Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 12: Tập lệnh - Đặc điểm và chức năng

1

⁺Chương 12

Tập lệnh:

Đặc điểm và chức năng

2

+

NỘI DUNG

1. Đặc điểm tập lệnh

2. Các loại toán hạng

3. Các loại dữ liệu trong Intel x86 và ARM

4. Các loại Hành động (operation)

5. CISC và RISC

3

+

1. Đặc điểm tập lệnh

 Lệnh máy (machine instructions hay computer instructions): các

lệnh mà VXL thực hiện, quyết định hành động của VXL

 Tập lệnh (instruction set): tập hợp các lệnh khác nhau mà VXL

có thể hiểu & thực hiện

 Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định

 Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh

 Mỗi lệnh phải có những thông tin cần thiết cho bộ xử lý thực

hiện hành động

4

+

Các thành phần của lệnh

 Mã lệnh - (opcode): chỉ ra hành động cần thực hiện. Opcode

được xác định bởi một mã nhị phân.

 Địa chỉ toán hạng nguồn: 1 hành động có thể liên quan đến

một hoặc nhiều toán hạng nguồn. Toán hạng nguồn là đầu vào

của hành động

 Địa chỉ toán hạng đích: 1 hành động có thể tạo ra một kết quả

đích

 Địa chỉ lệnh tiếp theo: chỉ cho VXL nơi để lấy lệnh tiếp theo sau

khi hoàn thành lệnh này

5

Sơ đồ trạng thái chu kỳ lệnh

6

Toán hạng có thể ở một trong 4 vùng sau:

Thanh ghi

Bộ nhớ chính/bộ nhớ ảo

 Một VXL chứa một hoặc nhiều

 phải cung cấp địa chỉ bộ

nhớ chính hoặc bộ nhớ ảo,

như với tham chiếu đến

lệnh tiếp theo

thanh ghi, các thanh ghi này có thể

được các lệnh tham chiếu đến.

 Nếu có nhiều thanh ghi, mỗi

thanh ghi được gán 1 tên hoặc chỉ

số riêng. Lệnh tham chiếu đến

thanh ghi nào phải chứa chỉ số của

thanh ghi đó

Thiết bị vào/ra (I/O)

 Lệnh phải chỉ ra thiết bị và

module vào/ra cho hành

động. Nếu sử dụng I/O ánh

xạ bộ nhớ thì đó chỉ là 1 địa

chỉ bộ nhớ chính hoặc bộ

nhớ ảo khác

Immediate (tức thời)

 Giá trị của toán hạng đặt trong1

trường trong lệnh đang thực hiện

7

+

Biểu diễn lệnh

 Trong máy tính, mỗi lệnh được biểu diễn bằng một chuỗi bit

 Lệnh được chia ra thành các trường tương ứng với các thành

phần cấu thành của lệnh

 Để thuận tiện, sử dụng biểu diễn ký tự gợi nhớ

 VD: ADD, SUB, LOAD

8

+

Các loại lệnh

 Xử lý dữ liệu

 Lệnh số học cung cấp khả năng tính toán để xử lý dữ liệu số

 Lệnh logic (Boolean) thực hiện trên các bit của một từ dưới dạng bit chứ

không phải là số, do đó chúng cung cấp khả năng xử lý bất kỳ loại dữ liệu

nào mà người dùng muốn

 Lưu trữ dữ liệu

 Việc chuyển dữ liệu vào hay ra thanh ghi và/hoặc bộ nhớ

 Di chuyển dữ liệu

 Lệnh vào/ra được sử dụng để truyền chương trình và dữ liệu vào bộ nhớ,

truyền kết quả tính toán lại cho người dùng

 Điều khiển

 Lệnh kiểm tra: kiểm tra giá trị của dữ liệu hoặc trạng thái của 1 phép toán

 Lệnh rẽ nhánh: rẽ nhánh tới 1 tập lệnh khác dựa vào điều kiện sẵn có

9

+

Số lượng địa chỉ trong lệnh (a)

 3 địa chỉ

 Toán hạng 1, Toán hạng 2, Kết quả

 c = a + b;

 Từ lệnh phải rất dài để lưu được cả 3 địa chỉ của 3 toán hạng

 Ví dụ: Y = (A – B)/[C + (D * E)]

 T – vị trí tạm thời, lưu trữ kết quả trung gian

10

+

Số lượng địa chỉ trong lệnh (b)

 2 địa chỉ

 1 địa chỉ phải nhận 2 vai trò là toán hạng nguồn và kết quả, địa chỉ

còn lại là của toán hạng nguồn

 a = a + b

 Giảm độ dài lệnh

 Phát sinh thêm công việc: Lưu trữ tạm thời một số kết quả

11

+

Số lượng địa chỉ trong lệnh (c)

 1 địa chỉ

 Một toán hạng được chỉ ra trong lệnh

 Một toán hạng là ngầm định  thường là 1 thanh ghi (AC - tích luỹ)

 Phổ biến trong các máy tính đời đầu

12

+

Số lượng địa chỉ trong lệnh (d)

 0 địa chỉ

 Tất cả địa chỉ toán hạng được ngầm định

 Sử dụng ngăn xếp (stack)

 Stack là các vị trí nhớ LIFO

 Ví dụ:

push a

push b

add

pop c

Có nghĩa là: c = a+b

 „Không thông dụng

13

+

Sử dụng các địa chỉ lệnh

(Các câu lệnh không rẽ nhánh)

14

+

Số lượng địa chỉ bao nhiêu là đủ?

 Nhiều địa chỉ hơn

 Lệnh phức tạp hơn, dài hơn

 Thực hiện lệnh chậm hơn

 Cần nhiều thanh ghi hơn

 Tham chiếu thanh ghi bên trong nhanh hơn  tăng tốc độ xử lý

 Ít lệnh trên 1 chương trình

 Ít địa chỉ hơn

 Lệnh ít phức tạp hơn, ngắn hơn

 Truy xuất/thực thi lệnh nhanh hơn

 Nhiều lệnh trên 1 chương trình  chương trình dài, phức tạp hơn

15

Các vấn đề thiết kế tập lệnh

. Danh sách các hành động

. Bao nhiêu hành động? Hành động nào? Độ phức tạp của hành

động?

. Các kiểu dữ liệu

. Các kiểu dữ liệu mà các hành động tham chiếu đến

. Định dạng lệnh

. Độ dài lệnh (bit), số lượng địa chỉ, kích thước các trường, ...

. Các thanh ghi

. Số lượng thanh ghi của VXL mà lệnh có thể tham chiếu đến?

Cách sử dụng thanh ghi?

. Các phương pháp định địa chỉ

. Một hoặc nhiều chế độ định địa chỉ của toán hạng

. RISC hay CISC

. „ Reduced Instruction Set Computing

. „Complex Instruction Set Computing

16

2. Các loại toán hạng

17

+

Số

 Tất cả các ngôn ngữ máy đều có dữ liệu dạng số

 Số được lưu trữ trong máy tính là hữu hạn

 Độ lớn của số biểu diễn được trên máy bị giới hạn

 Độ chính xác bị giới hạn (số dấu chấm động)

 Ba kiểu dữ liệu số thông thường:

 Số nguyên nhị phân hoặc số nhị phân dấu chấm tĩnh

 Số nhị phân dấu chấm động

 Sô thập phân

 Packed decimal

 Mỗi chữ số thập phân được biểu diễn bởi một mã 4 bit, 2 chữ số đươc

lưu trữ trên một byte

 Để tạo số, các mã 4 bit được nối với nhau, thường là bội của 8 bit

18

+

Ký tự

 Một trong những dạng dữ liệu cơ bản là văn bản (text) hoặc xâu

ký tự (character strings)

 Dữ liệu văn bản dưới dạng ký tự không thể lưu trữ hoặc truyền

qua hệ thống xử lý dữ liệu và truyền thông vì các hệ thống này

được thiết kế cho dữ liệu nhị phân

 Bảng mã mã hóa ký tự được sử dụng phổ biến nhất là bảng mã

IRA (International Reference Alphabet)

 Còn được gọi là mã ASCII (American Standard Code for Information

Interchange)

 Bảng mã EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange

Code) được sử dụng trong các máy mainframe của IBM

19

+

Dữ liệu logic

 Một khối n-bit gồm n phần tử dữ liệu 1 bit, mỗi phần tử có

giá trị 0 hoặc 1

 Hai ưu điểm của view theo bit:

 Bộ nhớ được sử dụng hiệu quả nhất để lưu trữ một mảng

các phần tử dữ liệu nhị phân/ Boolean, trong đó mỗi phần tử

chỉ nhận giá trị 1 (đúng) hoặc 0 (sai)

 Để thao tác trên các bit của một phần dữ liệu

 Nếu phép toán dấu chấm động thực hiện trong phần mềm, trong

một số phép toán ta cần phải dịch các bit có nghĩa

 Để chuyển đổi từ IRA thành packed decimal, ta cần trích xuất 4

bit bên phải của mỗi byte

20

+

3.1. Các kiểu dữ liệu x86

 Byte 8 bit

 Từ 16 bit

 Double word 32 bit

 Quad word 64 bit

 Double quadword 128 bit

 Định địa chỉ cho từng đơn vị 8 bit

 Các từ không cần phải căn tại địa chỉ chẵn

 Dữ liệu truy cập vào bus 32 bit theo đơn vị double word

được đọc tại các địa chỉ chia hết cho 4

 Little endian: byte ít quan trọng nhất được lưu giữ ở địa chỉ

thấp nhất

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 12: Tập lệnh - Đặc điểm và chức năng - Nguyễn Hằng Phương