Selbsterklärender, plattformunabhängiger ALU-Simulator für die universitäre Lehre

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Erstellung eines MC8 ALU-Simulators. Der MC8 ist ein Modellcomputer, der am Institut für Computertechnik (ICT) der Technischen Universität Wien für die Lehre entwickelt wurde. Die Arithmetisch Logische Einheit (engl. arithmetic logic unit, ALU) ist ein Teil des Prozessors und ist unter anderem für arithmetische und logische Operationen zuständig.<br />Das Ziel dieser im World Wide Web verfügbaren Adobe-Flash-Applikation ist, die technischen Zusammenhänge sowie die zeitlichen Abläufe der ALU innerhalb der Hardware leicht verständlich zu visualisieren. Zunächst wird auf Methoden moderner Wissensvermittlung und die Bedeutung von E-Learning eingegangen.<br />Die folgenden Abschnitte befassen sich mit den fachlichen Grundlagen der Inhalte, soweit es für das Verständnis der vorliegenden Arbeit erforderlich ist.<br />Grundlegende elektronische Schaltungen werden beschrieben, die dazu genutzt werden können, arithmetische oder aussagenlogische Funktionen auszuführen. Essentiell bei der Erörterung der Grundlagen sind die Zustandsspeicher, die als Basis für Schaltwerke dienen. Diese können ausgehend von einem aktuellen Zustand und Eingabewerten einen Nachfolgezustand ermitteln und Ausgabewerte bzw. Steuersignale produzieren. Diese Eigenschaften werden benötigt, um Steuerwerke zu erzeugen, die das Verhalten einer ALU steuern. In dieser Einheit werden die zuvor gezeigten grundlegenden Schaltungen sowie einige zustandsabhängige Operationen durchgeführt. Das ist Gegenstand der Softwareimplementierung dieser Diplomarbeit.<br />Im Weiteren wird auf die Vereinfachungen des Modells und auf Kompromisse zugunsten der Verständlichkeit der Darstellung eingegangen. In Folge geht die Arbeit auf die technische Plattform ein. Sowohl ein kurzer geschichtlicher Abriss der Entwicklung von Programmiersprachen als auch die Kriterien für die Auswahl der Adobe Flash-Plattform werden erläutert. Ergebnisse der Recherche, welche Projekte ähnliche Ziele verfolgen, schließen den ersten allgemeinen Teil der Arbeit ab.<br />Darauf folgt eine Analyse, welche Ziele und Nichtziele die Applikation für die ermittelten Zielgruppen erfüllen soll, sowie ein Vergleich mit bisher vom ICT im Rahmen von Diplomarbeiten erarbeiteten E-Learning Simulatoren. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Details und Abläufe der umgesetzten Berechnungs- und Logikoperationen dargestellt und es wird auf programmtechnische Besonderheiten bei der Umsetzung behandelt. Um eine konsistente Ansicht für alle Darstellungen von Befehlen zu ermöglichen wurden Standards erarbeitet, welche auch erläutert werden.<br />Danach erfolgt eine detaillierte Beschreibung der realisierten Operationen samt genauer Beschreibung der Abläufe. Diese Auflistung ist sehr umfangreich, da insgesamt zwölf Operationen in jeweils zwei unterschiedlich komplexen Darstellungen realisiert wurden. Ein Ausblick über weitere mögliche Entwicklungen dieses Projekts wie die Zusammenarbeit mit anderen E-Learning-Projekten und -Plattformen befindet sich im letzten Kapitel.<br />Im Anhang befinden sich neben den obligatorischen Verzeichnissen und dem Glossar, Erläuterungen zur Architektur und relevante Details zur Implementierung in Adobe Flash.<br />

This present work covers the creation of a simulator of the ALU of the MC8, which was developed at the Institute of Computer Technology at the Vienna University of Technology. The MC8 is a microcomputer designed for teaching purposes. An ALU is among other things a part of a processor, responsible for arithmetic and propositional logic operations. Goal of this web published adobe flash application is to visualize interrelationships between time and hardware processes.<br />This work starts dealing with the meaning of e-learning and covers up to date knowledge transfer methods. The following chapters explain technical basics as far as they are required for understanding of terms and definitions.<br />Basic electronic circuits are described, which can be used to execute arithmetical and propositional logic functions. State memory is essential when talking about fundamental building sequential circuits.<br />These circuits compute the following state, starting from a current state and using input values. Beyond that output values are being generated. This property is used to build a control unit, which is used to manage an arithmetic logical unit. In this unit the mentioned operations can be executed and are the subject of the software part in this work.<br />After describing the software, the work discusses, model simplifications. Possible compromises to technical correctness lead to an understandable presentation. After a short review of the technical platform there is a short explanation of the historical development of programming languages. After that follows a statement about the criteria for choosing adobe flash as a platform. This first part ends with an explanation of projects which goals are similar to those of this work.<br />In the following chapters, the goals and non-goals of the application of the target group are analysed. A comparison of realized simulators, done on the institute of computer technology follows. Furthermore, details of calculation- and propositional logic operations are discussed with a focus on realizing specific properties. In addition, established standards are explained to get a consistent user interface visualization.<br />After that, each single operation is described in much detail. This description is quite comprehensive, because there are twelve operations, each having two different views with variable difficulties.<br />An outlook about further development of this project and collaboration with other e-learning projects is discussed in the last chapter.<br />Beneath the mandatory directories and glossary, explanations about software architecture and relevant details about the realization in adobe flash conclude the thesis in the appendix.