- Trang Chủ
- Phần cứng
- Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture): Chương 5 - Nguyễn Kim Khánh
Xem mẫu
- NKK-HUST
Kiến trúc máy tính
om
.c
Chương 5
ng
co
KIẾN TRÚC TẬP LỆNH
an
th
o ng
du
u
cu
Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2017 Kiến trúc máy tính 194
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Nội dung học phần
Chương 1. Giới thiệu chung
om
.c
Chương 2. Cơ bản về logic số
ng
Chương 3. Hệ thống máy tính
co
Chương 4. Số học máy tính
an
Chương 5. Kiến trúc tập lệnh
th
Chương 6. Bộ xử lý
o ng
du
Chương 7. Bộ nhớ máy tính
u
Chương 8. Hệ thống vào-ra
cu
Chương 9. Các kiến trúc song song
2017 Kiến trúc máy tính 195
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Nội dung của chương 5
om
5.1. Giới thiệu chung về kiến trúc tập lệnh
.c
5.2. Lệnh hợp ngữ và toán hạng
ng
5.3. Mã máy
co
an
5.4. Cơ bản về lập trình hợp ngữ
th
5.5. Các phương pháp định địa chỉ
o ng
du
5.6. Dịch và chạy chương trình hợp ngữ
u
cu
2017 Kiến trúc máy tính 196
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
5.1. Giới thiệu chung về kiến trúc tập lệnh
n Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture):
om
cách nhìn máy tính bởi người lập trình
.c
n Vi kiến trúc (Microarchitecture): cách thực hiện
ng
kiến trúc tập lệnh bằng phần cứng
co
Ngôn ngữ trong máy tính:
an
n
th
n Hợp ngữ (assembly language):
n
o ng
dạng lệnh có thể đọc được bởi con người
biểu diễn dạng text
du
n
Ngôn ngữ máy (machine language):
u
n
cu
n còn gọi là mã máy (machine code)
n dạng lệnh có thể đọc được bởi máy tính
n biểu diễn bằng các bit 0 và 1
2017 Kiến trúc máy tính 197
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Mô hình lập trình của máy tính
Bộ nhớ chính
om
CPU
PC lệnh
.c
lệnh
lệnh
ng
Đơn vị lệnh
điều khiển
co
.
.
.
an
dữ liệu
th
ALU dữ liệu
dữ liệu
o ng dữ liệu
.
Tập thanh ghi .
du
.
u
Vào-ra
cu
.
.
.
2017 Kiến trúc máy tính 198
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
CPU nhận lệnh từ bộ nhớ
n Bộ đếm chương trình PC
om
(Program Counter) là thanh ghi
của CPU giữ địa chỉ của lệnh cần lệnh
.c
nhận vào để thực hiện lệnh
ng
lệnh
CPU phát địa chỉ từ PC đến bộ
co
n
lệnh được
nhớ, lệnh được nhận vào PC
an
nhận vào
lệnh kế tiếp
th
n Sau khi lệnh được nhận vào, nội
lệnh
dung PC tự động tăng để trỏ sang
o ng lệnh
lệnh kế tiếp
du
PC tăng bao nhiêu?
u
n
cu
n Tùy thuộc vào độ dài của lệnh vừa
được nhận
n MIPS: lệnh có độ dài 32-bit, PC tăng 4
2017 Kiến trúc máy tính 199
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Giải mã và thực hiện lệnh
Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát các
om
n
tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu
.c
cầu
ng
co
n Các kiểu thao tác chính của lệnh:
an
n Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính hoặc cổng
th
vào-ra
n
o ng
Thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic
du
với các dữ liệu (được thực hiện bởi ALU)
u
Chuyển điều khiển trong chương trình (rẽ nhánh, nhảy)
cu
n
2017 Kiến trúc máy tính 200
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
CPU đọc/ghi dữ liệu bộ nhớ
n Với các lệnh trao đổi dữ liệu với bộ nhớ,
om
CPU cần biết và phát ra địa chỉ của ngăn
.c
nhớ cần đọc/ghi
ng
co
n Địa chỉ đó có thể là:
an
n Hằng số địa chỉ được cho trực tiếp trong lệnh
th
n Giá trị địa chỉ nằm trong thanh ghi con trỏ
o ng
Địa chỉ = Địa chỉ cơ sở + giá trị dịch chuyển
du
n
u
cu
2017 Kiến trúc máy tính 201
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Hằng số địa chỉ
om
n Trong lệnh cho hằng số dữ liệu
địa chỉ cụ thể
.c
dữ liệu
ng
n CPU phát giá trị địa chỉ Hằng số địa chỉ
dữ liệu
co
dữ liệu cần đọc/ghi
này đến bộ nhớ để tìm
an
dữ liệu
ra ngăn nhớ dữ liệu cần
th
dữ liệu
đọc/ghi ng dữ liệu
dữ liệu
o
du
u
cu
2017 Kiến trúc máy tính 202
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Sử dụng thanh ghi con trỏ
om
n Trong lệnh cho biết
dữ liệu
tên thanh ghi con trỏ
.c
dữ liệu
ng
n Thanh ghi con trỏ dữ liệu
co
chứa giá trị địa chỉ Thanh ghi dữ liệu cần đọc/ghi
an
dữ liệu
CPU phát địa chỉ này
th
n
dữ liệu
ra để tìm ra ngăn ng dữ liệu
nhớ dữ liệu cần
o
dữ liệu
du
đọc/ghi
u
cu
2017 Kiến trúc máy tính 203
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Sử dụng địa chỉ cơ sở và dịch chuyển
n Địa chỉ cơ sở (base address):
om
địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở
.c
n Giá trị dịch chuyển địa chỉ (offset):
ng
Địa chỉ cơ sở
gia số địa chỉ giữa ngăn nhớ cần Ngăn nhớ cơ sở
co
đọc/ghi so với ngăn nhớ cơ sở
an
Offset
n Địa chỉ của ngăn nhớ cần đọc/ghi
th
= (địa chỉ cơ sở) + (offset)
n Có thể sử dụng các thanh ghi để
o ng dữ liệu cần đoc/ghi
du
quản lý các tham số này
u
n Trường hợp riêng:
cu
n Địa chỉ cơ sở = 0
n Offset = 0
2017 Kiến trúc máy tính 204
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Ngăn xếp (Stack)
Ngăn xếp là vùng nhớ dữ liệu có cấu trúc
om
n
LIFO (Last In - First Out vào sau - ra trước)
.c
Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho
ng
n
chương trình con
co
an
n Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định
th
n Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí trên
ng
cùng trong ngăn xếp
o
du
n Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi
u
cu
2017 Kiến trúc máy tính 205
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)
n SP là thanh ghi chứa địa chỉ của
om
ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp
.c
n Khi cất một thông tin vào ngăn
ng
xếp: SP đỉnh ngăn xếp
co
n Giảm nội dung của SP chiều
địa
Thông tin được cất vào ngăn nhớ
an
n chỉ
tăng
được trỏ bởi SP
th
dần
n Khi lấy một thông tin ra khỏi ng
ngăn xếp:
o
du
n Thông tin được đọc từ ngăn nhớ
đáy ngăn xếp
được trỏ bởi SP
u
cu
n Tăng nội dung của SP
n Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào
đáy
2017 Kiến trúc máy tính 206
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Thứ tự lưu trữ các byte trong bộ nhớ chính
n Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ cho từng byte
om
n Hai cách lưu trữ thông tin nhiều byte:
.c
n Đầu nhỏ (Little-endian): Byte có ý nghĩa thấp được
ng
lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ nhỏ, byte có ý nghĩa
co
cao được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ lớn.
an
n Đầu to (Big-endian): Byte có ý nghĩa cao được lưu
th
trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ nhỏ, byte có ý nghĩa thấp
ng
được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ lớn.
o
du
n Các sản phẩm thực tế:
u
cu
n Intel x86: little-endian
n Motorola 680x0, SunSPARC: big-endian
n MIPS, IA-64: bi-endian (cả hai kiểu)
2017 Kiến trúc máy tính 207
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Ví dụ lưu trữ dữ liệu 32-bit
Số
nhị phân
0001 1010 0010 1011 0011 1100 0100 1101
om
.c
Số Hexa 1A 2B 3C 4D
ng
co
an
th
4D 4000 1A 4000
3C o ng
4001 2B 4001
2B 4002 3C 4002
du
1A 4003 4D 4003
u
cu
little-endian big-endian
2017 Kiến trúc máy tính 208
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Tập lệnh
Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định
om
n
Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm
.c
n
lệnh
ng
co
n Mỗi lệnh máy (mã máy) là một chuỗi các bit (0,1)
an
mà bộ xử lý hiểu được để thực hiện một thao
th
tác xác định.
ng
Các lệnh được mô tả bằng các ký hiệu gợi nhớ
o
n
du
dạng text, đó chính là các lệnh của hợp ngữ
u
(assembly language)
cu
2017 Kiến trúc máy tính 209
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Dạng lệnh hợp ngữ
n Mã C:
om
a = b + c;
.c
n Ví dụ lệnh hợp ngữ:
ng
co
add a, b, c #a=b+c
an
trong đó:
th
add: ký hiệu gợi nhớ chỉ ra thao tác (phép toán)
n
cần thực hiện.
o ng
du
n Chú ý: mỗi lệnh chỉ thực hiện một thao tác
u
b, c: các toán hạng nguồn cho thao tác
cu
n
n a: toán hạng đích (nơi ghi kết quả)
n phần sau dấu # là lời giải thích (chỉ có tác dụng
đến hết dòng)
2017 Kiến trúc máy tính 210
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Các thành phần của lệnh máy
Mã thao tác Địa chỉ toán hạng
om
Mã thao tác (operation code hay opcode): mã
.c
n
hóa cho thao tác mà bộ xử lý phải thực hiện
ng
Các thao tác chuyển dữ liệu
co
n
Các phép toán số học
an
n
th
n Các phép toán logic
n
o ng
Các thao tác chuyển điều khiển (rẽ nhánh, nhảy)
Địa chỉ toán hạng: chỉ ra nơi chứa các toán
du
n
hạng mà thao tác sẽ tác động
u
cu
n Toán hạng có thể là:
n Hằng số nằm ngay trong lệnh
n Nội dung của thanh ghi
n Nội dung của ngăn nhớ (hoặc cổng vào-ra)
2017 Kiến trúc máy tính 211
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Số lượng địa chỉ toán hạng trong lệnh
n Ba địa chỉ toán hạng:
om
n add r1, r2, r3 # r1 = r2 + r3
.c
n Sử dụng phổ biến trên các kiến trúc hiện nay
ng
n Hai địa chỉ toán hạng:
co
n add r1, r2 # r1 = r1 + r2
an
Sử dụng trên Intel x86, Motorola 680x0
th
n
n Một địa chỉ toán hạng: o ng
add r1 # Acc = Acc + r1
du
n
Được sử dụng trên kiến trúc thế hệ trước
u
n
cu
n 0 địa chỉ toán hạng:
n Các toán hạng đều được ngầm định ở ngăn xếp
n Không thông dụng
2017 Kiến trúc máy tính 212
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
- NKK-HUST
Các kiến trúc tập lệnh CISC và RISC
n CISC: Complex Instruction Set Computer
om
n Máy tính với tập lệnh phức tạp
.c
Các bộ xử lý: Intel x86, Motorola 680x0
ng
n
co
n RISC: Reduced Instruction Set Computer
an
n Máy tính với tập lệnh thu gọn
th
n SunSPARC, Power PC, MIPS, ARM ...
o ng
RISC đối nghịch với CISC
du
n
Kiến trúc tập lệnh tiên tiến
u
n
cu
2017 Kiến trúc máy tính 213
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
nguon tai.lieu . vn