Bài giảng Kiến trúc máy tính 1 - Chương 6: Kiến trúc bộ lệnh - Vũ Đức Lung

Khoa KTMT Vũ Đức Lung 1
Chương 6 – Kiến trúc bộ lệnh
6.1. Phân loại kiến trúc bộ lệnh
6.2. Địa chỉ bộ nhớ
6.3. Mã hóa tập lệnh
6.3.1. Các tiêu chuẩn thiết kế dạng thức lệnh
6.3.2. Opcode mở rộng
6.3.3. Ví dụ về dạng thức lệnh
6.3.4. Các chế độ lập địa chỉ
6.4. Bộ lệnh
6.4.1. Nhóm lệnh truyền dữ liệu
6.4.2. Nhóm lệnh tính toán số học
6.4.3. Nhóm lệnh Logic
6.4.4. Nhóm các lệnh dịch chuyển
6.4.5. Nhóm các lệnh có điều kiện và lệnh nhảy
6.5. Cấu trúc lệnh CISC và RISC
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 2
6.1. Phân loại kiến trúc bộ lệnh
 kiến trúc ngăn xếp (stack), 
 kiến trúc thanh ghi tích lũy (Accumulator)
 kiến trúc thanh ghi đa dụng GPRA(general-purpose register 
architecture). 
Ví dụ phép tính C = A + B được dùng trong các kiểu kiến trúc:
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 3
Kiểu kiến trúc GPR 
 Ưu điểm 
– Dùng thanh ghi, một dạng lưu trữ trong của CPU có tốc độ nhanh hơn 
bộ nhớ ngoài
– Trình tự thực hiện lệnh có thể ở mọi thứ tự
– Dùng thanh ghi để lưu các biến và như vậy sẽ giảm thâm nhập đến bộ 
nhớ => chương trình sẽ nhanh hơn
 Nhược điểm
– Lệnh dài
– Số lượng thanh ghi bị giới hạn
 Ngăn xếp (Stack) ?
 Thanh ghi tích luỹ (Accumulator Register) ?
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 4
Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng
 lệnh có 2 toán hạng 
ADD A, B
 lệnh có 3 toán hạng 
ADD A, B, C
 Số toán hạng bộ nhớ có thể thay đổi từ 0 tới 3
 Các loại toán hạng
• thanh ghi-thanh ghi (kiểu này còn được gọi nạp - lưu trữ), 
• thanh ghi - bộ nhớ 
• bộ nhớ - bộ nhớ. 
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 5
6.2. Địa chỉ bộ nhớ
 Các khái niệm:
– Memory, bit, cell, address, byte, word
 Sắp xếp thứ tự byte
– Có vấn đề gì không trong cách sắp xếp thứ tự byte
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 6
6.3. Mã hóa tập lệnh
 Các trường mã hóa:
– Opcode
– Địa chỉ
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 7
Các tiêu chuẩn thiết kế dạng thức lệnh
 Có 4 tiêu chuẩn thiết kế:
– Mã lệnh ngắn ưu việt hơn mã lệnh dài
– Dộ dài mã lệnh đủ đế biểu diễn tất cả phép toán mong muốn
– độ dài word của máy bằng bội số nguyên của độ dài ký tự
– số BIT trong trường địa chỉ càng ngắn càng tốt
 Opcode mở rộng
– ví dụ một máy tính có lệnh dài 16 bit :
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 8
Opcode mở rộng
 Lệnh (n+k) bit với opcode chiếm k bit và địa chỉ chiếm n bit.
VD: 15 lệnh ba địa chỉ 
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 9
Opcode mở rộng
 14 lệnh hai địa chỉ 
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 10
dạng thức lệnh PDP-11
Mã hóa lệnh trên máy PDP-11
 tám cách trên PDP-11
 opcode mở rộng có dạng x111
 các lệnh một toán hạng 
– opcode 10 bit: 4 bit opcode và 6 bit của trường toán hạng nguồn 
– mode/register 6 bit
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 11
Họ lntel 8088/80286/80386/Pentium
 Dạng thức lệnh của các máy tính Intel:
– Cấu tạo phức tạp 
– kế thừa từ nhiều thế hệ
– bốn cách lập địa chỉ toán hạng (so với tám cách trên PDP-11)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 12
Format lệnh Pentium
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 13
Các chế độ lập địa chỉ
 Địa chỉ tức thời – Immediate
 Địa chỉ trực tiếp – Direct
 Địa chỉ gián tiếp – Indirect
 Địa chỉ thanh ghi – Register
 Địa chỉ gián tiếp thanh ghi – Register inderect
 Địa chỉ dịch chuyển – Displacement
 Địa chỉ ngăn xếp - Stack
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 14
Các chế độ lập địa chỉ
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 15
Cách tính địa chỉ thực
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 16
Các chế độ lập địa chỉ
 Lập địa chỉ tức thời (Immediate Addressing):
– OPERAND = A
– MOV R1, #4
 Lập địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing):
– EA = A
 Lập địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing)
– EA = (A)
– một con trỏ (trong C++)
 Lập địa chỉ thanh ghi (Register Addressing)
– trỏ tới một thanh ghi 
– Các máy ngày nay được thiết kế có các thanh ghi vì lý do? 
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 17
Các chế độ lập địa chỉ
 Địa chỉ gián tiếp thanh ghi (Register Indirect)
– EA = (R)
 Địa chỉ Địa chỉ dịch chuyển – Displacement
– EA = A + (R)
 Địa chỉ ngăn xếp – Stack
– FILO (first in last out)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 18
VD:
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 19
Ví dụ lệnh Add với tham chiếu bộ nhớ
 Add R1, @(R3)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 20
6.4. Bộ lệnh
 Quá trình biên dịch ra ngôn ngữ máy
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 21
Nhóm lệnh truyền dữ liệu
 MOVE Ri, Rj
 Một số ví dụ lệnh MOVE:
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 22
Nhóm lệnh truyền dữ liệu
 LOAD đích, nguồn
– ví dụ: LOAD Ri, M (địa chỉ) // RiM[địa chỉ] 
 STORE đích, nguồn
– ví dụ: STORE M(địa chỉ), Ri // M[địa chỉ] ←Ri
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 23
Nhóm lệnh tính toán số học
 ADD đích, nguồn // đích  đích + nguồn
 SUB đích, nguồn // đích  đích – nguồn
 Ví dụ:
ADD AX, BX // AX AX + BX
ADD AL,74H // AL  AL + 74H
SUB CL, AL // CL  CL – AL
SUB AX, 0405H // AX  AX – 0405H
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 24
Nhóm lệnh tính toán số học
 Các lệnh tính toán số học cơ bản
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 25
Nhóm lệnh logic
 AND đích, nguồn
 OR đích, nguồn
 Ví dụ:
AND AL, BL
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 26
Nhóm các lệnh dịch chuyển số học hoặc logic 
(SHIFT )
 SRL (Shift Right Logical - dịch phải logic)
 SLL (Shift Left Logical - dịch trái logic)
 SRA (Shift Right Arithmetic - dịch phải số học)
 SLA (Shift Left Arithmetic – dịch trái số học)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 27
Các lệnh dịch chuyển
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 28
Các lệnh dịch chuyển
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 29
các lệnh có điều kiện và lệnh nhảy 
Nếu thì nếu không 
(IF THEN ELSE )
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 30
Cấu trúc lệnh CISC và RISC
RISC CISC
– Độ dài lệnh cố định (32 bit)
– Sử dụng kiến trúc load-store các lệnh xử
lý dữ liệu hoạt động chỉ trong thanh ghi và
cách ly với các lệnh truy cập bộ nhớ
– Một số lớn các thanh ghi đa dụng 32 bit
– Có một số ít lệnh (thường dưới 100 lệnh)
– Có một số ít các kiểu định vị
– Có một số ít dạng lệnh (một hoặc hai)
– Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới
thâm nhập vào bộ nhớ.
– Kích thước tập lệnh thay đổi
– Giá trị trong bộ nhớ được dùng như như
toán hạng trong các chỉ lệnh xử lý dữ liệu
– Có rất nhiều thanh ghi, nhưng hầu hết chỉ để
sử dụng cho một mục đích riêng biệt nào đấy
– Có rất nhiều lệnh (khoảng 500)
– Có nhiều kiểu định vị (xem phần 6.3.4)
– Có nhiều dạng lệnh
– Có nhiều lệnh khác cũng thâm nhập vào bộ
nhớ được
– Giải mã lệnh logic bằng kết nối phần cứng
– Thực thi chỉ lệnh theo cấu trúc dòng chảy
(xem hình 7.9 trong chương sau)
– Một lệnh thực thi trong 1 chu kì xung
nhịp
– Sử dụng rất nhiều code trong ROM giải mã
các chỉ lệnh
– Các máy cũ phải tuần tự hết dòng lệnh này
mới đến dòng lệnh khác
– Cần nhiều chu kì xung nhịp để hoàn thành
một lệnh
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 31
Câu hỏi và bài tập chương 6