Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 5: Kiến trúc bộ lệnh (Tiếp theo)

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 5

KIẾN TRÚC BỘ LỆNH

(Tiếp theo)

03/2017

1

Tuần 05 – 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 5 – Kiến trúc bộ lệnh

Thủ tục (Procedure) cho assembly MIPS

03/2017

3

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖ Một thủ tục (procedure) hay một hàm (function) là một công cụ mà lập trình

viên sử dụng để xây dựng cấu trúc của những chương trình, với mục đích vừa

làm cho các chương trình đó dễ hiểu hơn vừa làm cho mã nguồn của các

chương trình này có thể được tái sử dụng.

✓Một chương trình có nhiều chức năng, mỗi chức năng sẽ được đưa vào một

hàm, hoặc một thủ tục

✓Các thủ tục hoặc hàm con này cho phép lập trình viên tại một thời điểm chỉ

cần tập trung vào một phần của công việc, dễ dàng quản lý việc lập trình hơn

❖ Assembly cũng giống như các ngôn ngữ cấp cao, một chương trình với

nhiều chức năng thì mỗi chức năng có thể đưa vào một thủ tục khác nhau.

Chú ý: Các thuật ngữ Routine/Procedure/Function có thể gặp trong một số môi

trường khác nhau; trong assembly và phạm vi môn học này, tất cả đều được

dịch là hàm hoặc thủ tục

03/2017

4

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖ Để thực thi một thủ tục, chương trình phải tuân theo sáu bước sau:

1. Đặt các tham số ở một nơi mà thủ tục có thể truy xuất được.

2. Chuyển quyền điểu khiển cho thủ tục.

3. Yêu cầu tài nguyên lưu trữ cần thiết cho thủ tục đó.

4. Thực hiện công việc (task).

5. Lưu kết quả ở một nơi mà chương trình có thể truy xuất được.

6. Trả điều khiển về vị trị mà thủ tục được gọi. Vì một thủ tục có thể

được gọi từ nhiều vị trí trong một chương trình.

03/2017

5

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖ Một số quy ước của MIPS với thanh ghi cần lưu ý:

▪Thanh ghi $at ($1), $k0 ($26), $k1 ($27) được dành cho hệ điều hành và

assembler; không nên sử dụng trong lúc lập trình thông thường.

▪Thanh ghi $a0-$a3 ($4-$7) được sử dụng để truyền bốn tham số đến một thủ

tục (nếu có hơn 4 tham số truyền vào, các tham số còn lại được lưu vào stack).

Thanh ghi $v0-$v1 ($2-$3) được sử dụng để lưu giá trị trả về của hàm.

▪Các thanh ghi $t0-$t9 ($9-$15, 24, 25) được sử dụng như các thanh ghi tạm.

Các thanh ghi $s0-$s7 ($16-$23) được sử dụng như các thanh ghi lưu giá trị bền

vững.

Trong MIPS, việc tính toán có thể cần một số thanh ghi trung gian, tạm thời, các thanh

ghi $t nên được dùng cho mục đích này (nên thanh ghi nhóm $t thường gọi là thanh ghi

tạm); còn kết quả cuối của phép toán nên lưu vào các thanh ghi $s (nên thanh ghi nhóm

$s thường được gọi là nhóm thanh ghi lưu giá trị bền vững)

03/2017

6

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖ Một số quy ước của MIPS với thanh ghi cần lưu ý:

▪Theo quy ước của MIPS, một thủ tục nếu sử dụng bất kỳ thanh ghi loại $s nào

sẽ phải lưu lại giá trị của thanh ghi $s đó trước khi thực thi hàm. Và trước khi

thoát ra khỏi hàm, các giá trị cũ của các thanh ghi $s này cũng phải được trả về

lại. Các thanh ghi $s này được xem như biến cục bộ của hàm.

Thanh ghi loại $t được xem là các thanh ghi tạm, nên việc sử dụng thanh ghi

loại $t trong thủ tục không cần lưu lại như các thanh ghi loại $s

Vì thanh ghi là loại bộ nhớ có tốc độ truy xuất nhanh nhất, được dùng để lưu trữ

dữ liệu trong một máy tính và số thanh ghi là hạn chế nên lập trình hợp ngữ

phải hướng đến tận dụng thanh ghi một cách tối đa nhất.

03/2017

7

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Các khái niệm và tên gọi:

▪Địa chỉ trả về (return address): là một liên kết tới vùng đang gọi

cho phép một thủ tục trả về đúng địa chỉ; trong MIPS, nó được lưu

trữ ở thanh ghi $ra.

Cụ thể: khi chương trình đang thực thi và một thủ tục được gọi, sau khi thủ tục

thực thi xong, luồng thực thi lệnh phải quay về lại chương trình và thực hiện

tiếp lệnh ngay phía sau thủ tục được gọi. Địa chỉ lệnh được thực thi sau khi

thủ tục hoàn thành chính là địa chỉ trả về.

▪Caller: Là chương trình gọi một thủ tục và cung cấp những giá trị

tham số cần thiết.

▪Callee: Là một thủ tục thực thi một chuỗi những lệnh được lưu trữ

dựa trên những tham số được cung cấp bởi caller và sau đó trả điều

khiều về cho caller.

03/2017

8

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Các khái niệm và tên gọi:

▪Program counter (PC): Là thanh ghi chứa địa chỉ của lệnh kế tiếp

được thực thi trong chương trình.

✓Thanh ghi PC còn được gọi là con trỏ PC hay con trỏ lệnh

✓Trong MIPS 32 bits, mỗi lệnh được lưu trong một word 4 bytes,

do đó, để chỉ tới lệnh kế tiếp được thực thi trong chương trình, PC

tăng lên 4 (ngoài trừ lệnh nhảy)

03/2017

9

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Các khái niệm và tên gọi:

▪ Stack (ngăn xếp): Là một cấu trúc

dữ liệu trong bộ nhớ cho việc lưu

dữ liệu theo hàng đợi dạng vào-

sau ra-trước (last-in first-out)

Mỗi thủ tục luôn cần một vùng nhớ đi

cùng với nó (vì mỗi thủ tục đều cần

không gian để lưu lại các biến cục bộ

của nó (là các thanh ghi $s được sử

dụng trong thân hàm hoặc các biến

cục bộ khác), hoặc để chứa các tham

số input nếu số tham số lớn hơn 4

hoặc chứa giá trị trả về output nếu số

giá trị trả về lớn hơn 2). Vùng nhớ

này được quy ước hoạt động như một

stack.

Hình ảnh ví dụ của một stack với các frame

(stack này phục vụ cho thủ tục mà bốn tham số

đầu vào đã được truyền thông qua thanh ghi,

tham số thứ 5 và 6 được lưu trong stack như

hình)

03/2017

10

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

Xem thêm về cách bố trí vùng Stack, Heap, Data và Text Segment trong

bộ nhớ của một chương trình

❖ Heap: Là khu vực bộ nhớ cấp phát động, có thể được cấp phát thêm khi đạt đến

giới hạn.

❖ Text segment: Đoạn mã chương trình.

Cấp phát bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu kiến trúc MIPS

03/2017

11

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Các khái niệm và tên gọi:

▪Stack pointer (SP): Địa chỉ của phần tử được cấp phát gần nhất (tức

phần tử được cấp phát cuối cùng cho đến thời điểm hiện tại). Trong

MIPS, giá trị này lưu trong thanh ghi $sp (29).

▪Trong khi đó, thanh ghi $fp ($30) dùng làm con trỏ frame (Frame

pointer).

Stack gồm nhiều frame; frame cuối cùng trong stack được trỏ tới bởi

$sp, frame đầu tiên (cho vùng lưu các thanh ghi cũng như biến cục bộ)

được trỏ tới bởi $fp (xem hình slide trước)

▪Stack được xây dựng theo kiểu từ địa chỉ cao giảm dần xuống thấp,

vì thế frame pointer luôn ở trên stack pointer.

Đây là quy ước của MIPS. Tất nhiên stack có thể được xây dựng theo

cách khác, tùy vào mỗi môi trường làm việc mà ta tuân thủ các quy ước.

03/2017

12

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Các khái niệm và tên gọi:

▪Push: Việc lưu một phần tử vào stack gọi là Push

▪Pop: Việc lấy một phần tử ra khỏi stack gọi là Pop

Trong tập lệnh của MIPS chuẩn, không có lệnh Pop và Push. Việc

thực hiện này phải do người lập trình thực hiện:

✓Theo quy ước của MIPS, khi PUSH một phần tử vào stack, đầu

tiên $sp nên trừ đi 4 byte (1 word) rồi sau đó lưu dữ liệu vào word

nhớ có địa chỉ đang chứa trong $sp.

✓Ngược lại, khi POP một phần tử từ stack, dữ liệu được load ra từ

word nhớ có địa chỉ đang chứa trong $sp rồi sau đó $sp được cộng

thêm 4

03/2017

13

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

03/2017

14

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

Trong chương trình chính, khi thủ tục được gọi, con trỏ PC sẽ

chuyển quyền điều khiển xuống vị trí của thủ tục; sau khi thủ tục

được thực hiện xong, con trỏ PC sẽ chuyển về thực hiện lệnh ngay

sau lệnh gọi thủ tục.

Việc này được thực hiện nhờ vào cặp lệnh:

jal ten_thu_tuc

jr $ra

(ten_thu_tuc là nhãn của lệnh đầu tiên trong thủ tục, cũng được xem

là tên của thủ tục)

03/2017

15

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

▪Để gọi thủ tục, dùng lệnh jal (Lệnh nhảy-và-liên kết: jump-and-link)

✓Đầu tiên, địa chỉ của lệnh ngay sau lệnh jal phải được lưu lại để sau khi

thủ tục thực hiện xong, con trỏ PC có thể chuyển về lại đây (thanh ghi

dùng để lưu địa chỉ trả về là $ra); sau khi địa chỉ trả về đã được lưu lại,

con trỏ PC chuyển đến địa chỉ của lệnh đầu tiên của thủ tục để thực hiện.

✓Vậy có hai công việc được thực hiện trong jal theo thứ tự:

jal <address>

# $ra = PC + 4

# PC = <address>

03/2017

16

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

▪Sau khi thủ tục thực hiện xong, để trả về lại chương trình chính, dùng

lệnh jr (jump regiser)

✓Lệnh “jr $ra” đặt ở cuối thủ tục thực hiện việc lấy giá trị đang chứa trong

thanh ghi $ra gán vào PC, giúp thanh ghi quay trở về thực hiện lệnh ngay

sau lệnh gọi thủ tục này.

jr $ra

# PC = $ra

03/2017

17

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

Như vậy, mỗi hàm con/thủ tục được chia thành ba phần. Phần thân dùng

để tính toán chức năng của thủ tục này, bắt buộc phải có. Phần đầu và phần

cuối có thể có hoặc không, tùy từng yêu cầu của chương trình con.

03/2017

18

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

Ví dụ 1: Một thủ tục chỉ có thân hàm (không cần phần đầu và cuối)

Đoạn code sau thực hiện việc gọi hàm con (thủ tục) tên ABC

add $t0, $t1, $t2

jal ABC

or $t3, $t4, $s5

j EXIT

ABC:

add $t0, $t3, $t5

sub $t2, $t3, $t0

jr $ra

EXIT:

03/2017

19

Các Thủ Tục Hỗ Trợ Trong Phần Cứng Máy Tính

❖Cấu trúc một thủ tục/hàm con

Ví dụ 2: Một thủ tục chỉ có đủ ba phần: thân hàm, phần đầu và cuối

Viết đoạn code thực hiện

•Chương trình chính có:

✓Bốn giá trị a, b, c, d lần lượt chứa trong $s0, $1, $s2, $s3

✓Chương trình truyền bốn tham số này vào thủ tục tên “proc_example” để

lấy kết quả của phép toán trên. Sau đó đưa kết quả vào thanh ghi $s6

•Thủ tục proc_example có:

✓Bốn input (a, b, c, d)

✓Một output, là kết quả của phép toán: (a + b) – (c + d)

✓Quá trình tính toán sử dụng 2 thanh ghi tạm $t1, $t2 và một thanh ghi

$s0

03/2017

20