Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc bộ lệnh

Bài giảng "Kiến trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc bộ lệnh" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Giới thiệu, các phép tính, toán hạng, số có dấu và không dấu, biểu diễn lệnh, các phép tính Logic, các lệnh điều kiện và nhảy. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc bộ lệnh Chương 02 – Kiến trúc bộ lệnh Mục tiêu chương: 1. Hiểu cách biểu diễn lệnh trong máy tính, cách các lệnh thực thi 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 1 CE Chương 02 – 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 2 CE 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 của kiến trúc máy tính được thiết kế từ năm 1980. Cùng với 2 bộ lệnh thông dụng nhất ngày nay:  ARM rất giống MIPS  The Intel x86, 3 CE Chương 02 – 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 4 CE Phép tính (Operations) Ví dụ: add a, b, c  Chỉ dẫn cho máy tính thực hiện cộng 2 biến a với b và ghi kết quả vào biến c, c= a + b. Phép tính Toán hạng (operands) (operations) 5 Phép tính (Operations) Ví dụ 1. Ví dụ 2. C/Java C/Java a = b + c; f = (g + h) – (i + j); d = a – e; MIPS add t0, g, h MIPS add a, b, c add t1, i, j sub d, a, e sub f, t0, t1 6 CE Ví dụ một số lệnh trên MIPS 7 CE Chương 02 – 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 8 CE 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) 9 CE 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 có 32 bit)  Một sự khác biệt lớn giữa các biến của một ngôn ngữ lập trình và các biến thanh ghi là số giới hạn thanh ghi, thường là 32 trên các máy tính hiện nay. 10 CE Toán hạng Các thanh ghi trong MIPS: 11 CE Toán hạng Toán hạng bộ nhớ (1):  Bộ 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. 12 CE 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 2, 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 của bộ Hình 3: Địa chỉ và nội dung bộ nhớ MIPS thực tế. nhớ giả lập như mảng. Mỗi từ nhớ (word) của MIPS là 4 bytes. 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. 13 CE Toán hạng Toán hạng bộ nhớ (3):  Lệnh chuyển dữ liệu từ bộ nhớ vào thanh ghi gọi là load (viết tắt lw-load word). Định dạng của các lệnh nạp: lw $s1,20($s2) offset Địa chỉ nền/cơ sở Thanh ghi chứa địa chỉ nền/cơ sở gọi là thanh ghi nền/cơ sở • $s1: thanh ghi được nạp dữ liệu vào. • Một hằng số (20) và thanh ghi ($s2) được sử dụng để truy cập vào bộ nhớ. Tổng số của hằng số và nội dung của thanh ghi thứ hai là địa chỉ bộ nhớ của phần tử cần truy cập đến. 14 CE 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 kế ...