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PCPENA - Simulador y Compilador de PC

Un simulador educativo de PC Turing-completo con compilador integrado de lenguaje de alto nivel, inspirado en el libro de texto "De Euclides a Java". Este proyecto demuestra la cadena completa de compilación: desde lenguaje de alto nivel → análisis léxico → ensamblador → código binario → ejecución de instrucciones paso a paso con visualización de registros en tiempo real.

📚 Descripción General

Desarrollado para la Universidad Nacional de Colombia

PCPENA (Simulador PC Simplificado) es una herramienta educativa interactiva que permite a los estudiantes:

  • Escribir y compilar programas en lenguaje de alto nivel
  • Observar el proceso de análisis léxico y tokenización usando PLY (Python Lex-Yacc)
  • Ver la generación de código ensamblador con resolución de etiquetas y reubicación de variables
  • Ejecutar instrucciones binarias en una máquina virtual
  • Visualizar el estado de la CPU en cada instrucción: registros, RAM, banderas ALU y unidad de control
  • Comprender el ciclo completo de compilación y ejecución

🏗️ Arquitectura

Cadena de Procesamiento

Código de Alto Nivel → Lexer (PLY) → Parser → Ensamblador → Enlazador/Cargador → Máquina Virtual

Componentes Principales

1. Lexer (src/models/Lexer.py)

  • Utiliza PLY (Python Lex-Yacc) para tokenización
  • Soporta sintaxis personalizada de lenguaje de alto nivel
  • Los tokens incluyen: números, operadores, palabras clave, variables, funciones, estructuras de control
  • Mantiene tabla de símbolos para búsqueda de variables

2. Ensamblador (src/models/Assembler.py)

  • Compilación ensambladora en dos pasadas
  • Pasada 1: Resolución de etiquetas y asignación de variables
  • Pasada 2: Conversión de códigos de operación a código máquina binario
  • Maneja la reubicación de direcciones de memoria
  • Soporta 14 tipos de instrucciones

3. Enlazador/Cargador (src/models/LinkerLoader.py)

  • Realiza resolución de símbolos
  • Carga el código binario en memoria virtual
  • Traslada direcciones de memoria según el punto de inicio del programa
  • Inicializa el contador de programa y punteros de instrucción

4. Máquina Virtual (src/models/VirtualMachine.py)

  • 4 Registros de Propósito General: A, B, C, D (16 bits cada uno)
  • 1024 Palabras de RAM (celdas direccionables de 16 bits)
  • Banderas ALU: Cero (C), Positivo (P), Negativo (N), Desbordamiento (D)
  • Unidad de Control: Gestiona el puntero de instrucción y estado de ejecución

5. GUI (src/views/pcDesigntaller.py)

  • Interfaz gráfica basada en PyQt5
  • Visualización en tiempo real de: RAM, registros, banderas ALU, unidad de control, código objeto
  • Botones interactivos: Siguiente, Último, Reiniciar, Ensamblar, Enlazar/Cargar

6. Controlador (src/controllers/windowController.py)

  • Conecta el modelo de máquina con la vista PyQt5
  • Actualiza el estado de la GUI después de cada operación de máquina

🖥️ Arquitectura de la Máquina Virtual

Registros (4 × 16 bits)

Registro Código
A 00
B 01
C 10
D 11

Conjunto de Instrucciones (14 Instrucciones)

Instrucción Código de Operación Descripción
Parar 0000000000000000 Detener ejecución
Cargar 0001 Cargar desde memoria a registro
CargarValor 0010 Cargar valor inmediato a registro
Almacenar 0011 Almacenar registro en memoria
SaltarSiCero 010000 Saltar si bandera cero activa
SaltarSiNeg 010001 Saltar si bandera negativa activa
SaltarSiPos 010010 Saltar si bandera positiva activa
SaltarSiDes 010011 Saltar si bandera desbordamiento activa
Saltar 010100 Salto incondicional
Copiar 011000000000 Copiar registro a registro
Sumar 011000000001 Sumar (resultado en primer registro)
Restar 011000000010 Restar (resultado en primer registro)
Mult 011000000011 Multiplicar (resultado en primer registro)
Div 011000000100 División entera (resultado en primero)

🚀 Inicio Rápido

Linux (Debian/Ubuntu)

# Instalar dependencias del sistema
sudo apt install python3-tk python3-dev

# Crear entorno virtual
python3 -m venv emuenv
source emuenv/bin/activate

# Instalar dependencias de Python
pip install -r requirements.txt

# Ejecutar el simulador
python maintaller.py

Windows

# Crear entorno virtual
python -m venv emuenv
emuenv\Scripts\activate

# Instalar dependencias de Python
pip install -r requirements.txt

# Ejecutar el simulador
python maintaller.py

Opcional: Herramientas de Diseño GUI (Linux)

sudo apt install pyqt5-dev-tools qttools5-dev-tools

📦 Dependencias

  • PyQt5: Marco de trabajo para interfaz gráfica
  • ply: Python Lex-Yacc para análisis léxico
  • Python 3.7+

🎯 Uso

  1. Escriba Código Ensamblador en el editor de código
  2. Haga clic en "Ensamblar" para compilar a binario
  3. Enlace y Cargue en la dirección de memoria deseada
  4. Ejecute Instrucciones paso a paso
  5. Monitoree el Estado: Registros, RAM, banderas ALU, unidad de control

Programa de Ejemplo

CargarValor A, 5      // Cargar 5 en registro A
CargarValor B, 3      // Cargar 3 en registro B
Sumar A, B            // Sumar: A = A + B (8)
Almacenar A, 100      // Almacenar en dirección 100
Parar                 // Detener

📸 Capturas de Pantalla

Aquí hay algunos ejemplos del simulador en acción:

Captura 1 Captura 2

🎥 Ejemplo en Video

Vea una demostración completa de PCPENA en acción:

Demo PCPENA

📋 Sintaxis del Lenguaje de Alto Nivel

El compilador soporta un lenguaje de alto nivel personalizado con las siguientes palabras clave:

fun <nombre>(<parámetros>) ... ffun       // Definición de función
var <var1>, <var2>, ...                   // Declaración de variables
mientras <condición> ... fmientras        // Bucle while
caso <valor> ... hacer                    // Sentencia switch/case
dev <valor>                               // Sentencia return

Operadores

  • Aritméticos: +, -, *, /, mod
  • Relacionales: <, >, <=, >=, =
  • Agrupación lógica: (, )
  • Delimitadores: ,, ;, :

🔧 Detalles Técnicos

Ciclo de Ejecución de Instrucciones

  1. Búsqueda (Fetch): Leer instrucción desde table_ram[instruccion_actual]
  2. Decodificación (Decode): Emparejar código de operación con tipo de instrucción
  3. Ejecución (Execute):
    • Cargar valores de operandos (registros o memoria)
    • Realizar operación
    • Actualizar registro de destino
    • Actualizar banderas ALU si es operación aritmética
  4. Actualización de Control: Actualizar punteros de instrucción y estado de unidad de control

Representación de Datos

  • Enteros: Complemento a dos de 16 bits (rango: -32,768 a 32,767)
  • Formato Binario: Rellenado a 16 bits con ceros a la izquierda
  • Direccionamiento de Memoria: Direcciones de 10 bits (soporta 1024 celdas)

Compilación Ensambladora en Dos Pasadas

Pasada 1 (Resolución de Etiquetas/Variables):

  • Escanear todas las declaraciones
  • Registrar direcciones de etiquetas para destinos de saltos
  • Asignar memoria para variables
  • Construir tablas de símbolos

Pasada 2 (Generación de Código):

  • Generar códigos de operación binarios para cada instrucción
  • Reemplazar referencias de etiquetas con direcciones de memoria
  • Resolver reubicaciones de variables
  • Generar código objeto binario

📚 Valor Educativo

Este proyecto enseña:

  • Diseño de Compiladores: Análisis léxico, generación de código
  • Arquitectura de Computadoras: Registros, memoria, operaciones ALU
  • Turing Completitud: Instrucciones de salto y aritmética
  • Programación a Nivel de Máquina: Interacción directa con CPU

Conceptos de Compilador

  • Tokenización: Dividir el código fuente en símbolos significativos
  • Análisis de Sintaxis: Reconocer la estructura del lenguaje
  • Generación de Código: Producir instrucciones de máquina
  • Gestión de Símbolos: Rastrear ubicaciones de variables/etiquetas

Conceptos de Arquitectura de Computadoras

  • Operaciones de Registro: Almacenamiento y manipulación directa de CPU
  • Gestión de Memoria: Organización de RAM y direccionamiento
  • Flujo de Control: Instrucciones de salto y banderas de condición
  • Operaciones ALU: Aritmética y lógica con actualizaciones de estado

🎓 Obra de Referencia

Inspirado en el libro de texto "De Euclides a Java"