Unidad 1

Introducción 📜

El objetivo de esta unidad es que puedas comprender la arquitectura de un computador digital moderno. Para ello usaremos como caso de estudio un computador simple, pero didáctico llamado computador Hack. Programarás este computador utilizando su lenguaje ensamblador y desarrollarás programas simples, pero interactivos que harán uso de operaciones de entrada/salida.

Rúbrica de evaluación de la unidad 📝

Transparencia

Esta rúbrica se socializa antes de la sustentación. La sustentación se basa en lo presentado en la aplicación y lo documentado en la bitácora.

Requisito de salida (condición necesaria)

Para poder cerrar la evaluación y registrar la nota

La bitácora de reflexión debe estar diligenciada antes de terminar la sesión y debe ser enseñada al profesor antes de abandonar el aula. La presentación de la bitácora de reflexión es un requisito indispensable para montar la nota final en la plataforma académica. Si no se cumple este requisito, la nota final de la unidad será 0.0.

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Rúbrica analítica

Evidencias evaluadas

1. Funcionamiento de la aplicación + documentación en bitácora.
2. Sustentación a partir de la app y la bitácora

Criterio (peso)	Cumple plenamente (5.0)	Se cumple medianamente (4.0)	Problemas importantes (3.0)	Falta comprensión básica (2.0)	No hay evidencia (0.0)
1. Aplicación + bitácora (40%)	La app se ejecuta sin fallos en el entorno acordado. Evidencia completa y verificable en bitácora. Todo consistente con lo mostrado en la demo.	La app funciona y cumple lo esencial. La bitácora permite verificar, pero hay 1–2 vacíos menores	La app funciona parcialmente o depende de condiciones no declaradas. Bitácora con vacíos importantes o incompleta.	La app no corre o no demuestra lo requerido. La bitácora no permite verificación de la app.	No se entregaron evidencias o no se puede acceder a ellas
Evaluación
2. Sustentación (60%)	Responde a las preguntas con precisión, conectando: (a) lo que se ve, (b) cómo está hecho, y (c) por qué. Usa su bitácora para justificar decisiones. Reconoce límites/errores y propone cómo probar/mejorar.	Respuestas correctas pero con imprecisiones menores o justificación superficial. Usa parcialmente la bitácora para sustentar.	Responde solo “qué hizo” pero le cuesta explicar “cómo” o “por qué”. Necesita guía para conectar con su propia evidencia/bitácora.	No logra responder de forma coherente o responde sin relación con lo presentado/documentado. Evidencia falta de comprensión básica del trabajo entregado.	No se entregaron evidencias o no se puede acceder a ellas
Evaluación

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Cálculo de la nota

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Set: ¿Qué aprenderás en esta unidad? 💡

• Comprender una arquitectura de un computador digital simple.
• Conocer su lenguaje ensamblador.
• Desarrollar programas interactivos simples.
• Manipular la memoria.
• Realizar operaciones aritmético-lógicas.
• Controlar el flujo de un programa.
• Manejar la entrada y salida de datos.

Actividad 01

En esta actividad vamos a explorar el concepto del ciclo fetch-decode-execute

El siguiente programa está escrito en el lenguaje ensamblador del computador Hack. Este computador no es un computador comercial, sino un computador didáctico que te permitirá acercarte a los conceptos fundamentales de manera amigable.

@1
D=A
@2
D=D+A
@16
M=D
@END
(END)
0;JMP

¿Qué crees que haga este programa?

Para responder a esta pregunta vamos a analizarlo paso a paso usando un simulador de la CPU Hack que está aquí.

Para ejecutar este programa la CPU realiza un ciclo constante llamado Fetch-Decode-Execute.

El ciclo Fetch-Decode-Execute describe cómo la CPU ejecuta instrucciones de un programa. Aquí está explicado de forma breve y simple:

Fetch (buscar): la CPU obtiene (lee) la siguiente instrucción desde la memoria. El contador de programa (PC) indica dónde se encuentra esa instrucción en la memoria ROM.

Decode (decodificar): la CPU interpreta la instrucción que acaba de leer. Esto significa entender qué operación debe realizarse y qué datos o recursos necesita.

Execute (ejecutar): la CPU realiza la operación indicada. Por ejemplo, puede ser una operación matemática, mover datos entre registros, o acceder a la memoria.

Este ciclo se repite continuamente mientras la computadora esté encendida, procesando instrucciones una tras otra. Es la base del funcionamiento de cualquier procesador.

🧐🧪✍️ Experimento

Ahora es tu turno. Crea un archivo llamado program.asm y copia el código del programa anterior. Ejecuta el programa en el simulador de la CPU Hack y observa cómo se comporta. ¿Qué sucede? ¿Qué valor se almacena en la dirección de memoria 16? ¿Por qué crees que es ese valor? ¿Qué instrucciones se ejecutan en cada ciclo Fetch-Decode-Execute? ¿Qué cambios observas en el contenido de la memoria y los registros?

🧐🧪✍️ Experimento

Escribe un programa en lenguaje ensamblador que sume los números 5 y 10, y almacene el resultado en la dirección de memoria 20. Utiliza el simulador de la CPU Hack para ejecutar tu programa y verifica que el resultado es correcto.

📤 Bitácora

• Reporta tus observaciones para cada experimento en tu bitácora de aprendizaje.
• ¿Qué diferencia hay entre los datos almacenados en la memoria ROM y en la RAM?

Seek: Investigación 🔎

Una vez has comprendido los conceptos básicos, es hora de profundizar en el funcionamiento del computador Hack y su lenguaje ensamblador.

Actividad 02

Explorando la arquitectura del computador Hack

Ahora vamos a analizar juntos el siguiente programa. Este programa tendrá todos los conceptos que vamos investigar en la siguiente fase de la unidad de manera más profunda. En qué nos enfocaremos:

• Las partes del computador Hack.
• El modelo de programación de la CPU.
• La diferencia entre memoria RAM y registros.
• Los tipos de instrucciones del lenguaje ensamblador.
• Cómo leo el teclado y muestro en pantalla.
• Cómo implemento un bucle.
• Cómo implemento una condición.
• ¿Qué es la ALU y qué operaciones realiza?

En “este” enlace está la documentación del computador Hack.

@SCREEN
D=A
@i
M=D
(READKEYBOARD)
@KBD
D=M
@KEYPRESSED
D;JNE
@i
D=M
@SCREEN
D=D-A
@READKEYBOARD
D;JLE
@i
M=M-1
A=M
M=0
@READKEYBOARD
0;JMP

(KEYPRESSED)
@i
D=M
@KBD
D=D-A
@READKEYBOARD
D;JGE
@16
A=M
M=-1
@i
M=M+1
@READKEYBOARD
0;JMP

🧐🧪✍️ Experimento

Ahora experimenta. Crea un archivo llamado program.asm y copia el código del programa anterior. Ejecuta paso a paso el programa en el simulador así:

• Carga el programa en el simulador.
• Antes de ejecutar cada instrucción vas a predecir qué crees que va a suceder. Es muy importante que hagas esto, de esta manera tu mismo puedes saber si estás entendiendo el programa.
• Luego, ejecuta la instrucción y observa el resultado.
• Si te equivocas, reflexiona sobre por qué tu predicción no fue correcta.

📤 Bitácora

Reporta en tu bitácora de aprendizaje:

• Identifica una instrucción que use la ALU y explica qué hace.
• ¿Para qué sirve el registro PC?
• ¿Cuál es la diferencia entre @i y @READKEYBOARD?
• Describe qué se necesita para leer el teclado y mostrar información en la pantalla.
• Identifica un bucle en el programa y explica su funcionamiento.
• Identifica una condición en el programa y explica su funcionamiento.

Actividad 03

Control de flujo con saltos

Vamos a resolver juntos este problema:

Escribe un programa que compare el valor almacenado en la dirección de memoria 5 con el valor 10. Si el valor es menor que 10, guarda el valor 1 en la dirección 7. Si el valor es mayor o igual a 10, guarda el valor 0 en la dirección 7.

📤 Bitácora

• Escribe tu mismo el programa.
• Simula paso a paso. Recuerda la metodología: predice, ejecuta, observa y reflexiona.

Apply: Aplicación 🛠

Actividad 04

Implementando un ciclo simple

Crea un programa que use un ciclo para sumar los números del 1 al 5 y guarde el resultado en la dirección de memoria 12.

📤 Bitácora

• Escribe el programa.
• Simula paso a paso. Recuerda la metodología: predice, ejecuta, observa y reflexiona.

Reflect: Consolidación y metacognición 🤔

Actividad 05

📤 Bitácora

Sin consultar tus apuntes, el simulador o cualquier otro material, responde con tus propias palabras a las siguientes preguntas. ¡No te preocupes por la perfección! El objetivo es ver qué recuerdas ahora mismo.

1. Describe con tus palabras las tres fases del ciclo Fetch-Decode-Execute. ¿Qué rol juega el Program Counter (PC) en este ciclo?
2. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre una instrucción-A (que empieza con @) y una instrucción-C (que involucra D, M, A, etc.) en el lenguaje ensamblador de Hack? Da un ejemplo de cada una.
3. Explica la función de los siguientes componentes del computador Hack: el registro D, el registro A y la ALU.
4. ¿Cómo se implementa un salto condicional en Hack? Describe un ejemplo (p. ej., saltar si el valor de D es mayor que cero).
5. ¿Cómo se implementa un loop en el computador Hack? Describe un ejemplo (p. ej., un loop que decremente un valor hasta que llegue a cero).
6. ¿Cuál es la diferencia entre la instrucción D=M y la instrucción M=D?
7. Describe brevemente qué se necesita para leer un valor del teclado (KBD) y para “pintar” un pixel en la pantalla (SCREEN).