Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 4: Kiến trúc bộ lệnh (Tiếp theo)

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 4

KIẾN TRÚC BỘ LỆNH

(Tiếp theo)

03/2017

1

Tuần 04 – Kiến trúc bộ lệnh (tiếp theo)

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 4 – 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

Biểu diễn lệnh

❖ Làm thế nào một lệnh (add $t0, $s1, $s2) lưu giữ được trong máy tính?

Máy tính chỉ có thể làm việc với các tín hiệu điện tử thấp và cao, do đó một

lệnh lưu giữ trong máy tính phải được biểu diễn như là một chuỗi của "0" và

"1", được gọi là mã máy/lệnh máy.

❖ Ngôn ngữ máy (Machine language): biểu diễn nhị phân được sử dụng để

giao tiếp trong một hệ thống máy tính.

❖ Để chuyển đổi từ một lệnh sang mã máy (machine code) sử dụng định

dạng lệnh (instruction format).

Định dạng lệnh: Một hình thức biểu diễn của một lệnh bao gồm các trường của số

nhị phân.

Ví dụ một định dạng lệnh:

03/2017

4

Biểu diễn lệnh

❖ Ví dụ: Chuyển đổi một lệnh cộng trong MIPS thành một

lệnh máy:

add $t0,$s1,$s2

Với định dạng lệnh:

03/2017

5

Biểu diễn lệnh

❖ Trả lời: Chuyển đổi một lệnh cộng trong MIPS thành một lệnh máy:

add $t0, $s1, $s2

Định dạng lệnh:

Mã máy:

▪ Mỗi phân đoạn của một định dạng lệnh được gọi là một trường (ví dụ trường op,

rs, rt, rd, shamt, funct).

▪ Trong ngôn ngữ assembly MIPS, thanh ghi $s0 đến $s7 có chỉ số tương ứng từ 16

đến 23, và thanh ghi $t0 đến $t7 có chỉ số tương ứng từ 8 đến 15.

▪ Các trường rs, rt, rd chứa chỉ số của các thanh ghi tương ứng; trường op và funct

có giá trị bao nhiêu cho từng loại lệnh do MIPS quy định

→ Trường ‘shamt’?

Tra trong bảng “MIPS reference data” (trang 2 sách tham khảo chính) để có các giá trị

cần thiết

03/2017

6

Biểu diễn lệnh

❖ Từ một mã máy đang có, như thế nào máy tính hiểu?

op

rs

rt

rd

shamt

funct

▪ Trường đầu tiên (op, tức opcode có giá trị 0) và trường cuối cùng (funct, tức

function có giá trị 20_hex) kết hợp báo cho máy tính biết rằng đây là lệnh cộng

(add).

▪ Trường thứ hai (rs) cho biết toán hạng thứ nhất của phép toán cộng (rs hiện có

giá trị 17, tức toán hạng thứ nhất của phép công là thanh ghi $s1)

▪ Trường thứ ba (rt) cho biết toán hạng thứ hai của phép toán cộng (rt hiện có giá

trị 18, tức toán hạng thứ hai của phép công là thanh ghi $s2)

▪ Trường thứ tư (rd) là thanh ghi đích chứa tổng của phép cộng (rd hiện có giá trị

8, tức thanh ghi đích chứa tổng là $t0).

▪ Trường thứ năm (shamt) không sử dụng trong lệnh add này

03/2017

7

Biểu diễn lệnh

Các dạng khác nhau của định dạng lệnh MIPS :

▪R-type hoặc R-format (cho các lệnh chỉ làm việc với thanh ghi)

▪I-type hoặc I-format (cho các lệnh có liên quan đến số tức thời và truyền

dữ liệu)

▪J-type hoặc J-format (lệnh nhảy, lệnh ra quyết định)

03/2017

8

Biểu diễn lệnh

Các dạng khác nhau của định dạng lệnh MIPS :

op (Hay còn gọi là opcode, mã tác vụ): Trong cả ba định dạng của lệnh,

trường op luôn chiếm 6 bits.

Khi máy tính nhận được mã máy, phân tích op sẽ cho máy tính biết được đây

(*)

là lệnh gì , từ đó cũng biết được mã máy thuộc loại định dạng nào, sau đó

các trường tiếp theo sẽ được phân tích.

^(*)Lưu ý: MIPS quy định nhóm các lệnh làm việc với 3 thanh ghi (R-format) đều có op là 0. Vì

vậy, với R-format, cần dùng thêm trường ‘funct’ để biết chính xác lệnh cần thực hiện là lệnh

nào.

03/2017

9

Biểu diễn lệnh

Các trường của R-format:

▪rs: Thanh ghi chứa toán hạng nguồn thứ nhất

▪rt: Thanh ghi chứa toán hạng nguồn thứ hai

▪rd: Thanh ghi toán hạng đích, nhận kết quả của các phép toán.

▪shamt: Chỉ dùng trong các câu lệnh dịch bit (shift) - chứa số lượng bit cần

dịch (không được sử dụng sẽ chứa 0)

▪funct: Kết hợp với op (khi op bằng 0) để cho biết mã máy là lệnh gì

03/2017

10

Biểu diễn lệnh

Các trường của I-format và J-format:

Vùng “constant or address” (thỉnh thoảng gọi là vùng immediate) là vùng

chứa số16 bit.

✓ Với lệnh liên quan đến memory (như lw, sw): giá trị trong thanh

ghi rs cộng với số 16 bits này sẽ là địa chỉ của vùng nhớ mà lệnh

này truy cập đến.

✓ Với lệnh khác (như addi): 16 bits này chứa số tức thời

Vùng “address” là vùng chứa số 26 bit (dùng cho lệnh ‘j’)

03/2017

11

Biểu diễn lệnh

❖ Ví dụ một số lệnh MIPS và các trường tương ứng

▪“reg” nghĩa là chỉ số thanh ghi (giữa 0 và 31)

▪“address” nghĩa là 1 địa chỉ 16 bit.

▪“n.a.” (không áp dụng) nghĩa là trường này không xuất hiện trong định dạng

này.

▪Lưu ý rằng lệnh ‘add’ và ‘sub’ có cùng giá trị trong trường "op"; do đó phần

cứng sẽ sử dụng thêm trường "funct" để quyết định đây là lệnh gì

•Funct = 32_ten= 20_hex→ lệnh ‘add’

•Funct = 34_ten= 22_hex→ lệnh ‘sub’

03/2017

12

Biểu diễn lệnh

Ví dụ: Chuyển ngôn ngữ cấp cao → Assembly MIPS → mã máy

Chuyển câu lệnh sau sang assembly MIPS và sau đó chuyển thành mã máy:

A[300] = h + A[300]

Biết A là một mảng nguyên, mỗi phần tử của A cần một từ nhớ để lưu trữ; $t1 chứa địa

chỉ nền/cơ sở của mảng A và $s2 tương ứng với biến nguyên h.

Đáp án: Assembly MIPS:

lw $t0,1200($t1) # Dùng thanh ghi tạm $t0 nhận A[300]

add $t0,$s2,$t0 # Dùng thanh ghi tạm $t0 nhận h + A[300]

sw $t0,1200($t1) # Lưu h + A[300] trở lại vào A[300]

Mã máy cho ba lệnh trên:

03/2017

13

Biểu diễn lệnh

Kết luận:

1.Các lệnh được biểu diễn như là các con số.

2.Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ được đọc hay viết giống như các

con số.

▪ Xem lệnh như là dữ liệu là cách tốt nhất để đơn giản hóa cả bộ

nhớ và phần mềm của máy tính.

▪Để chạy/thực thi một chương trình, đơn giản chỉ cần nạp chương trình và

dữ liệu vào bộ nhớ; sau đó báo với máy tính để bắt đầu thực thi chương

trình tại vị trí mà nó đã được cấp phát.

03/2017

14

Tuần 4 – 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

15

Các phép tính Logic

Hình 7: C và Java các phép tính logic và lệnh MIPS tương ứng.

▪Shift: Lệnh dịch chuyển bit.

▪AND: là phép toán logic “VÀ”.

▪OR: là một phép toán logic “HOẶC”

▪NOT: kết quả là 1 nếu bit đó là 0 và ngược lại.

▪NOR: NOT OR.

▪Hằng số rất hữu ích trong các phép toán logic AND và OR cũng như trong

phép tính số học, vì vậy MIPS cung cấp các lệnh trực tiếp andi và ori.

03/2017

16

Tuần 4 – 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

17

Các lệnh điều kiện và nhảy

❖Một máy tính (PC) khác với các máy tính tay (calculator) chính là dựa trên khả

năng đưa ra quyết định.

❖Trong ngôn ngữ lập trình, đưa ra quyết định thường được biểu diễn bằng cách sử

dụng câu lệnh “if”, đôi khi kết hợp với câu lệnh “go to”.

❖Ngôn ngữ Assembly MIPS cũng chứa các lệnh hỗ trợ ra quyết định, tương tự với

câu lệnh "if" và “go to".

Ví dụ: beq register1, register2, L1

Lệnh này có nghĩa là đi đến câu lệnh có nhãn L1 nếu giá trị của thanh ghi register1

bằng giá trị thanh ghi register2.

Từ ‘beq’ là viết tắt của “branch if equal” (rẽ nhánh nếu bằng)

➔ Các lệnh như ‘beq’ được gọi là lệnh rẽ nhánh có điều kiện.

03/2017

18

Các lệnh điều kiện và nhảy

Các lệnh rẽ nhánh có điều kiện (conditional branch) của MIPS:

branch on equal

beq $s1, $s2 25

if ($s1 == $s2) goto PC + 4 + 100

if ($s1 != $s2) goto PC + 4 + 100

branch on not equal bne $s1, $s2, 25

set on less than

slt $s1, $s2, $s3

if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0

set on less than

unsigned

Conditional

branch

set on less than

immediate

slt $s1, $s2, 20

if ($s2 < 20) $s1 = 1; else $s1 = 0

set on less than

immediate unsigned

03/2017

19

Các lệnh điều kiện và nhảy

Ngoài ra còn có các lệnh rẽ nhánh có điều kiện khác, nhưng là

nhóm lệnh giả (pseudo instructions)

branch on less than

branch greater than

branch less than or equal

blt

Conditional

branch

bgt

ble

(pseudo

instruction)

bge

branch greater than or equal

(Tham khảo trang số 2, sách tham khảo chính)

03/2017

20