MİKROİŞLEMCİ EĞİTİMİ İÇİN TASARLANAN BİR ANİMASYON

MİKROİŞLEMCİ EĞİTİMİ İÇİN TASARLANAN BİR GÖRSEL
ANİMASYON
A VISUAL ANIMATION DESIGNED FOR
MICROPROCESSOR COURSE
Yrd. Doç.Dr. H. Hüseyin Çelik
Marmara Universitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Bölümü, Istanbul/Turkey
[email protected]
ABSTRACT
The main problem in the learning microprocessors is found in the relationship between theory and practice. The comprehensive and complex
themes require students to pay intensive attention in the course. Visual animations provide more efficient tool than static visual components to
understand technical details of the course topics easily by students. In the learning period, they supply a background to observe sequential
items of a certain theme.
This paper presents a visual animation approach for teaching microprocessors in electrical and electronics education. The visual animations
were constructed by meaning of the difficulty level of the topic content. The animation program make possible to replay any desired step or
steps to get repeatedly observations. This facilities provide a cognitive support for students in learning microprocessors.
Keywords: Microprocessors course, visual animation, technical education.
ÖZET
Mikroişlemci eğitiminde temel problem teori ve uygulama arasındaki ilişkidir. Ayrıntılı ve karmaşık konular öğrencilerin ders sırasında yoğun
dikkat harcamalarını gerektirir. Ders konularına ait teknik ayrıntıların öğrenciler tarafından kolay anlaşılmasında, görsel animasyonlar durağan
görsellerden daha etkili araçlardır. Öğrenme sürecinde bu araçlar, belirli bir konunun ardışıl adımlarının gözlenmesini sağlayan bir alt yapı
oluştururlar.
Bu yazıda, elektrik ve elektronik eğitimindeki mikroişlemci dersinin öğretiminde görsel animasyon yaklaşımı tanıtılmaktadır. Animasyon
programı herhangi bir işlem adım ya da adımları tekrarlı gözlenmesine imkan sağlamaktadır. Bu özellik mikroişlemci konularının
öğrenilmesinde öğrencilere algılama desteği sağlamaktadır.
Anahtar Kelimeler: Mikroişlemciler dersi, görsel animasyon, teknik eğitim.
GİRİŞ
işlemin sıralı olarak oluşması temeline dayanmaktadır.
Ayrıca, birçok durumda yapılan ana işlem, bir önceki
duruma/işleme bağımlı sonuçlar üretebilmektedir. Sözü
edilen temel özellikler, mikroişlemci konularının sözlü
anlatımında görsel animasyonlar kullanmanın daha verimli
öğrenme ortamı sağlayacağını göstermektedir. Bu
bağlamda simülasyon programlarının da
uygulama
alanında etkin faydalar sağladığı görülür. Ancak standart
simülasyon ortamları genellikle eğitimcinin tercih ettiği özel
vurguların oluşturulmasına imkan sağlamaz. Ayrıca bu
programlar, farklı uygulama parçalarının işletiminde ya da
değişiklik ekleme yolu ile yapılan her bir deneme için,
doğrudan işletme yerine daima zaman alıcı derleme
işlemlerine ihtiyaç duyarlar.
Karmaşık konuların sözlü anlatımında ortak problem,
yüksek konsantrasyon gerektirmesidir. Özellikle, birçok alt
konunun
bileşiminden
oluşan
bir
ana
konunun
öğrenilmesinde, yeni konunun öncekiler ile doğrudan ilişkili
olması algılama alanının genişlemesine yol açmaktadır. Bu
tür konuların algılama sürecinde, öğrencinin alt konuları
kavramış olmasının yanında, yeni konuya yoğunlaşması da
gerekmektedir.
Görsel anlatım araçları ile etkin bir anlatım ve algılamanın
sağlandığı açıkça bilinmektedir. Bu anlamda slayt, resim,
şema ve benzeri görseller algılamayı geliştiren önemli
araçlardır. Bunların yanında, ardışıl bir dizi yapısını yansıtan
ve birbiri ile oluşturduğu ilişkiler ile bir bütünlük kazanan
olayların anlatımında, durağan görseller sınırlı kalmaktadır.
Bu durumda animasyon yaklaşımları ön plana çıkar. İyi
kurgulanmış animasyon destekli görsel sunumlar durağan
görsellere göre daha yüksek bir algılama seviyesinin
yakalanmasını sağlamaktadır.
MİKROİŞLEMCİLER VE KONU ÖZELLİKLERİ
Komut işletim birimi olan mikroişlemciler, başta bilgisayar
olmak üzere algoritma denetimli olarak çalışan bütün
yapılarda elektronik donanımın vazgeçilmez temel ögesidir.
Bu bağlamda, mikrodenetleyiciler temelde aynı fonksiyona
sahip olmakla birlikte iç yapıda ilave birimler içermesi ile
kolay donanım çözümlerini üreten birimlerdir. Günümüz
teknolojisinde bir yandan farklı mikroişlemciler üretilmekte,
diğer yandan bu alanda nitelikli eleman ihtiyacı artmaktadır.
Bu çalışmada, teknik eğitimde mikroişlemci eğitimi için Flash
animasyon programı kullanılarak hazırlanmış
görsel
animasyon sunumları tanıtılmaktadır. Komut işletim birimi
olan mikroişlemcilerde, dolaylı bellek erişimleri gibi karmaşık
komutların yanında, yığın bellek kullanımı ve kesme işleyişi
gibi karmaşık iç fonksiyonlar da yer almaktadır. Bu yapıların
işleyişinde görünen ana fonksiyon, gerçekte bir dizi alt
Mikroişlemci eğitimi elektrik, elektronik, bilgisayar ve kontrol
alanlarındaki eğitim programlarında temel olarak yer
444
almaktadır. Mikroişlemci konularının öğreniminde ana zorluk
teori ve uygulama arasındaki sıkı ilişkidir [1]. Bu çevrimde,
konuların kavranması teorik anlatıma, teorik anlatım da
laboratuvar uygulamalarına ihtiyaç duyan bir bütünlük
oluşturmaktadır. Öğrencilerin uygulama aşamasındaki
verimlilik seviyesi, teorik anlatım aşamasında yeterli bilgi ve
kavrama seviyesini kazanmaları ile doğru orantılı olarak
gerçekleşmektedir.
de kontrol edilebilmektedir. Böylelikle herhangi bir işlem
adımı ya da adımları tekrarlı olarak ileri ve geri yönde
işletilebilir.
Animasyonların bilgisayar ortamında oluşturulmasında,
Macromedia Flash programından yararlanılmıştır. Flash
vektörel bir grafik tasarım dili ve yazılımıdır. Programın
tasarım ara yüzü, hazır nesneler ve hareket sağlayıcı
araçlara sahiptir. Animasyonlarda hareket sağlayıcı iki ayrı
komut yapısı (motion tween, actionscript) kullanılmıştır.
Görsel temsili oluşturacak grafiklerin hazırlanmasında ise
programa ait hazır görsel nesneler ve bunlara ilişkin
biçimlendirmeler kullanılmıştır. Hazırlanan kontrol butonları
animasyon ortamında listeden ana konu seçme veya seçilen
konu içerisinden ilgili herhangi bir uygulama seçme imkanı
sağlayacak
şekilde
tasarlanmıştır.
Ayrıca
seçilen
uygulamaya ait animasyonların oynatılması, durdurulması
ve tekrarlanması fonksiyonları için kontrol butonları
düzenlenmiştir.
Mikroişlemci konularında, sıralı alt adımlardan oluşan ve
biribirini etkileyen işlemler yer almaktadır. Karmaşık görünen
ve ayrıntıları ile kavranması gereken bu içerikler, yüksek
dikkat yoğunluğu ile birlikte anlamaya esas olan önceki
temel
bilgilerin
kaybedilmemiş
olmasını gerektirir.
Mikroişlemci konuları içerisinde, komut işleyişi ve
zamanlama, dolaylı bellek erişimi, interrupt işleyişi ve çevre
donanım birimleri ile iletişim buna örnek olarak gösterilebilir.
Ayrıca birçok işlem senkron sıralı adımlara sahip olmakla
birlikte, önceki durum ya da işlemin bir fonksiyonu olarak
gelişmektedir. Böylelikle aynı başlık altındaki bir işlem,
şartlara bağlı olarak değişen birçok fonksiyonlar ile alternatif
kombinasyonların oluşmasına yol açan bir yapı sergiler.
Teorik eğitim aşamasında sözü edilen zorlukların
azaltılması, etkin anlatım teknikleri ile sağlanabilmektedir.
Bu alanda görsel sunum araçları ve görsel animasyonlar var
olan algı ve kavrama seviyesini pekiştirici bir rol oynar.
OLUŞTURULAN ANİMASYON ÖRNEKLERİ
Mikroişlemci konuları içerisinde algılamayı zorlaştıran
bölümler için birçok animasyonlar üretilmiştir. Bu bölümde,
oluşturulan animasyonlara ilişkin tanımlar doğrultusunda
birkaç örnek incelenmektedir.
Komut işleyişi
KONU İÇERİKLERİ VE ANİMASYON BELİRLEME
Herhangi bir komutun mikroişlemci tarafından işletilmesi,
eğitimin başlangıç aşamasında önemli bir aşamadır. Çünkü
tüm komutlar aynı yöntem ile bellekten okunarak işleme
girer. Bir komutun işletilmesi özet olarak şu aşamalar ile
gerçekleşir: a) komutun bellekten okunması, b) komutun
tanınması/kod çözme, c)komut eklenti bilgilerinin okunması,
d) komutun işletilmesi e) sonuçların komut ile tanımlı
alanlara yazılması. Sözü edilen aşamalar kendi içerisinde
farklı komutlara göre değişen ayrıntıları da içermektedir.
Örneğin komut okuma aşaması, bellek adreslemeye ilişkin
donanımsal detaylara sahiptir. Şekil 1.’de komut işletimi için
oluşturulan animasyona ait bir kesit görülmektedir.
Mikroişlemci öğretiminde gerekli temel konular aşağıdaki
ana başlıklarla tanımlanabilir:
 Yazılım modeli,
 Donanım yapısı,
 Komut işletimi,
 Komutlar ve fonksiyonları,
 Adresleme modları,
 Bellek organizasyonu,
 Yığın bellek erişimleri,
 Interrupt işleyişi,
 Mikroişlemci çevre birimleri.
Başlıklarda yer alan konuların bazı bölümleri ileri başlıklı
konularla birlikte anlam kazanır. Örneğin komutların bir
bölümü yığın bellek erişimi veya interrupt işleyişine ilişkindir.
Dolayısıyla bu temalar öğrenilmeden ilgili komutlara ait
ayrıntılar tanımlanamamaktadır. Benzer şekilde çevre
birimleri ile ilgili içerikler, donanım yapısı, komutlar ve bellek
organizasyonu başlıkları ile yakın ilişki taşımaktadır. Burada
tercih edilen sunum yöntemi, ana temaya esas alan bir
yaklaşım doğrultusunda belirlenmiştir. Örneğin yığın bellek
ile ilgili komutlar, yığın bellek işleyişinin irdelenmesi
aşamasında ele alınmaktadır. Bu yaklaşım, hatırlama
aşamasında bilgi kopukluklarını önleyen bir çağrışım
bütünlüğünü sağlayacaktır.
Görsel animasyonların belirlenmesinde, konunun ayrıntı
seviyesi, diğer konular ile oluşturduğu girişim ve sıralı alt
adımların çokluğu temel kriterler olarak ele alınmıştır. Bu
kriterlerleri taşıyan konular, soyut düşünme yeteneği ve
dikkat yoğunluğu gerektiren özellikler taşımaktadır.
GÖRSEL ANİMASYON TASARIMI
Şekil 1. Komut işletimini taklit eden animasyona ait grafik
arayüz.
Görsel animasyonların oluşturulmasında, konuya ait tüm
ayrıntıların ve işlem adımlarının simülasyonları üretilmiştir.
Bellek içeriklerinin, değişen adres değerlerinin, etkilenen
durum değişkenlerinin
ve mikroişlemci yazmaçlarının
durumlarını yansıtan penceler kullanılarak, aktif bir izleme
tabanı oluşturulmuştur. Ayrıca animasyon adımları doğal
akıcılığı ile izlenebileceği gibi, kontrol butonları aracılığı ile
Yığın bellek erişimi
Ana belleğin belirli bir bölümü mikroişlemciler tarafından
sıralı erişim kuralına göre kullanılır. Yığın bellek adı verilen
bölgenin tanımlanması, bu amaçla düzenlenen adresleme
445
yazmacı ile belirlenir.
Tüm programlama ortamlarında olduğu gibi, mikroişlemci
programlarında da alt program işletimine ihtiyaç duyulur. Alt
program, ana program işletimi sırasında komut yolu ile
çağrılarak işletilen diğer bir programdır. Bu sırada ana
program bir süre bekletilir. Alt programlar geri dönüş
işlemlerini başlatan bir komut ile sonlandırılırlar. Alt program
işletildikten sonra mikroişlemci ana programa geri döner.
Ana programa geri dönüş işlemi, ayrılma noktası
adreslerinin kaydedilmesini gerektirmektedir. Bu yapıda, alt
program içerisinde tekrar başka bir alt program çağrılarak
işletilebilir. Bir alt programın ya da iç içe alt programların
işletiminde ve geri dönüşlerde, kaybolmaması gereken
adres bilgileri yığın belleğe sıralı bir biçimde yazılarak
korunur. Şekil 2.’de yığın bellek kullanımına ilişkin
animasyon ortamı görülmektedir.
Şekil 3. Interrupt işleyişine ilişkin animasyon görseli.
Uygulamada eş zamanlı herbir görev için ayrı bir interrupt
sinyali kullanılır. Interrupt sinyali ile yapılmak istenen
görevleri tanımlayan öge ise yine bu amaçla düzenlenmiş
olan alt programlardır. Alt program işletimi, daima ana
programa geri dönüş için ayrılma noktası adreslerinin
korunmasını gerektirir. Interrupt yolu ile alt program
erişiminde ayrıca ana programda kalınan son noktaya ait
durum (status) bilgisinin de saklanması gerekir.
Mikroişlemcide yer alan bayrak yazmacında tutulan bu bilgi,
alt programda işletilen komutların bir sonucu olarak
değişmektedir. Alt programdan ana programa geri dönüş
sonrasında, ana programın hatasız olarak sürdürülmesi bu
verinin korunmasına bağlıdır.
Mikroişlemci bir interrupt sinyali algıladığında, öncelikle
kaybedilmemesi gereken adres ve durum bilgilerini yığın
belleğe kaydeder. Daha sonra interrupt vektörü denilen
özel adreslere ulaşarak alt programa ait bellek erişim
adresini öğrenir. Alt programa erişim sağlanarak buradaki
komutların işletilmesi, sonlandırma komutuna kadar devam
eder. Sonlandırma komutu ile ana programa dönüş süreci
başlar ve geri dönüşe kılavuzluk edecek olan bilgiler yığın
bellekten sırası ile geri alınarak interrupt işlemi tamamlanır.
Bu şekilde mikroişlemci ana programa geri dönmüş olarak
ayrıldığı noktadan itibaren komut işletimine devam eder.
Interrupt yapısına ilişkin sözü edilen bir dizi işlem
mikroişlemci tarafından otomatik olarak gerçekleştirilen
temel bir fonksiyondur.
Şekil 2. Yığın Bellek erişimi için animasyon ortamı.
Bu sistem işleyişi sırasında yığın belleği adresleyen
yazmaç, ileri ve geri yönde sayan otomatik bir sayaç
davranışı göstererek kaydedilen verinin üstüne yeni gelen
bir adres verisinin yazılmasını ya da hatalı adres verilerinin
okunmasını önler.
Interrupt işleyişi
Interrupt bir kesme fonksiyonudur. Interrupt olayında temel
yaklaşım, mikroişlemcinin donanım kaynaklı bir sinyal ile
uyarılarak ana program işleyişinin kesintiye uğratılması ve
bu şekilde daha acil/önemli bir işlemin yerine getirilmesidir.
Bu fonksiyon, oluşma anına göre eş zamanlı olarak
yapılması istenen görevlerin yerine getirilmesinie imkan
sağlar. Böylelikle, oluşumu gözlenen bir olayın algılanması
ya da mikroişlemci çevre birimlerinin servis ihtiyaçları,
zaman alıcı sürekli denetim yerine bir sinyal ile uyarma
esasına göre otomatik olarak gerçekleştirilir. Şekil 3. ‘de
interrupt işleyişinin tüm adımlarını göstermek amacıyla
hazırlanan animasyona ait grafik ortamı görülmektedir.
SONUÇ
Bu çalışmada, mikroişlemci eğitimi için hazırlanmış olan
animasyonlar örnekleri tanıltılarak, öğrenmede hareketli
görsellerin algılama yeteneğini arttırması konu edilmektedir.
Mikroişlemci konularında, ardışıl alt adımlardan oluşan ve
biribirini etkileyen işlemler yer almaktadır. Herhangi bir ana
işlem fonksiyonu ya da buna ait alt adımların işleyişi ve
ürettikleri sonuç, birbiri ile ve/veya önceki fonksiyonun
oluşturduğu duruma göre gerçekleşmektedir. Ayrıca
fonksiyon ve komutlardan oluşturulan bir program parçası
aynı oranda karmaşık görünen bir yapı sergilemektedir. Bu
tür anlatım özelliklerini taşıyan konularda, görsel materyaller
ve özellikle animasyon tabanlı sunumlar öğrenmede etkin
faydalar sağlamaktadır.
Oluşturulan animasyon ortamı, sözü edilen sıralı işlemler ve
ayrıntıların tekrarlı gözlemlenmesine imkan verecek şekilde
tasarlanmıştır. Bu amaçla ileri ve geri adımlara erişimi
sağlayan kontrol butonları üretilmiştir. Olayların tekrarlı
olarak gözlenmesi algılama yeteneğini ve sonrasındaki
kalıcılığı pekiştirici bir rol oynar. Simülasyon programları da
benzer bir ihtiyacı karşılamakla birlikte, laboratuvar
446
uygulamalarına için tasarlanmış olması nedeniyle standart
sunum özellikleri gösterir. Anlatımda eğitimcinin tercih
edeceği görsel vurgular oluşturulamaz ve anlatıma yönelik
ana mesajlar eklenemez.
REFERANSLAR
E. P. Ferlin, V. P. Júnior (2004). Microprocessors: From
Theory to Practice, a Didactic Experience. 34th
ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,
(S1D4-S1D7).
Mikroişlemci konularının oluşturulan animasyonları ile
anlatımına ilişkin çalışmalarda, öğrencilerin
üzerinde
algılama
kolaylığının
sağlandığı
gözlemlenmektedir.
Öğrenciler üzerinde, anlatım sonrası edindikleri bilgi
seviyesinin değerlendirilmesi ve sözlü anlatım sonuçları ile
kıyaslanması bu gözlemi doğrulamaktadır. Ancak burada
verimlilik oranının net bir şekilde belirlenmesinde temel
zorluklar ortaya çıkmaktadır. Başlıca zorluklar, konuların
farklılığı, anlatım tarzı, hedef öğrenci kitlesindeki değişimler,
öğrencileri etkileyen dış faktörler, ders için gerekli temel alt
yapı seviyesindeki farklılıklar şeklinde tanımlanabilir.
Barry B. Brey. (2005). The Intel Microprocessors,
(hardcover), Prentice Hall.
Jae Wook Jeon. (2000). A Microprocessor Course:
Designing and Implementing Personal
Microcomputers, IEEE Transaction on education,
Vol. 43, No. 4.
Manuel A. Perez. (1999). Integrated Development
Environment for a Microcontroller Systems
Laboratory, 29th ASEE/IEEE Frontiers in
Education Conference, 12c6 (11-16).
M. R. Smith and M. Cheng. (1996).Use of “virtual”
(simulated) hardware devices in microprocessor
laboratories and tutorials. IEEE FIE ‘96
Proceedings (1181-1185).
Haluk Gümüşkaya. (1999).Mikroişlemciler ve Bilgisayarlar,
Alfa Yayınları, Istanbul.
447