Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 3: Kiến trúc bộ lệnh

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 3

KIẾN TRÚC BỘ LỆNH

03/2017

1

Tuần 03 – Kiến trúc bộ lệnh

Mục tiêu:

1.Hiểu cách biểu diễn và cách thực thi các lệnh trong máy

tính

2.Chuyển đổi lệnh ngôn ngữ cấp cao sang assembly và mã

máy

3.Chuyển đổi lệnh mã máy sang ngôn ngữ cấp cao hơn

4.Biết cách lập trình bằng ngôn ngữ assembly cho MIPS

Slide được dịch và cá c hì nh được lấy từ sá ch tham khảo:

Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface,

Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition,

2011.

03/2017

2

Tuần 3 – Kiến trúc bộ lệnh

1. Giới thiệu

2. Các phép tính

3. Toán hạng

4. Số có dấu và không dấu

5. Biểu diễn lệnh

6. Các phép tính Logic

7. Các lệnh điều kiện và nhảy

03/2017

3

Giới thiệu

❖ Để ra lệnh cho máy tính ta phải nói với máy tính bằng

ngôn ngữ của máy tính. Các từ của ngôn ngữ máy tính gọi là

các lệnh (instructions) và tập hợp tất cả các từ gọi là bộ lệnh

(instruction set)

❖Bộ lệnh trong chương này là MIPS, một bộ lệnh kiến trúc

máy tính được thiết kế từ năm 1980. Cùng với hai bộ lệnh

thông dụng nhất ngày nay:

▪ ARM (rất giống MIPS)

▪The Intel x86

03/2017

4

Tuần 3 – Kiến trúc bộ lệnh

1. Giới thiệu

2. Các phép tính

3. Toán hạng

4. Số có dấu và không dấu

5. Biểu diễn lệnh

6. Các phép tính Logic

7. Các lệnh điều kiện và nhảy

03/2017

5

Phép tính (Operations)

Ví dụ:

add a, b, c ➔ Chỉ dẫn cho máy tính thực hiện cộng 2

biến b với c và ghi kết quả vào biến a,

a = b + c.

Phé p tí nh

(operations)

Toán hạng (operands)

03/2017

6

Phép tính (Operations)

Ví dụ 1.

Ví dụ 2.

C/Java

MIPS

a = b + c;

f = (g + h) – (i + j);

d = a – e;

MIPS

add t0, g, h

add t1, i, j

sub f, t0, t1

add a, b, c

sub d, a, e

03/2017

7

Ví dụ một số lệnh trên MIPS

03/2017

8

Tuần 3 – Kiến trúc bộ lệnh

1. Giới thiệu

2. Các phép tính

3. Toán hạng

4. Số có dấu và không dấu

5. Biểu diễn lệnh

6. Các phép tính Logic

7. Các lệnh điều kiện và nhảy

03/2017

9

Toán hạng

Có 3 loại toán hạng:

1.Toán hạng thanh ghi (Register Operands)

2.Toán hạng bộ nhớ (Memory Operands)

3.Toán hạng hằng (Constant or Immediate Operands)

03/2017

10

Toán hạng

Toán hạng thanh ghi:

❖ Không giống như các chương trình trong ngôn ngữ cấp cao, các

toán hạng của các lệnh số học bị hạn chế, chúng phải đặt trong các vị

trí đặc biệt được xây dựng trực tiếp trong phần cứng được gọi là

thanh ghi (số lượng thanh ghi có giới hạn: MIPS-32, ARM Cortex

A8-40).

❖ Kích thước của một thanh ghi trong kiến trúc MIPS là 32 bit; nhóm

32 bit xuất hiện thường xuyên nên chúng được đặt tên là “từ” (word)

trong kiến trúc MIPS.

(Lưu ý: một “từ” trong kiến trúc bộ lệnh khác có thể không là 32 bit)

❖ Một sự khác biệt lớn giữa các biến của một ngôn ngữ lập trình và

các biến thanh ghi là số thanh ghi bị giới hạn (thường là 32 thanh ghi

trên các máy tính hiện nay)

03/2017

11

Toán hạng

Các thanh ghi trong MIPS:

03/2017

12

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (1):

❖Vi xử lý chỉ có thể giữ một lượng nhỏ dữ liệu trong các thanh ghi, trong khi bộ

nhớ máy tính chứa hàng triệu dữ liệu.

❖Với lệnh MIPS, phép tính số học chỉ xảy ra trên thanh ghi, do đó, MIPS phải có

các lệnh chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và thanh ghi. Lệnh như vậy được gọi là lệnh

chuyển dữ liệu.

Lệnh chuyển dữ liệu: Một lệnh di chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và thanh ghi

❖ Để truy cập vào một từ trong bộ nhớ, lệnh phải cung cấp địa chỉ bộ nhớ.

Địa chỉ: Một giá trị sử dụng để phân định vị trí của một phần tử dữ liệu cụ thể

trong một mảng bộ nhớ.

03/2017

13

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (2):

❖ Bộ nhớ chỉ là một mảng đơn chiều lớn, với địa chỉ đóng vai

trò là chỉ số trong mảng đó, bắt đầu từ 0. Ví dụ, trong hình 1, địa

chỉ của phần tử thứ ba là 2, và giá trị của bộ nhớ [2] là 10.

Hình 2: Địa chỉ và nội dung bộ nhớ MIPS thực tế.

Mỗi từ nhớ (word) của MIPS là 4 bytes. MIPS định địa

chỉ theo byte, địa chỉ của mỗi word là địa chỉ của byte đầu

tiên trong word đó. Do đó, địa chỉ mỗi word trong MIPS

phải là bội của 4.

Hình 1: Địa chỉ và nội dung của bộ

nhớ giả lập như mảng.

03/2017

14

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (3):

❖ Lệnh chuyển dữ liệu từ bộ nhớ vào thanh ghi gọi là nạp

(load) (viết tắt lw − load word). Định dạng của các lệnh

nạp:

lw $s1,20($s2)

Độ dời (offset)

Địa chỉ nền/cơ sở (Base address)

Thanh ghi chứa địa chỉ nền/cơ sở

gọi là thanh ghi nền/cơ sở (Base

register)

•$s1: thanh ghi nạp dữ liệu vào.

•Một hằng số (20) và thanh ghi ($s2) được sử dụng để truy cập vào bộ nhớ.

Tổng số của hằng số và nội dung của thanh ghi này là địa chỉ bộ nhớ của

phần tử cần truy cập đến. Nội dung của từ nhớ này sẽ được đưa từ bộ nhớ

vào thanh ghi $s1

03/2017

15

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (4):

Ví dụ về lệnh lw:

Giả sử rằng A là một mảng của 100 phần tử (mỗi phần tử cần 1 word

lưu trữ) và trình biên dịch đã kết hợp các biến g và h với các thanh ghi

$s1 và $s2. Giả định rằng địa chỉ bắt đầu của mảng A (hay địa chỉ cơ

sở/nền) chứa trong $s3. Hãy biên dịch đoạn lệnh bằng ngôn ngữ C sau

sang MIPS:

Thực tế trong MIPS một

g = h + A[8];

word là 4 bytes, do đó lệnh

đúng phải là:

➔ Biên dịch:

lw $t0, 8($s3)

lw $ t0, 32($s3)

# $t0 nhận A[8]

add $s1,$s2,$t0 # g = h + A[8]

❖ Hằng số trong một lệnh truyền dữ liệu (8) gọi là offset, và thanh ghi chứa địa chỉ

bắt đầu của mảng ($s3) gọi là thanh ghi cơ sở.

03/2017

16

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (5):

❖ Lệnh chuyển dữ liệu từ thanh ghi ra bộ nhớ, gọi là lệnh

lưu (store) (viết tắt sw − store word). Định dạng của các

lệnh lưu:

sw $s1,20($s2)

Base address in base register

offset

•$s1: thanh ghi chứa dữ liệu cần lưu.

•Một hằng số (20) và thanh ghi ($s2) được sử dụng để truy cập vào bộ

nhớ. Tổng số của hằng số và nội dung của thanh ghi này là địa chỉ bộ nhớ,

nơi mà nội dung đang chứa trong thanh ghi $s1 sẽ được lưu vào đây.

03/2017

17

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (6):

Ví dụ lệnh sw:

Giả sử biến h được kết nối với thanh ghi $s2 và địa chỉ cơ

sở của mảng A là trong $s3. Biên dịch câu lệnh C thực hiện

dưới đây sang MIPS?

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

➔Biên dịch:

lw $t0,32($s3)

add $t0,$s2,$t0

# $t0 = A[8]

# $t0 = h + A[8]

sw $t0,48($s3)

# A[12] = $t0

03/2017

18

Toán hạng

Toán hạng bộ nhớ (7):

❖Alignment Restriction: Trong MIPS, các từ phải bắt đầu từ địa chỉ là bội

số của 4. Yêu cầu này được gọi là một “alignment restriction” và nhiều

kiến trúc hiện nay buộc tuân theo quy định này nhằm giúp việc truyền dữ liệu

nhanh hơn. Tuy nhiên một số kiến trúc vẫn không bắt buộc quy định này.

(Chú ý: Tại sao tuân theo điều này giúp truyền dữ liệu nhanh hơn → đọc

chương 5 sách tham khảo chính)

❖Leftmost - “Big End”, “Big Endian”

Rightmost - “Little End”, “Little Endian”

➔ MIPS thuộc dạng nào?

03/2017

19

Toán hạng

Toán hạng hằng:

Một hằng số/số tức thời (constant/immediate number) có thể

được sử dụng trong trong một phép toán

Ví dụ:

addi $s3, $s3, 4

# $s3 = $s3 + 4

Toán hạng hằng

03/2017

20