5.1 Requisitos de la herramienta y su fundamentación

Esta sección expone los requisitos que orientaron el diseño del simulador, clasificados en dos dimensiones complementarias: pedagógica y funcional. La primera se vincula con los objetivos formativos definidos en el capítulo introductorio (1), mientras que la segunda refiere a las características técnicas necesarias para garantizar su implementación eficaz. Su definición se apoyó en principios pedagógicos y técnicos, y se complementó con una validación empírica basada en entrevistas semiestructuradas a docentes expertos. Este proceso permitió identificar necesidades concretas del aula, así como carencias en las herramientas existentes (ver Anexo A 5.11). La aplicación de una metodología cualitativa, centrada en entrevistas semiestructuradas a docentes expertos, permitió identificar necesidades auténticas del aula y carencias específicas en las herramientas existentes. Estos hallazgos aportaron una base empírica rigurosa para la formulación técnica y pedagógica de los requisitos que guían el diseño del simulador (Huberman et al. 2019).

1. Visualización de la estructura general de la computadora: Incluir una representación gráfica de la arquitectura básica de la computadora —compuesta por CPU, buses, memoria y dispositivos de entrada/salida— durante la ejecución de los programas. La visualización debe destacar los componentes activos en cada etapa del ciclo de ejecución, facilitando una comprensión sistémica e integrada del funcionamiento de la computadora. El uso de representaciones gráficas como recurso didáctico está respaldado por estudios que demuestran su efectividad para facilitar la comprensión de conceptos abstractos en disciplinas técnicas (Sorva 2013). La Figura 5.1 presenta un diagrama estructural que representa los principales módulos del simulador y sus interacciones. Este recurso visual permite integrar, de forma esquemática, los componentes funcionales implementados y su correspondencia con los objetivos pedagógicos definidos.

Figura 5.1: Estructura del simulador y componentes funcionales

2. Soporte para la generación y ejecución de programas en ensamblador: Incorporar la posibilidad de ejecutar programas escritos en lenguaje ensamblador tanto de forma paso a paso como en ejecución continua. Esta funcionalidad posibilita el análisis detallado de cada instrucción, fortaleciendo competencias en trazado y depuración de código ensamblador, fundamentales para comprender la relación entre software y hardware. La inclusión de un editor de ensamblador con resaltado de sintaxis y autocompletado mejora la experiencia del usuario, facilitando la escritura y comprensión del código. Esta funcionalidad se basa en principios de diseño de interfaces que promueven la usabilidad y la accesibilidad (W3C Web Accessibility Initiative 2021). El editor debe permitir al usuario escribir, editar y guardar programas en ensamblador, así como ejecutar estos programas dentro del simulador. La incorporación de entornos de desarrollo integrados (IDEs) en contextos educativos ha demostrado ser eficaz para la enseñanza de lenguajes de programación, según diversos estudios (McCracken et al. 2001).

Figura 5.2: Editor ensamblador

3. Repertorio reducido de instrucciones con activación progresiva: Se selecciona un subconjunto esencial del conjunto de instrucciones x86, el cual se habilita en etapas secuenciales del proceso de enseñanza, en correspondencia con el avance de los contenidos curriculares. Esta decisión se fundamenta en principios de la psicología cognitiva que sugieren que la introducción escalonada de contenidos técnicos mejora la retención y reduce la sobrecarga cognitiva (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine 2018). Esta estrategia también se encuentra respaldada por autores como Hasan (Akram and Sawalha 2019a), Null y Lobur (Null 2023), y Stallings (Stallings 2021), quienes proponen abordajes similares en la enseñanza de arquitecturas complejas.

   Tabla 5.1: Activación progresiva del repertorio de instrucciones

   Fase	Instrucciones activadas	Objetivo didáctico
   Inicial	MOV, ADD, SUB, HLT	Comprensión del ciclo de instrucción básico
   Intermedia	CMP, JMP, JZ, JC	Introducción a control de flujo
   Avanzada	CALL, RET, IN, OUT, INT, IRET	Manejo de periféricos e interrupciones

   Una vez establecido el repertorio esencial, se plantea avanzar hacia una comprensión más profunda del ciclo de instrucción mediante su representación en el nivel microarquitectónico. Esta representación incluirá la visualización dinámica de registros activos y señales de control, en correspondencia directa con la ejecución de cada instrucción. Este enfoque promueve el desarrollo progresivo de competencias, al mitigar la sobrecarga cognitiva que implicaría abordar de forma prematura el repertorio completo de instrucciones. La activación progresiva del repertorio se fundamenta en teorías de aprendizaje que sugieren que la exposición gradual a nuevos conceptos mejora la comprensión y retención (Sweller, Ayres, and Kalyuga 2010). Además, esta estrategia se alinea con las recomendaciones de autores como Null y Lobur (Null 2023), quienes destacan la importancia de introducir los conceptos de forma escalonada para facilitar el aprendizaje efectivo.

4. Simulación visual e interactiva de micropasos de instrucciones: Se implementa una visualización interactiva del flujo de datos basada en el modelo de Nivel de Transferencia entre Registros (Register Transfer Level, RTL). Este enfoque permite representar con precisión el desplazamiento de datos entre registros, buses y unidades funcionales del procesador, así como las señales de control involucradas en cada fase del ciclo de instrucción (Newhall et al. 2025; Harris and Harris 2015). Stallings (Stallings 2021) propone utilizar el modelo RTL para representar el ciclo de instrucción, desde la captura (fetch) hasta la ejecución (execute), facilitando la visualización del recorrido de datos y de las señales de control en cada etapa del proceso. Como complemento a la descripción anterior, la Figura 5.3 ilustra un ciclo de instrucción típico utilizando la operación MOV AL, BL como ejemplo. Esta representación facilita la identificación de las etapas fetch, decode y execute, así como los registros que participan activamente en cada fase.

Figura 5.3: Ciclo de instrucción: captación y ejecución

5. Gestión básica de interrupciones y periféricos: Incluir un vector de interrupciones predefinido que simule eventos externos, como la entrada de datos mediante teclado o la salida de información a través de un monitor. Estas interacciones permiten emular situaciones reales de asincronía, esenciales para la comprensión de mecanismos como la interrupción del flujo de ejecución. Esta funcionalidad tiene un alto valor pedagógico, ya que permite al estudiante explorar de forma interactiva conceptos fundamentales como la asincronía, el manejo de eventos y la interrupción del flujo secuencial de ejecución, los cuales son característicos del diseño de arquitecturas modernas y fundamentales para comprender el funcionamiento de sistemas reales. Su inclusión se alinea con las recomendaciones de autores como Null y Lobur (Null 2023), quienes destacan el valor de abordar estos conceptos en etapas tempranas de la formación. Además, se incorpora un módulo genérico de entrada/salida programada (Programmed Input/Output, PIO), que actúa como interfaz entre la CPU y los dispositivos periféricos. Este módulo permite simular operaciones mediante instrucciones como IN y OUT, facilitando la interacción del estudiante con dispositivos representados gráficamente, como interruptores y teclas. De esta forma, se promueve una comprensión más tangible de los mecanismos subyacentes al intercambio de información entre el procesador y los dispositivos externos.

Figura 5.4: Módulo genérico de entrada/salida programada

6. Métricas de rendimiento: Incluir indicadores clave como tiempo de ciclo, tiempo de CPU y ciclos por instrucción (CPI), generados automáticamente a partir de la ejecución de los programas. stos indicadores permiten al estudiante analizar cuantitativamente la eficiencia de la ejecución de un programa, facilitando comparaciones entre diferentes implementaciones. Su inclusión apunta a fortalecer la comprensión de aspectos clave del rendimiento del procesador, promoviendo una formación integral que contemple tanto aspectos funcionales como métricos del comportamiento del sistema (John L. Hennessy and Patterson 2017a).

Figura 5.5: Métricas de rendimiento

7. Interfaz intuitiva y experiencia de usuario: Diseñar una interfaz gráfica de usuario (GUI) intuitiva, accesible y coherente con principios de usabilidad. La organización visual debe facilitar la navegación, la comprensión del flujo de datos y la ejecución de tareas pedagógicas sin distracciones. Se recomienda el uso de colores, etiquetas y animaciones para reforzar el aprendizaje visual, especialmente para representar cambios de estado del sistema y flujos de control (W3C Web Accessibility Initiative 2021).

8. Documentación y recursos de apoyo: Proporcionar documentación clara y accesible que explique el funcionamiento del simulador, sus componentes y las instrucciones disponibles. Esta documentación debe incluir ejemplos prácticos, guías de uso y recursos adicionales para facilitar la comprensión y el aprendizaje autónomo. La inclusión de tutoriales interactivos y ejemplos prácticos es fundamental para guiar al estudiante en el uso efectivo del simulador, promoviendo un aprendizaje activo y reflexivo (Bonwell and Eison 1991).

Figura 5.6: Documentación on line

Estos requisitos funcionales y pedagógicos se fundamentan en principios de diseño instruccional y psicología cognitiva, y fueron validados mediante entrevistas con docentes expertos en la materia. A través de reuniones y talleres de validación donde se analizaron prototipos tempranos y necesidades concretas del aula, garantizando así su relevancia didáctica y su adecuación al contexto educativo de la asignatura Arquitectura de Computadoras.

En conjunto, estos requisitos orientan el diseño del simulador para maximizar su impacto pedagógico y su utilidad como recurso de apoyo a la enseñanza de arquitectura x86. En la siguiente sección se describe cómo fueron implementados funcionalmente estos requisitos, detallando su correspondencia con la estructura modular del simulador. La Tabla 5.2 resume los principales requisitos funcionales del simulador, junto con los componentes específicos que los implementan.

Tabla 5.2: Resumen de requisitos funcionales y su fundamentación pedagógica

Requisito	Fundamento pedagógico
Visualización de estructura	Comprensión sistémica del hardware
Ejecución de programas en ensamblador	Desarrollo de competencias en lenguaje ensamblador
Repertorio progresivo de instrucciones	Disminución de sobrecarga cognitiva
Simulación visual de micropasos	Comprensión del flujo interno de datos
Módulo de Entrada/Salida + Vector de interrupciones	Simulación de asincronía real

5.1.1 Fundamentación de los requisitos del simulador

A partir de los requisitos funcionales detallados anteriormente, se llevó a cabo un proceso colaborativo de análisis con docentes¹ de la asignatura Arquitectura de Computadoras, quienes aportaron su experiencia docente para identificar los elementos de la arquitectura x86 que resultaban prioritarios para representar, simplificar o adaptar en función de los objetivos pedagógicos del simulador. Este análisis condujo a la elección de una arquitectura simplificada de 8 bits, cuyas características se describen más adelante, justificado por su valor didáctico: una arquitectura de 8 bits permite reducir significativamente la complejidad del modelo, sin comprometer la enseñanza de conceptos fundamentales como el ciclo de instrucción, la manipulación de registros o el manejo de interrupciones, permitiendo representar procesos clave con mayor claridad y menor carga cognitiva. La menor cantidad de líneas de datos, registros y operaciones simplifica la visualización de procesos como la ejecución de instrucciones, el flujo de datos y el manejo de interrupciones, favoreciendo la comprensión por parte del estudiante en etapas iniciales del aprendizaje.

La arquitectura x86 se caracteriza por su elevada complejidad, derivada de su extenso repertorio de instrucciones y sus múltiples características avanzadas. Frente a este panorama, el diseño del simulador adopta un enfoque instruccional basado en tres principios pedagógicos clave:

• Reducir la carga cognitiva: la simplificación del repertorio y de los componentes permite a los estudiantes enfocarse en principios fundamentales.
• Aprendizaje progresivo: se adopta un enfoque escalonado, empezando con un modelo simplificado y avanzando hacia representaciones más completas de x86.
• Claridad pedagógica: las prácticas son manejables en términos de tiempo y esfuerzo, favoreciendo un aprendizaje activo, centrado en la resolución progresiva de problemas y libre de sobrecarga cognitiva excesiva.

5.1.2 Beneficios de la simplificación

El diseño del simulador contribuye a:

• Comprensión fundamental: los estudiantes pueden enfocarse en el ciclo de instrucciones, interacción de componentes y flujo básico de datos.
• Análisis crítico: comparar el modelo simplificado con x86 real fomenta un aprendizaje reflexivo y profundo.
• Experimentación práctica: proporciona un entorno accesible para explorar conceptos y corregir errores.

Diversos autores como Patterson & Hennessy (John L. Hennessy and Patterson 2017a), Tanenbaum (Tanenbaum 2016) y Null (Null 2023) coinciden en que el uso de arquitecturas simplificadas, como las de 8 bits, permite a los estudiantes centrarse en los conceptos fundamentales de la arquitectura de computadores sin verse abrumados por la complejidad técnica de arquitecturas reales. Este enfoque hace posible observar la transferencia de datos entre registros y la activación de señales de control en cada etapa, favoreciendo la comprensión del funcionamiento interno del procesador. El modelo propuesto adopta una arquitectura simplificada de 8 bits, inspirada en los principios de la arquitectura x86 (Intel Corporation 2021), y diseñada con un repertorio reducido de instrucciones. La elección de una arquitectura de 8 bits obedece a criterios pedagógicos, ya que simplifica el modelo sin sacrificar los principios fundamentales del repertorio x86, facilitando así la comprensión progresiva de sus componentes (Patt and Patel 2019; Majid 1999; Morlan 2021 ; Gualdrón Gamarra and Pinilla 2015-01-27; Silber, n.d.).

En síntesis, la definición de estos requisitos busca integrar aspectos funcionales, pedagógicos y técnicos en una herramienta que no solo simule el comportamiento del sistema, sino que facilite activamente los procesos de enseñanza y aprendizaje en arquitectura de computadoras. La articulación entre visualización, ejecución progresiva y análisis de rendimiento proporciona un entorno didáctico rico que responde tanto a las necesidades del aula como a los desafíos de la disciplina.

Bibliografía

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Gualdrón Gamarra, Alfredo, and José Pablo Pinilla. 2015-01-27. “Plataforma Para La Emulación y Reconfiguración de Arquitecturas CISC y RISC.” http://hdl.handle.net/20.500.11912/2004.

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1. Docentes: Marcelo A. Colombani y Amalia G. Delduca↩︎