Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 5: Lập trình hợp ngữ LC-3

CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3
5.1 Lập trình hợp ngữ
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.1 Lập trình hợp ngữ
Hợp ngữ là một ngôn ngữ cấp thấp và là một bước nâng
cấp nhỏ cho ISA của một máy tính. Mỗi lệnh hợp ngữ
thường xác định một lệnh đơn trong ISA. Không như
ngôn ngữ cấp cao, ngôn ngữ cấp thấp phụ thuộc rất nhiều
vào ISA. Thực tế, ta sẽ thấy là mỗi kiến trúc tập lệnh ISA
chỉ có duy nhất một hợp ngữ.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
Để hiểu rõ hợp ngữ LC-3, ta hãy xét chương trình ví dụ sau.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ
Để hiểu rõ hợp ngữ LC-3, ta hãy xét chương trình ví dụ sau.
Chương trình này nhân số nguyên được khởi tạo trong biến
NUMBER với 6 bằng việc cộng số nguyên đó 6 lần. Ví dụ, nếu số
nguyên đó là 123, chương trình sẽ tính tích bằng việc cộng 123 +
123 +123 + 123 + 123 + 123.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh
Thay vì dùng dãy 16 bit 0 và 1 để biểu diễn một lệnh
như trong trường hợp ISA LC-3, một lệnh hợp ngữ bao
gồm bốn phần theo cấu trúc sau:
LABEL OPCODE OPERANDS ; COMMENTS
Hai phần LABEL và COMMENTS là tùy chọn. Còn
OPCODE và OPERANDS là bắt buộc.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh:
1. Opcodes và Operands 
Hai phần này phải có trong lệnh. Một lệnh phải quy định một mã
thao tác OPCODE, tức là cái mà lệnh cần phải làm, và giá trị thích
hợp của toán hạng OPERANDS, tức là cái mà lệnh sẽ dùng với tác
vụ đã có. Đây là những thứ mà chúng ta đã gặp khi học LC-3.
OPCODE là tên tượng trưng cho mã tác vụ của lệnh LC-3 tương
ứng. Với tên tượng trưng này, lập trình viên dễ dàng nhớ thao tác
qua các tên như ADD, AND, hay LDR hơn là 4 bit 0001, 0101, hay
0110. Hình 4.3 liệt kê toàn bộ các OPCODES của 15 lệnh LC-3.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh
Số lượng các toán hạng phụ thuộc vào thao tác được thực thi. Ví dụ,
lệnh ADD ở dòng 0B trong chương trình trên
AGAIN ADD R3, R3, R2
Lệnh LD ở dòng 06
LD R2, NUMBER
Trong trường hợp toán hạng tức thời, các giá trị thực cần được ghi
rõ trong lệnh (như trị 0 trong dòng 07).
AND R3, R3, #0 ; xóa R3 để giữ tích
Chúng ta dùng dấu # cho số thập phân, x cho thập lục phân, và b
cho nhị phân.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh
2. Nhãn
Nhãn là các tên tượng trưng được dùng để xác định các ô nhớ
được tham khảo tới trong chương trình. Trong hợp ngữ LC-3, một
nhãn có thể được tạo từ một tới 20 ký số hay ký tự, và bắt đầu bằng
một ký tự, như LAPLAI, KETTHUC, LAP100,.
Có hai lý do cần cho việc tham khảo một vị trí trong bộ nhớ, đó
là
- Ô nhớ vị trí đó chứa đích của một lệnh rẻ nhánh, ví dụ AGAIN
trong dòng 0B.
- Ô nhớ vị trí đó chứa một giá trị cần được nạp hay lưu, ví dụ,
NUMBERở dòng 11, và SIX ở dòng 12.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh
Vị trí tương ứng nhãn AGAIN được tham khảo bởi lệnh
rẽ nhánh ở dòng 0E,
BRp AGAIN
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.1 Lệnh
3. Ghi chú
Ghi chú là các thông điệp chỉ cần thiết với con người.
Các ghi chú không có bất kỳ ảnh hưởng nào trong quá
trình dịch và cũng không chịu tác động nào từ bộ dịch hợp
ngữ LC-3. Chúng được quy định trong chương trình bằng
các dấu chấm phẩy đặt trước, phần sau dấu chấm phẩy
(nếu có)là một ghi chú và được bộ dịchbỏ qua .
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
Bộ hợp dịch LC-3 là một chương trình lấy đầu vào là chuỗi ký tự
biểu diễn một chương trình được viết bằng hợp ngữ LC-3, và dịch
nó ra thành một chương trình ở cấp kiến trúc tập lệnh (ISA) của
LC-3.
Mã giả (pseudo-ops) giúp cho bộ dịch thực hiện nhiệm vụ này, còn
được gọi bằng một tên khác là hướng dẫn dịch (assembler
directives).
Bộ hợp dịch LC-3 gồm năm mã giả: .ORIG, .FILL, .BLKW,
.STRINGZ, và .END. Tất cả mã giả này đều có dấu chấm như là
ký tự đầu tiên của nó.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
.ORIG
.ORIG cho bộ dịch biết nơi bắt đầu chương trình LC-3 trong bộ
nhớ. Ở dòng 04, .ORIG x3050 nói rằng, chương trình bắt đầu ở vị
trí x3050. Và tất nhiên, lệnh LD R1, SIX sẽ được đặt ở vị trí x3050.
.FILL
.FILL nói cho bộ hợp dịch biết việc cần dùng vị trí kế trong
chương trình (và tất nhiên là sau này là bộ nhớ khi chạy chương
trình), và khởi động nó bằng giá trị của toán hạng. Ở dòng 12, vị trí
thứ 9 (tính từ lệnh đầu tiên) trong chương trình LC-3 được khởi
động trị x0006.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
.BLKW
.BLKW bắt bộ dịch để dành một số ô nhớ (tức BLocK Words)
trong chương trình. Số ô nhớ thực sự là toán hạng của mã giả
.BLKW. Ở dòng 11, mã giả yêu cầu bộ dịch để dành một ô nhớ với
nhản là NUMBER.
.STRING
.STRING bắt bộ dịch khởi tạo một chuỗi n +1 ô nhớ. Đối số là
dãy n ký tự, bên trong cặp dấu nháy kép. Khi đó, n từ nhớ đầu tiên
được khởi động bằng các ký tự mã ASCII 8 bit được mở rộng zero
(để có 16 bit) trong chuỗi. Từ nhớ cuối cùng được khởi tạo là 0, tức
x0000, làtrị canh để truy xuất chuỗi các mã ASCII.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
Ví dụ 5.2: Đoạn mã sau:
.ORIG x3010
HELLO .STRINGZ “Hello, World!”
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
x3010: x0048
x3011: x0065
x3012: x006C
x3013: x006C
x3014: x006F
x3015: x002C
x3016: x0020
x3017: x0057
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
x3018: x006F
x3019: x0072
x301A: x006C
x301B: x0064
x301C: x0021
x301D: x0000
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.2 Mã giả (Các hƣớng dẫn dịch)
.END
.END nói cho bộ dịch biết chương trình kết thúc ở đâu.
Bất kỳ ký tự nào đứng sau .END sẽ bị bộ hợp dịch bỏ qua.
Như vậy, thực ra .END chỉ đơn giản là một quy định giới
hạn, nó đánh dấu sự kết thúc của chương trình nguồn.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.3 Một ví dụ 
Trong mục này chúng ta xét lại ví dụ ở mục 4.10, tính 
số lần xuất hiện của một ký tự trong một file cho trước. 
Ký tự cần kiểm tra được vào từ bàn phím, file ký tự được 
xem là mảng ký tự cần được khởi tạo trước khi chạy 
chương trình. Giải thuật ở dạng lưu đồ và chương trình ở 
dạng ISA LC-3 được trình bày trong hình 4.18 và 4.19.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.3 Một ví dụ 
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.3 Một ví dụ 
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.2 Các thành phần của một chƣơng trình hợp ngữ 
5.2.3 Một ví dụ 
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.1 Giới thiệu
Trước khi một chương trình hợp ngữ LC-3 được thực thi, nó
phải được dịch ra thành một chương trình ngôn ngữ máy, có nghĩa
là từng lệnh trong đó sẽ là từng lệnh ở ISA LC-3. Đây là công việc
của bộ dịch hợp ngữ LC-3.
Với bộ hợp dịch LC-3 (mà chúng ta có thể download từ mạng),
ta có thể dịch từ chương trình hợp ngữ ra chương trình ngôn ngữ
máy. Trong giáo trình này, các chương trình hợp ngữ có thể được
viết và được dịch ra dạng ISA bằng LC-3 Editor mà chúng ta có thể
tìm thấy trên mạng.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.2 Quá trình dịch
Gồm 2 giai đoạn:
- Tạo bảng biểu, Constructing table
- Dịch ra ngôn ngữ máy (nhị phân)
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.3 Bƣớc đầu tiên: Tạo bảng biểu trƣng
Bảng biểu trưng là một sự tương ứng giữa các tên tượng trưng
với các địa chỉ 16 bit của chúng tính từ đầu chương trình. Nên nhớ
rằng, chúng ta cần các nhãn ở nhưng chổ cần được tham khảo, hoặc
đó là đích của một lệnh rẻ nhánh hoặc nơi đó chứa dữ liệu cần được
nạp hay lưu. Vì vậy, nếu chúng ta không có bất kỳ một lỗi lập trình
nào, và nếu chúng ta xác định được tất cả các nhãn, chúng ta hẳn sẽ
xác định được tất cả các địa chỉ tượng trưng được dùng trong
chương trình.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.3 Bƣớc đầu tiên: Tạo bảng biểu trƣng
Lệnh đầu tiên có nhãn là lệnh ở dòng 12. Vì nó là lệnh thứ năm
của chương trình, nên lúc này LC chứa x3004, một đầu vào trong
bảng biểu trưng được tạo ra như sau:
Lệnh thứ hai có nhãn là lệnh ở dòng 1F. Tại đây, LC đã được tăng
lên tới x300B. Như vậy một đầu vào trong bảng đã được tạo ra
thêm như sau:
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.3 Bƣớc đầu tiên: Tạo bảng biểu trƣng
Tới lúc cuối của bước dịch đầu tiên, bảng biểu trưng có
các đầu vào như sau:
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.4 Bƣớc thứ hai: Dịch ra ngôn ngữ máy
Bước dịch thứ hai gồm việc duyệt qua chương trình
hợp ngữ lần thứ hai, theo từng dòng, lúc này với sự trợ
giúp của bảng biểu trưng. Ở mỗi dòng, lệnh hợp ngữ được
dịch ra lệnh ngôn ngữ máy LC-3.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.4 Bƣớc thứ hai: tạo chƣơng trình ngôn ngữ máy
Lần này, khi bộ dịch lấy lệnh ở dòng 0C, nó có thể hoàn toàn
dịch lệnh này vì nó biết nhãn PTR tương ứng với x3013. Lệnh là
LD, có opcode là 0010. Thanh ghi đích là R3, nghĩa là 011.
PCoffset được tính như sau: chúng ta biết rằng PTR là nhãn cho
địa chỉ x3013, và thanh ghi PC đã tăng là LC + 1, tức x3002. Vì
PTR (x3013) phải là tổng của PC đã tăng (x3002) và PCoffset được
mở rộng dấu, nên PCoffset phải là x0011. Ghép tất cả điều này lại
với nhau, ta thấy lệnh ở x3001 là 0010011000010001, và LC được
tăng lên x3002.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.3 Quá trình hợp dịch 
5.3.4 Bƣớc thứ hai: Dịch ra ngôn ngữ máy
Chương trình đã được
dịch và nhận được là
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.1 Bản thực thi
Khi máy tính bắt đầu thực thi một chương trình, tập tin thực thi
của chương trình được gọi là bản thực thi (Executable image). Bản
thực thi thường được tạo ra từ nhiều modul do nhiều lập trình viên
thiết kế ra một cách độc lập. Mỗi modul được dịch một cách riêng
biệt và tạo thành một tập tin đối tượng (object). Nếu các modul
được viết bằng hợp ngữ LC-3, chúng sẽ được dịch bằng bộ dịch
hợp ngữ LC-3. Những modul được viết bằng C sẽ được dịch bằng
bộ dịch C. Có những modul do lập trình viên viết khi thiết kế
chương trình, và cũng có những modul là các chương trình con
được cung cấp bởi hệ điều hành. Mỗi tập tin đối tượng bao gồm các
lệnh trong kiến trúc tập lệnh (ISA) của máy tính đang được sử
dụng, cùngvới các dữ liệu liên quan.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.1 Bản thực thi
Bước cuối cùng là liên kết (link) tất cả các modul lại
với nhau để có một tập tin gọi là bản thực thi. Trong suốt
quá trình thực thi, các chu kỳ lệnh FETCH, DECODE, 
được áp dụng cho các lệnh trong bản thực thi.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.2 Thiết kế với nhiều tập tin đối tượng
Khi thiết kế một chương trình, chúng ta thường dùng thư viện
của hệ điều hành cũng như các modul được viết bởi các lập trình
viên khác trong nhóm. Do đó, việc bản thực thi được tạo ra từ nhiều
tập tin đối tượng khác nhau là rất phổ biến.
Trong chương trình ví dụ đếm số ký tự xuất hiện trong một tập tin
là mảng, ta có thể thấy một áp dụng tiêu biểu của chương trình với
hai modul, gồm modul chương trình và modul là tập tin dữ liệu.
Với ví dụ 5.3, địa chỉ bắt đầu của tập tin mảng dữ liệu là x4000 ở
dòng 2D không được quan tâm khi chương trình được viết.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.2 Thiết kế với nhiều tập tin đối tượng
Nếu chúng ta thay thế dòng 2D này bằng
PTR .FILL STARTofFILE
thì chương trình ví dụ này sẽ không được hợp dịch vì không có đầu
vào cho STARTofFILE trong bảng biểu trưng. Chúng ta giải quyết
việc này ra sao ?
Mặt khác, nếu hợp ngữ LC-3 có mã giả .EXTERNAL, chúng ta
có thể xác định STARofFILE như là một tên biểu trưng của một địa
chỉ không được biết lúc chương trình 5.3 được dịch.
Điều này có thể được thực hiện bằng dòng sau
.EXTERNAL STARTofFILE
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.2 Thiết kế với nhiều tập tin đối tượng
Mà sẽ báo cho bộ dịch LC-3 rằng sự vắng mặt của nhãn
STARTofFILE không phải là một lỗi trong chương trình.
Hơn nữa, STARTofFILE là một nhãn trong modul khác
và modul này sẽ được dịch một cách độc lập. Trong ví dụ
5.3, đó chính là nhãn của vị trí của ký tự đầu tiên trong
tập tin mảng mà sẽ được chương trình đếm ký tự của
chúng ta khảo sát.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.2 Thiết kế với nhiều tập tin đối tượng
Nếu hợp ngữ LC-3 có được mã giả .EXTERNAL, và nếu chúng 
ta đã thiết kế nhãn STARTofFILE theo .EXTERNAL, LC-3 có khả 
năng tạo một đầu vào trong bảng biểu trưng cho STARTofFILE, và 
thay vì gán cho nhãn này một địa chỉ, LC-3 sẽ đánh dấu biểu trưng 
tùy thuộc modul khác. Lúc liên kết, khi tất cả các modul được kết 
nối lại, bộ liên kết (tức chương trình phụ trách việc nối này) sẽ dùng 
đầu vào cho STARTofFILE trong bảng biểu trưng trong modul 
khác để hoàn tất việc dịch dòng 2D.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3 
5.4 Chƣơng trình với nhiều modul 
5.4.2 Thiết kế với nhiều tập tin đối tượng
Theo cách này, mã giả .EXTERNAL cho phép việc
tham khảo của một modul tới các vị trí biểu trưng trong
một modul khác một cách dễ dàng. Quá trình dịch phù
hợp được bộ liên kết giải quyết.
CHƢƠNG 5 
LẬP TRÌNH HỢP NGỮ LC-3