Dpto. de Sistemas Informáticos y Computación
Universidad Politécnica de Valencia
46022 Valencia
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumen
Desde hace dos años, la Universidad Politécnica
de Valencia (UPV) está potenciando el desarrollo
de “Proyectos de Adaptación al Espacio Europeo
de Educación Superior” (PAEEES). Bajo este
marco de trabajo, un grupo de profesores creó en
el año 2004 el grupo de trabajo “Nuevas
Tecnologías para el Aprendizaje Activo” (NTA2).
Por otro lado, los laboratorios virtuales son una
excelente herramienta para cumplir con algunos
de los objetivos del Espacio Europeo de
Enseñanza Superior (EEES).
En esta ponencia se presentan los objetivos del
grupo NTA2. A continuación, se describen los
objetivos de un proyecto PAEEES propuesto por
el grupo NTA2 y finalmente se describe con
detalle una de las seis acciones que componen al
proyecto PAEEES, en concreto nos referimos a la
acción especial Laboratorios Virtuales.
1. Introducción
Desde hace dos años, la Universidad Politécnica
de Valencia (UPV), dentro del marco de
Integración en el EEES (“Espacio Europeo de la
Enseñanza Superior”), ha potenciando la creación
de grupos de trabajo encaminados a la mejora de
la calidad de las asignaturas impartidas en su seno.
En el año 2004, se crea el grupo de Innovación
Educativa NTA2 (“Nuevas Tecnologías para el
Aprendizaje Activo”), el cual pretende revisar y
aplicar aquellas innovaciones tecnológicas que
contribuyan a la convergencia hacia dicho Espacio
Europeo derivado de la Declaración de Bolonia.
Para este fin, el grupo NTA2 propuso llevar a
cabo un PAEEES (“Proyecto de Adaptación al
Espacio Europeo de Educación Superior”) en
donde los objetivos que se persiguen son tres:
1. Revisar y establecer un catálogo de los
trabajos relacionados con la aplicación de las
TIC (“Tecnologías de la Información y la
Comunicación”) en el ámbito educativo de la
UPV, tanto a nivel de ponencias o
publicaciones como de proyectos y
herramientas desarrolladas.
2. Estudiar y analizar la viabilidad de aplicar
dichas tecnologías para dar soporte a
metodologías de tipo activo, en diversos
contextos tales como la docencia presencial, el
aprendizaje a distancia o el trabajo en grupo, y
teniendo en cuenta aspectos como los sistemas
de evaluación, la realización de actividades
prácticas, la gestión de proyectos o la
resolución de problemas.
3. Realizar casos prácticos en asignaturas
correspondientes a titulaciones de la UPV
donde se primará el aprendizaje activo entre
los alumnos que cursen dichas asignaturas.
Para ello se utilizarán tecnologías como
campus virtuales, acceso a laboratorios
remotos, herramientas de evaluación, tutores
inteligentes, libros electrónicos, entornos
colaborativos, dispositivos móviles.
Por tal motivo se han creado seis acciones:
1. Docencia presencial.
2. Evaluación.
3. Aprendizaje Colaborativo.
4. Laboratorios Remotos.
5. Laboratorios Virtuales.
6. Gestión de Proyectos.
En esta ponencia se presentan los resultados
de la acción correspondiente a Laboratorios
Virtuales.
La ponencia está estructurada de la siguiente
forma:
•
En la sección dos, se presenta la motivación
por la cual aparecen los laboratorios
virtuales y se propone una definición del
concepto “Laboratorio Virtual”. Ya al final
del presente documento, en el Apéndice A,
se facilita una revisión histórica de los
524
•
Recursos docentes
acontecimientos más importantes sucedidos
en el ámbito de los laboratorios virtuales.
En la tercera sección se presentan los
criterios para establecer un catálogo de los
laboratorios virtuales disponibles. Este
apartado también se dedica al material
didáctico que se presenta para que sea
utilizado en las asignaturas de la UPV.
2. Laboratorios virtuales
En esta sección se define el término que en el
proyecto PAEES NTA2 se le ha dado a
“Laboratorio Virtual”. Cabe destacar, que algo tan
trivial como presentar una definición no ha sido
fácil, debido a que sus características han ido
evolucionando de la mano de Internet, de manera
que la idea de laboratorio virtual puede variar
dependiendo del entorno en el cual se utilice.
Para llegar a esta definición, primero se
establecen la motivación de los laboratorios
virtuales, a continuación, se presentan las
características aceptadas por la comunidad
educativa para un laboratorio virtual y finalmente
se presenta nuestra definición, que de ninguna
manera trata de ser la única aceptable en las
comunidades científica o educativa.
2.1. Motivación
En la sociedad moderna en la que nos
encontramos, la educación a distancia requiere de
sistemas de enseñanza más flexibles, accesibles y
adaptativos.
Hasta hace unos años, el modelo educativo de
educación a distancia se basó fundamentalmente
en las tutorías por teléfono o en el correo
ordinario. Actualmente, las nuevas tecnologías
ofrecen:
•
Los sistemas hipermedia como forma de
estructurar la información
•
E Internet como soporte de dicha
información [1].
A pesar de que estas dos herramientas, pueden
ser suficientes, para la creación de sistemas de
apoyo al aprendizaje de materias dotadas de una
componente práctica no muy fuerte, la enseñanza
de asignaturas tales como: el control automático,
la arquitectura y tecnología de computadores, la
física, etc., requiere de algo más. De un elemento
que permita al estudiante poner en práctica todos
los conocimientos que vaya adquiriendo a lo largo
del estudio de la materia y, esto, en algunos casos,
requiere de la manipulación de equipo sofisticado.
En las enseñanzas tradicionales, este papel lo
desempeñan las prácticas realizadas en los
laboratorios. Tradicionalmente, este tipo de
prácticas fueron pensadas para contar con la
presencia física tanto del estudiante como del
profesor.
El poder trasladar este entorno práctico a la
enseñanza a distancia, requiere de la existencia de
un sistema de apoyo: un laboratorio virtual.
2.2. Definición
En el apéndice A, se proporciona una revisión
histórica de la evolución del concepto de
laboratorio virtual.
A partir de esta evolución, se puede ver que
algunos autores conciben un laboratorio virtual
como un programa de simulación [8]. Otros,
consideran que un laboratorio virtual se encarga
del control remoto de la instrumentación.
Por otro lado, en el artículo [10] publicado en
1995 “The Virtual Laboratory: Using Networks to
enable
Widely
Distributed
Collaboratory
Science”, los autores, establecen que un
laboratorio virtual debe cumplir con los siguientes
requisitos:
• Control remoto y monitorización de los
experimentos.
• Comunicaciones multimedia entre los
investigadores, a ser posible en multicast.
• Un cuaderno de notas digital con todas las
facilidades para introducción de datos,
ficheros, figuras, búsquedas, etc.
• Gestión de los recursos, para decidir
adecuadamente que usuario o usuarios puede
acceder a cada uno de los experimentos
disponibles.
• Seguridad tanto en el aspecto de permitir y
denegar acceso como en los recursos para
gestionar posibles fallos del sistema.
• Diversos tipos de comunicación: Voz, imagen,
datos, resultado de experimentos, estado de
los experimentos.
• Ancho de banda: Adecuado para permitir las
distintas comunicaciones de datos científicos
como de imágenes o vídeo.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
Si analizamos estas características, podemos
encontrar
muchas
similitudes
con
las
funcionalidades básicas de un sistema de gestión
de contenidos (CMS: Content Managent System).
De hecho, en el artículo “Introducción a los
Sistemas de Gestión de Contenidos (CMS) de
código abierto” [18] se explica que los CMS
proporcionan un entorno que posibilita la
actualización, mantenimiento y ampliación de la
Web con la colaboración de múltiples usuarios. Y
como sabemos, en cualquier entorno virtual ésta
es una característica importante, que además
puede ayudar a crear una comunidad cohesionada
que participe más de forma conjunta.
El grupo de trabajo NTA2 ha tomado en
cuenta esto y de hecho se estudian en profundidad
los entornos para la gestión de proyectos y el
aprendizaje colaborativo.
Por lo tanto, en nuestro caso concreto
definiremos a un “Laboratorio Virtual” de la
siguiente forma:
1. El objetivo primario de un “Laboratorio
Virtual” debe ser el de proporcionar una
experiencia similar a la obtenida en un
laboratorio de prácticas.
2. Un “Laboratorio Virtual” es un conjunto de
recursos compartidos en la red con el fin de
que los usuarios puedan poner en práctica los
conocimientos teóricos adquiridos. Por lo que
es recomendable que posea recursos para:
• La simulación de sistemas.
• El control remoto de sistemas.
• La monitorización de los experimentos vía
WEB.
• La gestión de dichos recursos.
3. La gestión de estos recursos es recomendable
que se realice mediante un CMS, el cual debe
proporcionar mecanismos para:
• Dar de alta a los usuarios de los recursos y
agruparlos
(investigadores,
alumnos
profesores).
• La creación de experimentos.
• Control
y
monitorización
de
experimentos.
• Comunicaciones multimedia entre los
investigadores.
• Un cuaderno de notas digital.
• Gestión de los recursos.
• Seguridad.
• Diversos tipos de comunicación.
525
• El mayor ancho de banda posible
4. Mecanismos para evaluar el aprendizaje de los
usuarios, con el fin de validar el objetivo
primario:
”Proporcionar una experiencia similar a la
obtenida en un laboratorio de prácticas”.
3. Trabajo realizado en la acción
“Laboratorios Virtuales”
En el proyecto PAEES, se acordó que cada acción
realizara, como mínimo, los siguientes puntos:
1. Revisar y establecer un catálogo de los
trabajos relacionados con la aplicación de las
TIC.
2. Estudiar y analizar la viabilidad de aplicar
dichas tecnologías para dar soporte a
metodologías de tipo activo.
3. Realizar casos prácticos en asignaturas
correspondientes a titulaciones de la UPV.
En lo referente al punto número uno, se han
realizado dos acciones:
•
Recopilación de los enlaces a laboratorios
virtuales que se proporcionan en Internet.
(ver sección 3.1).
•
El desarrollo un conjunto de herramientas
software para gestionar los enlaces. (Ver
sección 3.2).
En lo referente al punto número dos, se observó
que mediante la utilización de un CMS y la
creación de recursos didácticos era factible
desarrollar laboratorios virtuales.
Así pues, se han desarrollado dos recursos
virtuales:
•
Un osciloscopio Virtual.
•
Un generador de Funciones.
Estos recursos didácticos están disponibles a toda
la comunidad bajo licencia GPL.
En la sección 3.3 se presenta el osciloscopio
Virtual.
Finalmente, en lo que respecta al punto número 3,
se está desarrollando un “Laboratorio Virtual”
para la práctica de experiencias de Física. Este
laboratorio está basado en los recursos didácticos
del osciloscopio Virtual y del generador de
funciones. Se está utilizando en la asignatura
“Fundamentos Físicos de la Informática”
impartida en las titulaciones ITIS e ITIG de la
UPV.
526
3.1. Revisión y Catalogación
En primer lugar, se realizó una recopilación de
los enlaces a Laboratorios Virtuales que se
encuentran en Internet. En paralelo, se diseñó un
catálogo de esos enlaces mediante la creación de
una base de datos, en la cual se almacenan las
características más importantes relativas a cada
uno de los enlaces, como por ejemplo: título del
laboratorio, descripción, tecnología empleada,
universidad que lo desarrolla, etc.
Actualmente se tiene una base de datos con
alrededor de 200 enlaces a Laboratorios Virtuales
existentes en la red.
Ésta y otra información está disponible a la
comunidad
a
través
del
servidor
http://didas.disca.upv.es:8080/portal_recursos
Para la catalogación de dichos enlaces fue
necesario utilizar estándares de clasificación de
las áreas del conocimiento. En nuestro caso
particular, hemos utilizado la nomenclatura
internacional de la UNESCO para los campos de
la Ciencia y la Tecnología disponible en
http://www.cica.es/aliens/otrius/otrius/CodUnesco
/List_CodUnesco.htm. Con esto, se ha creado una
base de datos con los códigos que dicha
organización establece actualmente para las áreas
científicas de ciencia y tecnología.
Adicionalmente se han implementado una
serie de herramientas que nos permitirán mantener
esas bases de datos de una manera más cómoda y
sencilla.
Recursos docentes
esos registros en una base de datos Access y,
al mismo tiempo, estructurar toda esa
información en XML creando una serie de
archivos XML clasificados por campos
científicos. De esta manera, tenemos la
oportunidad de guardar dos orígenes de datos
estructurados para la obtención de dichos
códigos.
• Para el mantenimiento de la base de datos de
enlaces a Laboratorios Virtuales se ha
implementado otra herramienta que nos
permite, mediante una interfaz más agradable,
poder llevar a cabo esta tarea de una manera
cómoda y sencilla.
Con ayuda de la tecnología .NET se han
desarrollado aplicaciones Web en ASP .NET,
mediante las cuales se hace más visible el
mantenimiento de la base de datos de enlaces a
Laboratorios Virtuales. Estas herramientas
permiten vía Web, modificar los enlaces
almacenados en la base de datos y/o dar de alta los
nuevos enlaces que aparezcan en Internet para
continuar, de esta forma, nuestra recopilación de
los trabajos relativos a laboratorios virtuales.
3.3. Material didáctico para las asignaturas de
la UPV
Para crear un laboratorio virtual, se propone la
utilización de un CMS que se encargue de
gestionar: la creación de usuarios, la realización
de experimentos y el acceso al material. En
nuestro caso proponemos utilizar el CMS Plone.
http://plone.org
3.2. Herramientas software
Para el mantenimiento de las bases de datos se han
implementado dos herramientas con el objetivo de
facilitar la realización de esta tarea a aquellos
encargados de llevarla a cabo tanto actualmente,
como en el futuro.
Distinguimos las herramientas en dos puntos
relativos a cada una de las bases de datos que
hemos creado. Así pues tenemos que:
• Para la creación de la base de datos de los
códigos
UNESCO,
y
puesto
que
previsiblemente se trataba de una base de
datos extensa (ahora con más de 2200
registros) se creó una herramienta Web en
JSP.
Esta herramienta nos permitía insertar todos
Bajo este entorno, se ha dejado disponible un
recurso didáctico que es un osciloscopio virtual.
El
Osciloscopio
Virtual
(OV)
es
fundamentalmente una herramienta didáctica,
aunque también está pensada para ser utilizada
como herramienta de trabajo. Presenta una
interfaz muy elaborada que le proporciona un
realismo asombroso (ver figura 1). Esta
característica y la gran facilidad de interacción
entre el usuario y el OV permiten estudiar y usar
este aparato con suma facilidad. Se ha buscado el
máximo parecido con un osciloscopio analógico
real aunque se le ha dotado de ciertas
características que permiten utilizarlo como
herramienta de trabajo, esto nos ha llevado a
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
incluir una versión digital del instrumento, aunque
muy simplificada.
Sus características principales son:
• Una interfaz gráfica casi idéntica a la carátula
de los osciloscopios reales de doble traza,
donde los botones se pueden pulsar, girar y
encender utilizando el ratón.
• Un método de enseñanza y evaluación
interactivos mediante tutoriales y preguntas
que pudieran ser evaluadas a posteriori por el
sistema de forma automática.
• Un buen visualizador de señales sintéticas y
reales.
• Comunicación con otras aplicaciones a través
de puertos de comunicaciones y LiveConnect.
• Interacción con un repositorio de tutoriales de
diferentes idiomas y señales.
• Posibilidad de visualizar señales reales a
través de largas distancias.
Una de las principales especificaciones del
OV es que se pudiera acceder a él desde cualquier
sitio, utilizando la Web y un simple navegador.
Así, el alumno no tendría que depender de ningún
laboratorio o máquina especial. El alumno puede
trabajar desde su casa o desde cualquier lugar con
acceso a Internet. Los Applets de Java son
programas que se pueden añadir a una página
Web para dotar al navegador de mayor
operatividad y poder realizar, de esta forma,
complejas aplicaciones. Nuestro OV es un Applet
de Java que funciona desde cualquier navegador
que soporte Java.
El OV tiene dos modalidades de trabajo: una
modalidad analógica, orientada a la enseñanza, y
otra digital, orientada a su uso práctico.
En la modalidad analógica del OV una señal
aparecerá como se mostraría dicha señal en un
osciloscopio real según la configuración
establecida de la simulación. De este modo, el
usuario puede variar la posición de cualquiera de
los mandos del instrumento y comprobar su efecto
sobre la visualización de la señal de forma
completamente interactiva. Esto puede ser
especialmente útil en los conceptos de difícil
asimilación como suelen ser los relacionados con
la etapa de disparo.
527
Para fomentar el aspecto educativo de la
herramienta se han incluido unos tutoriales que
explican con detalle el funcionamiento del
instrumento. El usuario es guiado en todo
momento por medio de unos bocadillos, tal y
como se aprecia en la Fig. 2. Los tutoriales vienen
definidos por una serie de archivos de texto que
permiten establecer diferentes configuraciones
para cada paso del tutorial y así forzar a estar en
un estado dado en algún momento del tutorial,
aunque también se puede dejar libertad al usuario
para que se vea forzado a seguir los pasos de la
explicación si quiere terminar correctamente el
tutorial.
Figura 1. Tutorial interactivo.
Una característica relevante del OV es que
permite una evaluación automática de los
conocimientos adquiridos por el alumno en el uso
del osciloscopio. Es decir, que mediante una
interfaz en LiveConnect de JavaScript se puede
hacer una pregunta al alumno a través de un
simple navegador Web para que el alumno
modifique los valores de la simulación y después
que el propio navegador, utilizando su interacción
con el simulador, pueda indicar al alumno o al
profesor de forma automática si el ejercicio se ha
realizado correctamente. Así, junto con la
pregunta, se establecerá los valores correctos que
debe tener el OV cuando se termine el ejercicio y
automáticamente el navegador preguntará al OV
si está establecido correctamente o no y así
evaluar al alumno.
En la modalidad digital el OV pasa a tener un
control más exhaustivo de la visualización de la
señal ya que, mediante una barra de
desplazamiento, se puede elegir qué porción de la
señal aparece en pantalla. Además, al contrario
que en el modelo analógico, la señal está detenida
528
Recursos docentes
en la pantalla permitiendo ampliarla, reducirla y
desplazarla verticalmente y horizontalmente.
Figura 2. Recurso didáctico, osciloscopio virtual.
Conclusiones
En esta ponencia se han presentado los resultados
obtenidos en la acción Laboratorios Virtuales del
proyecto PAEEES llevado a cabo por el grupo
NTA2. Dichos resultados son:
1. En
el
portal
del
grupo
NTA2
http://didas.disca.upv.es:8080/portal_recursos
bajo la acción “Laboratorios Virtuales” se
encuentran páginas WEB con los resultados
obtenidos.
2. Una catalogación de las URLs de laboratorios
virtuales.
3. Para la creación de nuevos laboratorios virtuales
se cuenta con la herramienta que hemos creado:
el OV, un recurso didáctico útil para aprender a
utilizar un osciloscopio.
4. El recurso didáctico está a disposición de la
comunidad bajo licencia GPL.
5. En la WEB del grupo NTA2 se encuentra un
tutorial de utilización del OV.
Durante el presente curso (2004-2005) este
recurso está siendo utilizado en la asignatura de
“Fundamentos Físicos de la Informática”.
Finalmente, los autores del artículo
encontramos útil la idea de agregar a un CMS
recursos didácticos para crear laboratorios
virtuales que faciliten la enseñanza bajo el marco
del EEES.
Apéndice A. Antecedentes Históricos de
Laboratorios Virtuales
Como hemos visto, la motivación de los
laboratorios virtuales surge, básicamente, por la
necesidad de crear sistemas de apoyo al estudiante
para sus prácticas de laboratorio con el objetivo de
optimizar el tiempo que éste emplea en la
realización de dichas prácticas. Sin embargo, el
concepto de laboratorio virtual se ha ido
extendiendo a lo largo de las últimas dos décadas.
La tesis doctoral “Modelo de referencia de
laboratorios virtuales y Aplicaciones a sistemas
de Tele-educación” [2] recoge gran parte de la
revisión histórica relativa a los laboratorios
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
virtuales y sus características principales. A
continuación, basándonos en esta tesis trataremos
de revisar las aportaciones más interesantes que
han ido apareciendo a lo largo del tiempo.
1984: Aparece el concepto de instrumento
virtual [3] como instrumento cuyas características
vienen definidas por la programación.
1992: Aparece una de las primeras referencias
a laboratorios en los que intervienen operadores a
distancia bajo el apelativo de Laboratorio
distribuido [4]. Además, aparece explícitamente el
término laboratorio virtual [5], describiendo la
programación orientada a objetos como sistema
para el desarrollo de un laboratorio de simulación.
1993: Lo más interesante a destacar es la
aparición de un nuevo concepto, que es el
colaboratorio [6].
1994: Se presenta un estudio realizado por la
Universidad de Vanderbilt en EE.UU. en el que se
desarrolla un laboratorio virtual basado en
simulación como apoyo a las prácticas
tradicionales [7] y, que concluyó, con la necesidad
de esta herramienta para aprender las habilidades
básicas y el manejo de los equipos, lo cual
optimizaba tanto el tiempo de los alumnos como
el del personal de laboratorio.
Ese mismo año aparece un artículo [8] en el
que se define explícitamente un laboratorio virtual
como un programa de simulación.
Además, cabe destacar la aparición de una
experiencia pionera en el campo del control
remoto, ya no de instrumentación sino de robots
[9] que permitía controlar remotamente un brazo
robot. Dicha experiencia puede ser considerada
actualmente un laboratorio virtual.
1995: Encontramos una descripción detallada
de los requisitos que un laboratorio virtual debe
cumplir [10], encontrando, a la vez, una serie de
similitudes con las características de otra
tecnología Web desarrollada en los últimos años.
1996: A lo largo de este año, encontramos
diversos artículos que nos van indicando
elementos necesarios para el éxito de un sistema
de educación a distancia. En estos artículos se
recalca que el aprendizaje activo es lo que debe
predominar en las prácticas y por tanto un
laboratorio que pretenda ofrecerse por control
remoto debe facilitar:
• Colaboración entre usuarios.
• Presencia activa.
529
•
Control completo sobre el entorno y libertad
para realizar lo que se desee.
1997: En la conferencia del IMTC
encontramos un repaso de normas relativas a
instrumentos virtuales [13].
Este mismo año, investigadores de la
Universidad de Illinois presentan un completo
laboratorio de instrumentación electrónica puesto
a disposición de los usuarios a través de Internet.
Este es el primer laboratorio virtual con control
remoto de instrumentación electrónica en
funcionamiento [14].
1998: Las referencias a laboratorios virtuales
incrementan su número de forma considerable.
Una de las más destacadas, es la conferencia de
IMTC y la asociada ETIMVIS’98 donde se
describe un modelo detallado de un laboratorio
virtual de simulación [15], y una propuesta de
laboratorio docente en el que los alumnos utilizan
instrumentos
virtuales
para
crear
sus
experimentos.
1999: Además de los consejos respecto al uso
del Web en clases que recoge este artículo [16] y
en el que se incluyen referencias a laboratorios
virtuales de simulación y de control remoto,
encontramos en el IMTC una detallada
especificación [17] de cómo montar un laboratorio
virtual con elementos comerciales disponibles,
junto con los requisitos básicos que debe afrontar
cualquiera que se plantee el diseño de un
laboratorio virtual.
2000: Se van sucediendo artículos en
conferencias y revistas donde se describen
distintos laboratorios virtuales y donde se va
entrando en detalle en los distintos métodos a
utilizar en el desarrollo de laboratorios virtuales y
se comentan posibles soluciones que mejoren o
aumenten el rendimiento de éstos. La idea de
utilizar la simulación como paso previo al uso de
los instrumentos permitirá que se reduzca el
tiempo necesario de uso del instrumento real y por
tanto, del recurso más costoso.
Por último, solo cabe destacar las múltiples
referencias en las que se presentan experiencias en
distintos laboratorios distribuidos de distintas
áreas experimentales que se han extendido por la
red en los últimos años y, de los cuales se ha
hecho una recopilación y catalogación en este
trabajo.
530
Recursos docentes
Referencias
[1] Sánchez, José. Dormido, Sebastián. Morilla, F.
Laboratorios virtuales y remotos para la
práctica a Distancia de la Automática.
Departamento de Informática y Automática,
UNED.
[2] Rodrigo, Vicent M. Modelo de referencia de
laboratorios virtuales y
Aplicaciones a
sistemas de Tele-educación, 2003.
What
is
Virtual
[3] Goldberg,
Harold.
Instrumentation? IEEE Instrumentation &
Measurement Magazine, 2000.
[4] Mercurio, Philip J., Elvins T.T., Young
Stephen J., Cohen, Philip S., Fall, Kevin R.,
Ellisman, Mark H. The distributed laboratory:
an interactive visualization environment for
electron microscope and 3d imaging.
Communications of the Association for
Computing Machinery, 1992.
[5] Haden, G.L. An object Oriented Modelling
and Simulation Component for Virtual
Engineering Laboratories. Proceedings of
22nd annual conference Frontiers in
Education, 1992.
[6] Cerfetal, V.G. National Collaboratories –
Applying Information
Technology
for
Scientific Research. Committee on a National
Collaboratory, National Research Council.
National Academy Press, Washington D.C.
1993.
[7] Mostermean, P.J. Donaldt, M.A.M. Campbell,
J. Olin. Burow, C. Bouw, R. Brodersen A.J.
Virtual
Engineering
Bourne
J.R.
Laboratories: Design and Experiments.
Journal of Engineering Education, 1994.
[8] Mostermean, P.J. Campbell, J. Olin. Design
and Implementation of an Electronics
Laboratory Simulator. P.J. Mostermean, J.
Olin Campbell, R. Brodersen A.J. Bourne J.R.
IEEE Transactions on Education. 1996.
[9] Goldberg, Ken. Mascha, Michael. Gentner,
Steven. Rossman, Juergen. Rothenberg, Nick.
Sutter, Carl. Wiegley, Jeff. The Mercury
project – Robotic tele-excavation. Beyond the
Web: Excavating the Real World Via Mosaic.
International WWW Conference. Chicago,
1994.
[10] Johnston, William E. Agarwal, Debora. The
Virtual Laboratory: Using Networks to enable
Widely Distributed Collaboratory Science.
Ernest Orlando Lawrence Berkeley National
Laboratory, University of California, 1995.
[11] Hernández, A.M. Benlloch, J.V., Benet, G.
Sistema de instrumentación programable
multiusuario vía red local para el desarrollo
de prácticas de laboratorio. II Congreso
TAEE ’96, Sevilla 1996.
[12] Benlloch, J.V. Lemus, L. Buendía, F. García
J.M. Bayo, J.L. Remote Data Acquisition over
the Internet. Annual Conference on Education
in Electrical and Information Engineering,
2000.
[13] Spoelder, H.J.W. Ullings, A.H. Groen, F.C.A
Virtual Instrumentation: A survey of
Standards and their Interrelation. IEEE
Instrumentation
and
Measurement
Technology Conference. Ottawa, Canada,
1997.
[14] Werges, Stephan C. Naylor, David L. A
Networked Instructional Instrumentation
Facility. Annual Meeting of the American
Society
for
Engineering
Education,
Milwaukee, 1997.
[15] Ferrero, Alessandro. Piuri, Vincenzo. A
Simulation Tool for Virtual Laboratory
Experiments in a WWW Environment. IEEE
IMTC. St. Paul, Minnesota, Mayo 1998. IEEE
Transaction
on
Instrumentation
and
Measurement, 1999.
[16] IEEE Control System Magazine. Using the
Web in Your Courses: What Can You Do?
What Should You Do?, Febrero 1999.
[17] Benetazzo, L. Bertocco, M. Ferraris, F.
Ferrero, A. Offelli, C. Parvis, M. and Piura, V.
A Web-Based Distributed Virtual Educational
laboratory. IEEE TIM, 2000.
[18] García, Xavier C. Alfonso, Julià M.
Introducción a los Sistemas de Gestión de
Contenidos (CMS) de código abierto.
Departamento de Informática y Automática,
UNED, 2004.
EIPMail: Una herramienta para la retroalimentación en
evaluación continua vía correo electrónico.
Luis Martín, Borja Monsalve y Francisco Carrero
Dpto. de Sistemas Informáticos
Escuela Superior Politécnica
Universidad Europea de Madrid
28670 Villaviciosa de Odón, Madrid
e-mail: {luis.martin, borja.monsalve, francisco.carrero}@uem.es
Resumen
La herramienta que aquí se presenta pretende
servir como sistema de apoyo a la
retroalimentación de información al alumno en
evaluación continua. Los libros Excel son un
recurso utilizado por gran parte de los docentes
para el control y seguimiento de la evaluación
continua. EIPMail (Envío de Información
Personalizada vía eMail) trabaja directamente
sobre los datos almacenados en una hoja Excel,
permitiendo la selección de los mismos y su
envío formateado en un correo electrónico a
cada alumno de forma personalizada. Este
recurso docente ha gozado de una considerable
aceptación entre el alumnado y quiere ser el
primero de un conjunto de programas de apoyo
a la docencia construidos en torno a libros
Excel.
1. Introducción
Los nuevos modelos educativos conllevan
metodologías de trabajo diferentes a las
tradicionales. En evaluación continua se
pretende premiar el esfuerzo continuado del
alumno, pudiendo tener influencia directa en la
nota final aspectos como la participación en
clase o la asistencia. Todo esto supone que el
alumno está recibiendo notas o valoraciones que
afectan a su evaluación con una frecuencia
mucho mayor que en evaluación global. La
normativa de evaluación, además, se vuelve más
compleja, lo que lleva asociado una dificultad
añadida tanto para los estudiantes como para los
profesores.
Si se pretende que el sistema de evaluación
continua funcione, la metodología de trabajo no
puede quedarse anclada en el sistema de
evaluación global. Dado que el número de
pruebas aumenta, y dado que cambia su
naturaleza, se hace necesaria una capacidad de
comunicación mayor entre el alumno y el
profesor (nótese que se habla del alumno en
singular). El requisito mínimo es establecer un
procedimiento
de
retroalimentación
de
información al alumno sobre su evaluación de
forma continuada. La frecuencia de esta
retroalimentación debe ser proporcional,
además, a la frecuencia de asignación de notas y
valoraciones en evaluación continua.
Para llevar a cabo la tarea de informar a los
alumnos sobre su evaluación de manera
periódica, en condiciones normales se hace
imprescindible que el número de alumnos en un
mismo grupo sea manejable [1]. En ocasiones la
reducción de este número de alumnos no es
viable por problemas relacionados con los
recursos (humanos o materiales) de los
departamentos, por lo que se deben idear
soluciones alternativas para poder mantener
estos esquemas de evaluación.
2. Motivación
Entre los principales objetivos de la Declaración
de Bolonia [4][5], destacan la unidad y la
cooperación. La implantación de metodologías
activas en el aula que fomenten estos principios
tiene un alto grado de importancia. Por ejemplo,
una de las técnicas que está alcanzando gran
popularidad es el Aprendizaje Cooperativo. Esta
metodología puede aplicarse a la resolución de
ejercicios prácticos en el aula: el profesor divide
la clase en grupos reducidos de alumnos, a los
cuales asigna ejercicios o problemas a resolver.
532
Para la realización de esta tarea los estudiantes
disponen de tiempo en el aula, pero la mayoría
del trabajo lo realizan los grupos de forma
autónoma fuera del horario de la asignatura.
Tras esto se procede a la corrección, donde
cualquier miembro del grupo puede ser
requerido para resolver el problema, y la
calificación obtenida es la que finalmente
reciben todos los componentes del grupo.
Toda esta metodología encaja dentro del
sistema de evaluación continua seguido en una
asignatura, donde el alumno obtiene también
una calificación a partir de los distintos
exámenes parciales que va realizando a lo largo
del curso. La nota final de la materia sería el
resultado de un reparto porcentual de los
diferentes exámenes, notas de ejercicios de
clase, notas de las prácticas de laboratorio y
asistencia a las clases que el estudiante va
obteniendo a lo largo del curso.
Para que el alumno tenga conocimiento de
su situación en la asignatura, se revela
determinante el hecho de que pueda estar al
tanto en cada momento el estado de su
evaluación. En el caso que nos ocupa, y como se
ha comentado con anterioridad, son varios los
factores que influyen en lo que se convertirá en
la calificación final del alumno. Se hace
necesario informar al estudiante acerca de sus
evoluciones (porcentaje de asistencia a clase,
notas en los ejercicios, calificaciones de las
prácticas, etc.), con una frecuencia acorde con el
ritmo de la asignatura.
El sistema de comunicación elegido ha sido
el correo electrónico. Se ha escogido este medio
por su carácter activo: el correo electrónico
permite al profesor decidir el ritmo con el que
un alumno recibe la información, viéndose así
reforzada su labor de director de la asignatura en
evaluación continua. Existen alternativas de
comunicación basadas en tecnología web [2]
que no permiten este tipo de control por parte
del profesor, ya que queda a iniciativa del
alumno la consulta de los datos. En este sentido,
cabe resaltar también la contribución motivadora
de una sabia gestión de la transmisión de
información por parte del profesor. El correo
electrónico ha sido utilizado como herramienta
de comunicación en casos anteriores [3].
Todos los alumnos de la Universidad
Europea de Madrid tienen acceso a una cuenta
que les proporciona la propia universidad. Por el
Recursos docentes
momento se plantea el objetivo de hacer llegar a
los alumnos determinada información objetiva
sobre sus progresos en la asignatura. Se ha
decidido desarrollar una aplicación que trabaja
con los datos almacenados sobre los alumnos en
una hoja Excel, y que es capaz de enviarlos por
correo electrónico de forma automática y
personalizada.
3. La asignatura
La asignatura “Estructuras de Datos y de la
Información” (en adelante EDI) es una materia
troncal, de segundo curso, impartida en las
titulaciones del área de informática de la Escuela
Superior Politécnica de la Universidad Europea
de Madrid. Originalmente tiene asignados 12
créditos en el Boletín Oficial del Estado, de los
cuales 9 son teóricos y 3 son prácticos.
En la dinámica de la materia se distinguen
claramente dos componentes: una teórica y otra
práctica. La primera de ellas se desarrolla
básicamente siguiendo una metodología de clase
magistral, que se ve complementada con la
realización de ejercicios para practicar y afianzar
los conceptos explicados. Normalmente estos
ejercicios se plantean al concluir cada tema.
Para su realización se han implantado técnicas
de aprendizaje cooperativo: los alumnos se
organizan en grupos para la realización,
corrección y calificación de los problemas. La
asistencia se considera requisito indispensable
para la evaluación continua, por lo que se aplica
un coeficiente corrector sobre la nota del alumno
dependiente de su porcentaje de faltas
injustificadas.
El apartado práctico se basa en la realización
del curso “Estructuras de Datos y Algoritmos”
de iCarnegie. Este curso, que consiste en la
realización de cuestionarios y prácticas de
programación en C++ (sobre una base teórica,
que, en este caso, encaja perfectamente con el
temario de EDI), es uno de de los diez ofertados
por esta institución asociada a la Carnegie
Mellon University. Los cursos ofertados por
iCarnegie utilizan técnicas de formación a
distancia a través de Internet.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
533
Figura 1. Ejemplo de hoja Excel.
4. Herramienta
•
4.1. Funcionamiento
EIPMail utiliza como fuente de datos ficheros
Excel donde se encuentra tabulada la información
referente a la evaluación de los alumnos (Figura
1). Para su correcto funcionamiento, los ficheros
Excel deberán estar registrados como origen de
datos ODBC.
Las funciones principales de la
herramienta son las siguientes:
•
•
•
•
•
Elegir el libro Excel que sirve como origen de
datos.
Consultar la información que se envía a los
alumnos mediante correo electrónico.
Ver la lista de direcciones obtenida tras la
consulta y seleccionar los destinatarios de los
mensajes.
Acceder a una vista previa del mensaje que le
llegará al alumno.
Enviar los mensajes de correo.
También existen opciones de configuración tales
como:
• Almacenar configuraciones de consulta
personalizadas, para su posterior reutilización.
La información guardada incluye el nombre
del fichero fuente, la hoja Excel que contiene
los datos, y los campos seleccionados.
Configurar los datos del correo electrónico del
profesor.
Como única restricción para los archivos
Excel, las hojas deberán contener los nombres de
las columnas en la primera fila, y los datos a partir
de la segunda.
Una de las prioridades en el diseño y
desarrollo de EIPMail ha sido conseguir una cierta
facilidad de uso. Se ha intentado que todas las
funcionalidades antes mencionadas se encuentren
integradas y fácilmente accesibles desde la
interfaz principal (Figura 2). El flujo normal de
utilización de la herramienta consta de los
siguientes pasos:
• Crear una nueva configuración de consulta.
• Elegir la hoja Excel que sirve como origen de
datos.
• Una vez que la herramienta muestra los
nombres de las columnas disponibles,
seleccionar aquéllas que quiere incluir en el
correo electrónico.
• Enviar los mensajes de correo. Antes de
realizar el envío, el usuario puede visualizar y
modificar la lista de direcciones, así como
acceder a una vista previa del mensaje
generado.
534
Recursos docentes
El correo electrónico generado tiene un
formato tabulado (Figura 3), facilitándose así la
comprensión de la información por parte del
receptor
Figura 2. Captura de la pantalla principal de EIPMail.
4.2. Resultados
La herramienta ha comenzado a utilizarse en el
año académico 2004/2005, con tres de los siete
grupos de la asignatura. Aunque el curso aún no
ha finalizado, se pueden realizar valoraciones
sobre su acogida entre el alumnado.
En general, los alumnos de los grupos de
prueba muestran su satisfacción ante este sistema
de envío de información personalizada. No sólo
declaran conocer mejor su situación durante el
curso, sino que además, en su opinión, tanto el
funcionamiento como la finalidad del sistema de
evaluación se entienden más claramente cuando
existe una retroalimentación adecuada. Un
elevado número de alumnos ha solicitado un
aumento en la frecuencia de envío de la
información. Esta petición puede ser abordada con
facilidad utilizando EIPMail, quedando a servicio
únicamente del criterio del profesor atender la
demanda. Todo esto, además, sirve como estímulo
para que el alumno no abandone la asignatura en
evaluación continua.
Aunque los resultados no son concluyentes
dada la altura del curso, se ha observado cómo el
nivel de participación en evaluación continua para
el presente año académico ha aumentado en
comparación con el curso 2003/2004.
5. Conclusiones y trabajos futuros
EIPMail se ha revelado como un apoyo positivo a
la docencia en evaluación continua. Se ha podido
llevar a cabo una tarea que, sin la herramienta,
hubiese supuesto una carga de trabajo
prácticamente inabordable para los profesores.
Los alumnos, por su parte, se muestran satisfechos
con la información recibida y proponen mejoras y
nuevas posibilidades. Por supuesto, la frecuencia
con la que se envía la retroalimentación queda a
elección del usuario de la herramienta.
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
Se pretende que la versión actual no sea más
que el germen de todo un sistema de herramientas
de apoyo a la evaluación en torno a los datos
almacenados en libros Excel (o cualquier otro
origen de datos de uso común). Entre los
535
principales proyectos de futuro se encuentra la
construcción de herramientas de apoyo no sólo a
la consulta, sino también a la modificación de
datos en evaluación continua (por ejemplo,
Figura 3. Ejemplo de mensaje de correo recibido.
gestión de faltas de asistencia), el posible envío de
información de apoyo al seguimiento de la
evaluación (comentarios, valoraciones, etc…) así
como de aplicaciones que faciliten la
comunicación en el sentido opuesto a EIPMail, es
decir, que posibiliten el envío de información por
parte de los alumnos al profesor.
Referencias
[1] Cernuda del Río, Agustín. Retroalimentación
a los alumnos tras los exámenes finales: Un
caso práctico. X Jornadas de Enseñanza
Universitaria de la Informática, 2004.
Alicante.
[2] Dougiamas, M. Moodle: A Free Open Source
Course Management System for Online
Learning. www.moodle.org.
[3] Huang, A. Innovative Use of Email for
Teaching. Communications of the ACM.
Noviembre de 2001, Vol. 44, Nº 11. Págs. 29
a 32.
[4] Sorbonne Joint Declaration. Joint declaration
on harmonisation of the architecture of the
European higher education system, by the four
Ministers in charge for France, Germany, Italy
and United Kingdom. Paris, the Sorbonne,
May 25, 1998.
[5] The Bologna Declaration of 19 June 1999.
Joint declaration of the European Ministers of
Education.
jsYASP: Un simulador de un procesador educativo en Javascript
Lluís Ribas Xirgo, David Rodríguez Jurado
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSE) – Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
08193 Bellaterra
e-mail: [email protected]
Resumen
Los procesadores sencillos se emplean en la
docencia de los fundamentos de los computadores
para mostrar su funcionamiento. En este trabajo se
presenta un simulador de una de estas máquinas
elementales. Se ha realizado en Javascript para
poder ser ejecutado desde cualquier plataforma sin
necesidad de instalación. Como resultado
adicional, la interfaz gráfica resulta muy simple y
amigable y, además, el simulador es de código
abierto. Con todo, el uso del simulador facilita un
modelo docente complementario al presencial que
resulta conveniente para el marco que se establece
en el nuevo espacio europeo de educación
superior.
1. Introducción
En las asignaturas que tratan de los
fundamentos de los computadores se enseña cómo
funciona un ordenador a partir de su arquitectura
básica. Así pues, un computador es una máquina
que toma datos del exterior, los procesa de
acuerdo a un programa y obtiene unos resultados.
En este modelo, el procesador dispone de una
memoria en el que se almacenan datos e
instrucciones (la llamada arquitectura de Von
Neumann) y una unidad de procesado que las
ejecuta con los datos correspondientes.
El procesador es pues, el elemento clave de
los ordenadores y el que merece una atención
especial en los programas docentes de las
asignaturas de los temas correspondientes.
Dado que el empleo de procesadores reales
(como los i808x) causa una cierta dispersión del
aprendizaje, es recomendable emplear otros de
más simples que mantengan las características
básicas de la arquitectura de los mismos. Más aun,
si se tiene en cuenta que, en la asignatura de
Fundamentos de Computadores de la titulación de
Informática de la UAB, el tiempo para la parte de
rudimentos de arquitectura es de 4,5 créditos.
Con todo, la utilización de un simulador de
una máquina elemental didáctica permite
consolidar los conocimientos logrados en las
clases teóricas, referentes a la estructura y
funcionamiento de un computador. Estos
simuladores deben de tener un manejo simple para
evitar que los estudiantes pasen más tiempo
entendiendo su uso que aprendiendo el
funcionamiento de los procesadores que simulan.
Más aun, atendiendo al hecho de que la
implantación del espacio europeo de educación
superior supondrá la revisión de los planes de
estudio y de la metodología de la enseñanza,
resulta conveniente disponer de herramientas que
permitan centrar la programación docente en el
aprendizaje del alumno.
El objetivo de este trabajo consiste en
desarrollar un simulador de una máquina
elemental que pueda ejecutarse en cualquier
plataforma y cuyo uso sea muy simple.
El procesador es el mismo que ya se utiliza en
la asignatura de Fundamentos de Computadores
desde el año 2000 [3] y la interfaz gráfica se
inspira en el simulador existente.
La independencia de plataforma supone, en la
práctica, que los estudiantes puedan desarrollar el
trabajo práctico fuera del laboratorio. Esto supone
una mayor flexibilidad tanto para ellos como para
los profesores. La simplicidad del uso permite que
el alumno se centre en el procesador. Dado que
éste último debe enfatizar los aspectos clave de la
arquitectura de los computadores, este mismo
hecho implica un aumento de la eficiencia
educativa de la herramienta.
Este artículo se organiza como sigue. En el
apartado siguiente se describen brevemente
algunos procesadores educativos y, en especial, el
empleado en nuestra universidad. A continuación
se presenta el simulador y, finalmente, se destacan
los puntos más importantes conseguidos con este
trabajo en el apartado de conclusiones.
538
Recursos docentes
2. Procesadores didácticos
Todos los procesadores de orientación didáctica se
basan en la arquitectura de Von Neumann, pues es
la empleada en la mayoría de los procesadores
actuales.
En esta arquitectura, el procesador ejecuta un
programa que se almacena en su memoria
principal. El modo de ejecución de este programa
es totalmente secuencial: la unidad central de
procesamiento (UCP) lee una instrucción de la
memoria, la ejecuta y calcula qué instrucción
deberá ejecutar a continuación. Este ciclo de
ejecución de las instrucciones del programa
almacenado en la memoria se repite
indefinidamente.
Los distintos procesadores didácticos que
existen lo desarrollan de maneras ligeramente
diferentes.
Una de las más simples es Blue [1], que tiene
un repertorio de sólo 16 instrucciones y
únicamente dispone de direccionamiento directo
para acceder a los datos de las instrucciones. Este
procesador tiene una UCP con un camino de datos
con los registros imprescindibles para la
comunicación con la memoria (MAR y MBR) y el
seguimiento del ciclo de ejecución de
instrucciones (PC e IR), así como tres registros
para datos (A, Y y Z). La memoria es de 4Kpalabras de 16 bits. La comunicación con el
exterior sólo puede hacerse mediante mapeo en
memoria de los dispositivos correspondientes.
En cambio, la máquina rudimentaria [4] es un
procesador que dispone de una memoria de 256
palabras de 16 bits, con un camino de datos que
cuenta con un banco de 8 registros. Las
Memory
instrucciones pueden acceder a sus operandos
mediante cuatro tipos de direccionamiento en
memoria distintos: inmediato, directo, indexado y
por registro. La comunicación con el exterior se
supone que se produce mediante mapeo de los
dispositivos periféricos en memoria.
Por otra parte, CODE-2 (o computador
didáctico elemental [2]) dispone de una UCP más
completa, con un camino de datos que incluye un
banco de 16 registros y una unidad aritméticológica (ALU) con las operaciones básicas. Dado
que toda la máquina es de 16 bits, la memoria
tiene un tamaño de 64Kb. Dispone de dos
instrucciones para acceder a los datos en memoria
mediante direccionamiento directo o indexado.
Así pues, se trata de un procesador que se inspira
en los de arquitectura RISC. Por otra parte,
dispone de instrucciones de llamada de funciones.
La comunicación con el exterior se realiza
mediante puertos de entrada/salida.
El procesador que se emplea en la asignatura
de Fundamentos de Computadores de nuestra
universidad es una versión algo más compleja que
Blue, pero mucho menos que CODE-2. En el
apartado siguiente se describe con un poco más de
detalle.
2.1. El procesador didáctico YASP
YASP es el acrónimo de yet another simple
processor y fue desarrollado en el Departamento
de Informática de la UAB [3] para ilustrar el
funcionamiento de un computador con
arquitectura de Von Neumann. Su camino de
datos incluye sólo los registros necesarios para
efectuar la comunicación con la memoria, el
CommUnit
MAR
BusW
(256x8)
Communication
Unit
MB
8
A
CU
Z
ALU
Control Unit
C
Arithmetic-Logic Unit
5
IR
X
ALU
microinst
BusM
PC
BusR
Figura 1. Esquema de la máquina elemental YASP
XI Jornadas de Enseñanza Universitaria de la Informática
seguimiento del ciclo de ejecución de
instrucciones y la realización de las operaciones
indicadas con un registro de propósito general, el
acumulador. (Hay otro registro auxiliar que puede
emplearse para datos.) La memoria es de 256
bytes, puesto que todos los registros son de 8 bits.
Su repertorio de instrucciones incluye las más
comunes y dispone de 4 modos de
direccionamiento: inmediato, directo, indexado e
indirecto. Este último se incluye sólo para ilustrar
su funcionamiento, aunque lo más común en
procesadores simples sería una forma indirecta
mediante registro. (En YASP no tiene sentido
hacerlo así, pues sólo dispone de dos registros
para datos.)
La comunicación con los periféricos de
entrada y/o salida se realiza mediante puertos y
líneas de petición y aceptación. Con ello, YASP
se puede ver perfectamente como un procesador
completo que puede aceptar datos del exterior y
también proporcionarle resultados.
Las líneas de petición y de aceptación
permiten ilustrar el funcionamiento de los
protocolos asíncronos de comunicación. YASP no
acepta interrupciones porque implicaría el uso de
llamadas a subrutinas, que tampoco implementa.
De todas maneras, las interrupciones pueden
emularse mediante las líneas de aceptación.
La no inclusión de instrucciones de
llamada/retorno de función se debe a que resulta
habitual que los alumnos aun no hayan adquirido
el conocimiento de estructuras de datos como la
pila, necesarias para su implementación. Además,
aumentaría mucho la complejidad de YASP.
3. Simuladores de procesadores docentes
Tal como se ha comentado en la introducción,
estos simuladores deben de tener una interfaz de
aspecto agradable y fácil de usar, y han de poder
ejecutarse sin mayor problema en distintas
plataformas.
Todos los procesadores que se han descrito en
el apartado anterior disponen de simuladores que
se ejecutan en plataformas de PC con alguna de
las versiones del sistema operativo Microsoft
Windows. Aunque no hay que olvidar que existen
diferencias entre versiones de Windows que
pueden dificultar la ejecución de algún simulador
preparado para otra distinta de la que se emplea
para su ejecución. A pesar de ser éstas las
539
plataformas de ejecución más comunes, también
hay otras que se emplean cada vez más. En
especial las derivadas de la iniciativa del software
libre o de código abierto y, claro, del Linux como
su sistema operativo.
Así pues, se plantea la necesidad de
desarrollar un simulador para un procesador
didáctico que pueda ejecutarse en varias
plataformas. Con ello se simplifica enormemente
la gestión de las versiones del propio simulador y
su instalación. Además, se consigue una
independencia de la plataforma existente en los
laboratorios que permite tanto su actualización
como que los alumnos realicen su trabajo en otros
lugares y pudiendo organizar su tiempo de forma
más adecuada a sus necesidades.
3.1. Simulador en Javascript de YASP
Con el requerimiento anterior, se pensó en
emplear Javascript para desarrollar un simulador
de la máquina elemental YASP que fuera
multiplataforma y de código abierto.
De hecho, con disponer de un navegador de
web compatible en cualquier plataforma, se podrá
ejecutar el simulador. Así pues, dado que es el
navegador el que ejecuta el simulador, éste se
convierte en una aplicación multiplataforma de
manera directa. Por otra parte, no es necesaria su
instalación, si bien es cierto que también puede
ejecutarse desde el mismo ordenador para no
depender de la conexión a la red.
El código Javascript se incluye en la página
que se descarga para ejecutar el simulador, por lo
tanto, es de código abierto y puede ser modificado
libremente por quién lo desee. Es posible añadir
nuevas opciones al simulador, como también
realizar cambios en el procesador.
Se descartaron otras tecnologías de desarrollo
de programas con tecnología de la web como
applets en Java o aplicaciones en Flash de
Macromedia porque requieren de la instalación de
la máquina virtual de Java o del plug-in de Flash,
respectivamente.
Aun así, Javascript tampoco es totalmente
independiente de plataforma, pues los distintos
navegadores que existen en el mercado no lo
implementan de igual forma. En algunos casos
hay instrucciones que solo son válidas para un
determinado navegador o métodos que funcionan
de diferente forma. Para conseguir un correcto
540
Recursos docentes
funcionamiento de jsYASP en la mayoría de
navegadores posibles, se optó por utilizar los
objetos y métodos que tienen una implementación
común. Esto hizo que en alguna ocasión hubiese
que renunciar a la eficiencia en detrimento de la
compatibilidad.
La interfaz del simulador de la máquina
elemental YASP, jsYASP, (véase la figura 2) se
ha realizado con HTML, utilizando básicamente
tablas y elementos de formulario, para conseguir
la mayor homogeneidad posible en la
visualización de YASP en los diferentes
navegadores. Es muy simple e intuitiva. Todas sus
funciones se engloban en una única superficie de
trabajo organizada en subventanas: una para el
código en ensamblador y otras para el procesador.
jsYASP se ha probado con Internet Explorer
5.0, Mozilla 1.7.3, Mozilla Firebird 1.0, Netscape
6.0 y otras versiones superiores de los
navegadores ya citados.
disponible en microelec.uab.es/ribas/edu/fc/yasp.)
Está previsto su uso en el curso 2004/2005 en
sustitución del simulador compatible con
Windows preexistente.
En un futuro se realizará una versión para que
varios simuladores intercambien datos a través de
los puertos de los procesadores.
Referencias
[1] Foster, C. Computer Architecture. NY: Van
Nostrand Reinhold, 1976.
[web.frm.utn.edu.ar/tecnicad2/tec_dig2/tools/te2blu
e.html]
[2] Prieto, A.; Pelayo, F.J.; Gómez-Mula, F.;
Ortega, J.; Cañas, A.; Martínez, A.;
Fernández, F.J. Un computador didáctico
elemental (CODE-2). Actas de las VIII
Jornadas de Enseñanza Universitaria de la
Informática (JENUI'2002), pp. 117-124,
Cáceres, 10-12 Julio 2002.
[atc.ugr.es/intro_info_mcgraw/alumno/code2.htm]
4. Conclusión
Se ha presentado jsYASP, un simulador de un
procesador educativo realizado con Javascript que
es multiplataforma, de código abierto y con una
interfaz amigable: Para ejecutar jsYASP sólo es
necesario un navegador compatible. (Está
[3] Ribas, Ll. Pràctiques de fonaments de
computadors. Bellaterra: Serv. Pub. UAB,
2000.
[4] –. Estructura básica de un computador.
Barcelona: UOC, 2002.
Figura 2. Ventana de ejecución