Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Ngôn ngữ máy - Tập lệnh

Kiến trúc Máy tính

Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Chương 2

Ngôn ngữ Máy:

Tập lệnh

BK

TP.HCM

Các thành phần & Cấu trúc

BK

TP.HCM

2

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Các bước thực hiện lệnh

. Nạp lệnh: từ bộ nhớ

. PC tăng lên sau mỗi lần nạp lệnh

. PC lưu địa chỉ lệnh kế tiếp

. Thực hiện lệnh: giải mã & thực hiện lệnh

BK

TP.HCM

3

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Tập lệnh (Instruction Set)

 Tập các lệnh của 1 máy tính

 Máy tính khác nhau có các tập lệnh

khác nhau



Tuy vậy, có thể có nhiều điểm giống nhau

 Máy tính ở các thế hệ trước thường có

tập lệnh rất đơn giản



Lý do: dễ thực hiện

 Một số máy tính hiện nay cũng có tập

lệnh đơn giản

BK

TP.HCM

4

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Tập lệnh MIPS

 Được sử dụng trong môn học này

 Stanford MIPS được thương mại hóa bởi

MIPS Technologies (www.mips.com)

 Có thị phần lớn với lõi nhúng (embedded

core)



Ứng dụng trong thiết bị điện tử, Mạng, lưu trữ,

Camera, máy in, v.v., …

 Đặc thù cho nhiều kiến trúc tập lệnh mới



Tham khảo MIPS Data tear-out card, và trong phụ

lục B, E của sách giáo khoa

BK

TP.HCM

5

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Phép tính số học

 Phép cộng (+) và trừ (-): 3 toán hạng



2 nguồn và 1 đích

add a, b, c # a = b + c

 Các phép tính số học đều có dạng trên

 Nguyên tắc thiết kế 1: Đơn giản dễ tạo

tính quy tắc



Tính quy tắc sẽ đơn giản hơn việc thực

hiện



Đơn giản sẽ nâng hiệu xuất, giảm giá

thành.

BK

TP.HCM

6

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Ví dụ: thực hiện phép số học

 C code:

f = (g + h) - (i + j);

 Sau khi biên dịch thành MIPS code:

add t0, g, h # temp t0 = g + h

add t1, i, j # temp t1 = i + j

sub f, t0, t1 # f = t0 - t1

BK

TP.HCM

7

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Toán hạng là thanh ghi

 Có nhiều lệnh số học sử dụng các thanh ghi

làm toán hạng

 MIPS có tệp 32 thanh ghi 32-bit



Use for frequently accessed data

Đánh số từ 0 đến 31

32-bit dữ liệu được gọi là 1 “từ” (“word”)

 Được đặt tên gợi nhớ (Ass. Names):



$t0, $t1, …, $t9 chứa các giá trị tạm thời



$s0, $s1, …, $s7 chứa các biến

 Nguyên tắc thiết kế 2: Càng nhỏ, càng nhanh



Ngược lại với bộ nhớ chính: hàng triệu ô nhớ.

BK

TP.HCM

8

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Ví dụ: toán hạng thanh ghi

 C code:

f = (g + h) - (i + j);



f, …, j chứa trong $s0, …, $s4

 Sau khi biên dịch thành MIPS code:

add $t0, $s1, $s2

add $t1, $s3, $s4

sub $s0, $t0, $t1

BK

TP.HCM

9

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Toán hạng là bộ nhớ

 Bộ nhớ chính dùng để lưu trữ toán hạng có

cấu trúc



Arrays, structures, dynamic data

 Sử dụng cho các phép số học



Nạp các giá trị từ bộ nhớ vào các thanh ghi

Lưu giữ các kết quả trong thanh ghi ra bộ nhớ

 Bộ nhớ được định vị theo đơn vị từng byte



Mỗi địa chỉ định vị trí cho một 8-bit byte

 1 từ được sắp xếp gồm 4 bytes trong bộ nhớ



Địa chỉ truy xuất = Địa chỉ biểu diễn * 4 byte

 MIPS chứa dữ liệu theo Big Endian



Big Endian: Byte có giá trị lớn nằm ở địa chỉ thấp

Little Endian: Byte có giá trị nhỏ nhất  Địa chỉ

thấp

BK

TP.HCM

10

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Ví dụ 1: Toán hạng bộ nhớ

 C code:

g = h + A[8];



g chứa trong $s1, h trong $s2, địa chỉ cơ

sở của A chứa trong $s3

 Sau khi biên dịch thành MIPS code:



Chỉ số 8 tương đương với độ dời 32



4 bytes/word

lw $t0, 32($s3) # Nạp 1 từ (4bytes)

add $s1, $s2, $t0

BK

TP.HCM

11

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Ví dụ 2: Toán hạng bộ nhớ

 C code:

A[12] = h + A[8];



h chứa trong $s2, địa chỉ cơ sở của A chứa

trong $s3

 Sau khi biên dịch thành MIPS code:



Chỉ số 8 tương đương với độ dời 32

lw $t0, 32($s3) # Nạp 1 từ

add $t0, $s2, $t0

sw $t0, 48($s3) # Nhớ 1 từ

BK

TP.HCM

12

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

So sánh toán hạng thanh ghi & bộ nhớ

 Truy cập toán hạng thanh ghi nhanh

hơn bộ nhớ

 Thực hiện toán hạng thanh ghi cần nạp

và cất dữ liệu  cần nhiều lệnh thực

hiện hơn

 Trình biên dịch yêu cầu các biến chứa

trong thanh ghi tối đa



Chỉ chứa các biến trong bộ nhớ khi chúng

ít được dùng đến



Tối ưu thanh ghi rất quan trọng!

BK

TP.HCM

13

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Toán hạng trực tiếp

 Các dữ liệu hằng trong 1 lệnh, như

addi $s3, $s3, 4

 Không tồn tại lệnh trừ với toán hạng

trực tiếp (?????)



Tương đương với cộng 1 số âm

addi $s2, $s1, -1

 Nguyên tắc thiết kế 3: Làm cho các

trường hợp phổ biến thực hiện nhanh



Hằng có giá trị nhỏ rất phổ biến



Toán hạng trực tiếp trách được lệnh nạp

BK

TP.HCM

14

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Thanh ghi Hằng 0 (Zero)

 Thanh ghi MIPS 0 ($zero) là hằng cố

định có giá trị 0



Giá trị không thay đổi được

 Có ích cho các tác vụ thường gặp như:



Ví dụ, gán giá trị một thanh ghi cho thanh

ghi khác

add $t2, $s1, $zero # $t2 = $s1

BK

TP.HCM

15

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Số nguyên nhị phân không dấu

 Cho 1 số n-bit, có dạng

 Tầm vực giá trị sẽ là: 0 đến +2ⁿ– 1

 Ví dụ:



0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1011₂

= 0 + … + 1×2³+ 0×2²+1×2¹+1×2⁰

= 0 + … + 8 + 0 + 2 + 1 = 11₁₀

 Giá trị 1 số nhị phân không dấu 32-bit

sẽ là:



0 đến +4,294,967,295 (giá trị thập phân)

BK

TP.HCM

16

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Số nguyên có dấu dạng bù 2

 Cho 1 số n-bit như sau:

 Tầm giá trị: –2^{(n – 1)}đến +2^{(n – 1)}– 1

 Ví dụ:



1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100₂

= –1×2³¹+ 1×2³⁰+ … + 1×2²+0×2¹+0×2⁰

= –2,147,483,648 + 2,147,483,644 = –4₁₀

 Giá trị 1 số nhị phân có dấu 32-bit sẽ

là



–2,147,483,648 đến +2,147,483,647

BK

TP.HCM

17

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Số nguyên có dấu dạng bù 2 (tt.)

 Bit 31 là bit dấu



1 có nghĩa là số âm (-)



0 có nghĩa là số không âm (+)

 Dạng –(–2^{n – 1}) không tồn tại

 Các số không âm biểu diễn giống số không

dấu và số bù 2

 Vài số đặc biệt như:



0: 0000 0000 … 0000

–1: 1111 1111 … 1111

Số âm nhỏ nhất: 1000 0000 … 0000

Số dương lớn nhất: 0111 1111 … 1111

BK

TP.HCM

18

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Số âm có dấu

 Đảo giá trị bit và cộng 1



Đảo giá trị bit: 1 → 0, 0 → 1

 Ví dụ: giá trị (-) 2



+2 = 0000 0000 … 0010₂



–2 = 1111 1111 … 1101₂+ 1

= 1111 1111 … 1110₂

BK

TP.HCM

19

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Mở rộng bit với số có dấu

 Biểu diễn với số bit nhiều hơn



Dữ nguyên giá trị

 Ví dụ: Trong tập lệnh MIPS



addi: mở rộng số bit giá trị toán hạng trực tiếp

lb, lh: mở rộng số bit với byte/(1/2 từ) được nạp

beq, bne: mở rộng số bit của độ dời địa chỉ

 Thêm giá bit dấu vào các bit mở rộng bên trái



Đối với giá trị không dấu: gán 0s

 Ví dụ: chuyển số 8-bit thành số 16-bit



+2: 0000 0010 => 0000 0000 0000 0010



–2: 1111 1110 => 1111 1111 1111 1110

BK

TP.HCM

20

4/5/2019

Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Ngôn ngữ máy - Tập lệnh - Nguyễn Thanh Sơn