Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Tập lệnh. Đặc điểm và chức năng - Nguyễn Thị Phương

a địa chỉ của toán hạng
+ Ví dụ
  Viết chương trình tính giá trị biểu thức sau sử dụng các 
 tập lệnh 0, 1, 2, 3 địa chỉ cho ở bảng dưới
 = ( + × )/( − × 퐹)
10.2 Các kiểu toán hạng
+
 Dữ liệu kiểu số
  Tất cả các ngôn ngữ máy đều có dữ liệu dạng số
  Các số được lưu trữ trong máy tính đều hữu hạn:
  Hữu hạn về độ lớn của các số biểu diễn trên máy
  Hữu hạn về độ chính xác đối với số dấu phẩy động
  Ba kiểu dữ liệu số thông thường trong máy tính:
 1. Số nguyên nhị phân hoặc số nhị phân dấu chấm tĩnh
 2. Số nhị phân dấu chấm động
 3. Số thập phân đóng
  Mỗi chữ số thập phân được biểu diễn bởi một mã 4 bit
 0 = 0000, 1 = 0001,, 8 = 1000 và 9 = 1001
 Dấu dương (+): 1100, dấu âm (-): 1101
  Chiều dài mã thường là bội của 8b
+
 Dữ liệu kiểu ký tự
  Một trong những dạng dữ liệu cơ bản là văn bản (text) hoặc xâu ký tự
 (character strings)
  Dữ liệu văn bản dưới dạng ký tự không thể lưu trữ hoặc truyền qua hệ 
 thống xử lý dữ liệu và truyền thông vì các hệ thống này được thiết kế 
 cho dữ liệu nhị phân sử dụng bảng mã
  Bảng mã mã hóa ký tự được sử dụng phổ biến nhất là bảng mã IRA 
 (International Reference Alphabet)
  Còn được gọi ở Mỹ là bảng mã ASCII (American Standard Code for 
 Information Interchange) 
  Một bảng mã khác được sử dụng để mã hoá các ký tự bảng mã 
 EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) được 
 sử dụng trong các máy mainframe của IBM
+
 Dữ liệu logic
 Một khối n-bit gồm n phần tử dữ liệu 1 bit, mỗi item có 
 giá trị 0 hoặc 1
 Hai ưu điểm của view theo hướng bit:
  Đôi khi, ta muốn lưu trữ một mảng các bit nhị phân hoặc dữ liệu 
 Boolean/nhị phân, trong đó mỗi phần tử chỉ nhận giá trị 1 
 (đúng) hoặc 0 (sai). Với kiểu dữ liệu logic, bộ nhớ lưu trữ điều 
 này hiệu quả nhất
  Trong một số trường hợp chúng ta cần thao tác với các bit
  Trường hợp phép toán dấu chấm động: dịch các bit có nghĩa
  Trường hợp chuyển đổi từ mã IRA thành mã thập phân đóng 
 gói: trích xuất 4 bit bên phải của mỗi byte
+
 10.3 Các kiểu dữ liệu Intel x86 và ARM
 a. Intel x86
 Kiểu dữ liệu Mô tả
 Các vị trí bộ nhớ kích thước byte, word (16 bits), doubleword (32 bits), quadword (64 bits), và double 
 General 
 quadword (128 bits) với dữ liệu nhị phân bất kỳ
 Integer Giá trị nhị phân có dấu lưu trữ trong một byte, word, hoặc doubleword, sử dụng dạng biểu diễn bù 2
 Ordinal Một số nguyên không dấu lưu trữ trong một byte, word, hoặc doubleword.
 Unpacked binary coded decimal 
 Biểu diễn một ký tự BCD trong khoảng từ 0 đến 9, với mỗi ký tự dùng một byte
 (BCD)
 Packed BCD Biểu diễn 2 ký tự BCD trong 1 byte, một packed BCD có dải giá trị từ 0 đến 99
 Địa chỉ hiệu dụng 16-bit, 32-bit, hoặc 64-bit biểu diễn độ lệch (offset) trong một phân đoạn. Được sử 
 Near pointer dụng cho tất cả các con trỏ trong bộ nhớ không phân đoạn và cho các tham chiếu trong một đoạn của 
 bộ nhớ phân đoạn 
 Địa chỉ logic gồm 16-bit trỏ tới một đoạn (segment) và một địa chỉ lệch offset 16, 32, hoặc 64 bits. Far 
 Far pointer 
 pointers được sử dụng để tham chiếu bộ nhớ trong mô hình bộ nhớ phân đoạn
 Một chuỗi bit liên tục trong đó mỗi bit được coi như một đơn vị độc lập. Chuỗi bit có thể bắt đầu tại bất 
 Bit field 
 cứ vị trí nào trong bất cứ byte nào và có thể chứa tới 32 bit
 Bit string Một dãy bit liên tục, gồm từ 0 đến 232 - 1 bit.
 Byte string Một dãy byte, word hoặc doublewords liên tục gồm từ 0 đến 232 - 1 byte.
 Floating point Xem hình 10.4.
 Packed SIMD (single instruction, 
 Các kiểu dữ liệu Packed 64-bit and 128-bit 
 multiple data)
+
Định dạng dữ liệu số 
x86
+
 Các kiểu dữ liệu SIMD
 (Single-Instruction-Multiple-Data)
  Dùng cho kiến trúc x86 như là 1 phần của mở rộng tập lệnh để tối ưu 
 hóa hiệu năng của các ứng dụng đa phương tiện
  Các mở rộng tập lệnh gồm MMX (multimedia extensions) và
 SSE (streaming SIMD extensions)
  Các kiểu dữ liệu SMID:
  Byte đóng gói và số nguyên byte đóng gói
  Word đóng gói và số nguyên word đóng gói
  Doubleword đóng gói và số nguyên doubleword đóng gói
  Quadword đóng gói và số nguyên quadword đóng gói
  Packed single-precision floating-point and packed doubleprecision 
 floating-point
+
 b. Các kiểu dữ liệu của ARM
 Vi xử lý ARM hỗ trợ các kiểu dữ liệu có kích thước:
  8b (byte)
  16b (halfword)
  32b (word)
 Đối với tất cả ba kiểu dữ liệu, có một kiểu tương ứng 
 dành cho số nguyên không dấu (số nguyên dương)
 Tất cả ba kiểu dữ liệu cũng có thể được sử dụng cho số 
 nguyên biểu diễn bù 2
 VXL ARM không hỗ trợ phần cứng cho biểu diễn dấu 
 chấm động. Các phép toán cho dấu chấm động phải 
 được thực hiện bằng phần mềm
+
 Hỗ trợ chuyển đổi Endian trong 
 ARM
  Khái niệm Endian: cách tổ chức dữ liệu trong bộ nhớ máy tính
  Có 2 loại endian:
  Little Endian: byte có giá trị nhỏ nhất lưu trữ ở vị trí nhớ có địa chỉ nhỏ 
 nhất
  Big Endian: byte có giá trị lớn nhất lưu trữ ở vị trí nhớ có địa chỉ nhỏ nhất 
  ARM cho phép chuyển đổi giữa hai dạng endian: sử dụng E-bit trong 
 thanh ghi PS( thanh ghi trạng thái chương trình)
  E-bit = 1: Big endian
  E-bit = 0: Little endian
+
 10.4 Các loại operation (hoạt động, 
 phép toán)
  Có rất nhiều các loại lệnh khác nhau đối với mỗi thế hệ 
 máy tính. Tuy nhiên, một số loại chung đối với tất cả các 
 máy tính như sau:
 a. Các lệnh truyền dữ liệu
 b. Các lệnh tính toán số học
 c. Các lệnh logic
 d. Các lệnh chuyển đổi
 e. Các lệnh vào/ra
 f. Các lệnh điều khiển hệ thống
 g. Các lệnh truyền điều khiển
 a. Truyền dữ liệu
. Đây là lệnh cơ bản nhất của tất cả các hệ máy tính
. Cần phải định rõ:
 o Địa chỉ của các toán hạng nguồn và đích, loại vị trí: bộ nhớ, 
 thanh ghi, ngăn xếp
 o Kích thước của dữ liệu được truyền
 o Chế độ định địa chỉ đối với mỗi toán hạng
. Các lệnh cơ bản
 MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích
 LOAD Nạp dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý
 STORE Cất dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ
Truyền EXCHANGE Trao đổi nội dung của nguồn và đích
dữ liệu CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích
 SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích
 PUSH Cất nội dung toán hạng nguồn vào ngăn xếp
 POP Lấy nội dung đỉnh ngăn xếp đưa đến toán hạng đích
+
 b. Số học
  Hầu hết các máy đều cung cấp các phép toán số học cơ bản: cộng, 
 trừ, nhân, chia
  Cố định với toán hạng là số nguyên có dấu. Một số máy có các phép 
 toán trên với:
  Số thực dấu chấm động
  Số thập phân đóng
  Một số phép toán khác có dạng lệnh một toán hạng:
  Tuyệt đối: Tính giá trị tuyệt đối của một toán hạng
  Phép đảo: Đổi dấu một toán hạng
  Phép tăng: Cộng toán hạng thêm 1 đơn vị
  Phép giảm: Trừ toán hạng đi 1 đơn vị
+
 Một số lệnh số học
 ADD Cộng hai toán hạng
 SUBTRACT Trừ hai toán hạng
 MULTIPLY Nhân hai toán hạng
 Xử lý DIVIDE Chia hai toán hạng
 số học ABSOLUTE Lấy trị tuyệt đối toán hạng
 NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2)
 INCREMENT Tăng toán hạng thêm 1
 DECREMENT Giảm toán hạng đi 1
c. Phép toán logic (luận lý)
 Các phép toán logic cơ bản
 AND Thực hiện phép AND hai toán hạng
 OR Thực hiện phép OR hai toán hạng
 NOT Đảo bit của toán hạng (lấy bù 1)
 Xử lý XOR Thực hiện phép XOR hai toán hạng
 TEST Kiểm tra điều kiện cụ thể; thiết lập cờ dựa trên kết quả
 logic So sánh logic hoặc số học của hai hoặc nhiều toán hạng; thiết
 COMPARE
 lập cờ dựa trên kết quả
 SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng
 ROTATE Quay vòng trái (phải) toán hạng
+  Cho phép thực hiện với các khối n-bit
  Ngoài ra, gồm có một số phép toán dịch và xoay vòng
Ví dụ về các phép toán dịch và 
 xoay vòng
+
 d. Chuyển đổi
 Lệnh chuyển đổi: thay đổi định dạng hoặc tác 
 động vào định dạng của dữ liệu
  Ví dụ 1: chuyển đổi từ nhị phân sang mã thập phân 
 đóng
  Ví dụ 2: chuyển đổi từ mã IRA sang mã EBCDIC 
 qua một bảng gồm 256 byte trong bộ nhớ chính.
+e. Vào/ra
 Các lệnh vào/ra liên quan đến:
  Cơ chế địa chỉ:
  I/O chương trình, ánh xạ riêng biệt - Isolated programmed I/O
  I/O chương trình, ánh xạ bộ nhớ - Memory-mapped 
 programmed I/O
  Cơ chế DMA
  Cơ chế điều khiển I/O sử dụng bộ xử lý vào ra
 Nhiều tập lệnh của các hệ VXL chỉ cung cấp một vài 
 lệnh I/O với các hoạt động cụ thể được xác định bởi các 
 tham số, các mã hoặc các từ lệnh
 Truyền dữ liệu từ một cổng hoặc thiết bị I/O
 INPUT xác định đến đích (VD: Bộ nhớ chính hoặc
 thanh ghi bộ xử lý)
 Truyền dữ liệu từ nguồn xác định đến cổng
 OUTPUT
Điều hoặc thiết bị I/O
khiển
vào/ra Truyền lệnh đến bộ xử lý I/O để bắt đầu hoạt
 START I/O
 động I/O
 Truyền thông tin trạng thái từ hệ thống I/O đến
 TEST I/O
 đích xác định
f. Điều khiển hệ thống
• Các câu lệnh có thể được thực hiện chỉ khi VXL trong 
 trạng thái đặc quyền hoặc đang thực hiện một chương 
 trình trong vùng đặc quyền đặc biệt của bộ nhớ.
• Thông thường các lệnh này được dành riêng cho hệ 
 điều hành
• Ví dụ về các hoạt động điều khiển hệ thống:
 • Một câu lệnh điều khiển hệ thống có thể đọc hoặc 
 thay đổi thanh ghi điều khiển
 • Câu lệnh để đọc hoặc thay đổi khóa bảo vệ bộ nhớ
 • Truy cập vào các khối điều khiển tiến trình trong 
 hệ thống đa chương trình
+
 g. Truyền điều khiển
  Các hoạt động truyền điều khiển là cần thiết:
  Cần thiết để có thể thực thi mỗi câu lệnh nhiều hơn một lần
  Hầu như mọi chương trình đều gồm có việc ra quyết định
  Cơ chế phân tách các nhiệm vụ ra thành các công việc nhỏ hơn có 
 thể thực hiện tại các thời điểm khác nhau
  Các hoạt động truyền điều khiển nói chung:
  Rẽ nhánh:
  Rẽ nhánh có điều kiện: chỉ rẽ nhánh (thiết lập địa chỉ (toán hạng của 
 lệnh) vào thanh ghi PC) khi một điều kiện nhất định được thỏa mãn
  Rẽ nhánh không điều kiện: việc rẽ nhánh luôn được thực hiện.
  Lệnh nhảy
  Lệnh gọi thủ tục
 +
 Truyền điều khiển
 Các lệnh nhảy và gọi thủ tục
 JUMP (BRANCH) Truyền không điều kiện; tải địa chỉ xác định vào PC
 JUMP Kiểm tra điều kiện cụ thể; tải địa chỉ xác định vào PC
 CONDITIONAL hoặc không làm gì tùy thuộc vào điều kiện
 Cất nội dung của PC (địa chỉ trở về) vào một vị trí xác
 CALL định; Nạp địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con vào
 PC
 Đặt địa chỉ trở về trả lại cho PC để trở về chương trình
 RETURN
Truyền chính
điều khiển SKIP Tăng PC để bỏ qua lệnh tiếp theo
 SKIP Kiểm tra điều kiện cụ thể; bỏ qua lệnh hoặc không làm gì
 CONDITIONAL tùy thuộc vào điều kiện
 HALT Dừng thực thi chương trình
 Dừng thực thi chương trình; liên tục kiểm tra điều kiện cụ
 WAIT (HOLD)
 thể; quay lại thực thi tiếp khi điều kiện được thỏa mãn
 Không có hành động nào được thực hiện, nhưng việc
 NO OPERATION
 thực thi chương trình vẫn được tiếp tục
+
 Ví dụ một số lệnh rẽ nhánh
 BRP X: Rẽ nhánh 
 đến vị trí X nếu kết 
 quả dương.
 BRN X: Rẽ nhánh 
 đến vị trí X nếu kết 
 quả âm.
 BRZ X: Rẽ nhánh 
 đến vị trí X nếu kết 
 quả là 0.
 BRO X: Rẽ nhánh 
 đến vị trí X nếu xảy 
 ra tràn.
+
 Hành động của VXL đối với các loại 
 hoạt động
  Truyền dữ liệu: 
  Truyền dữ liệu từ một vị trí đến vị trí khác
  Nếu gồm bộ nhớ:
  Xác định địa chỉ bộ nhớ
  Thực hiện việc chuyển địa chỉ ảo sang đ/c thực tế
  Kiểm tra cache
  Bắt đầu hoạt động đọc/ghi
  Tính toán số học
  Có thể bao gồm cả hoạt động truyền dữ liệu (trước hoặc sau khi tính toán)
  Các phép toán được thực hiện trong ALU
  Thiết lập các mã điều kiện và các cờ
+
 Hành động của VXL đối với các loại 
 hoạt động (tiếp)
  Tính toán logic: giống tính toán số học
  Chuyển đổi: tương tự như tính toán số học và logic. Có thể 
 gồm một logic đặc biệt để thực hiện chuyển đổi
  Truyền điều khiển:
  Cập nhật thanh ghi PC. Với lời gọi/trả về chương trình con, quản lý các 
 thông số đi qua hoặc liên kết
  Vào/ra
  Đưa ra các lệnh cho module I/O
  Trong chế đó memory-mapped I/O, xác định địa chỉ I/O
+
 10.5 Các loại hoạt động Intel x86 và 
 ARM
 Bảng12.8
 Các loại hoạt 
 động x86
 (Với các ví dụ của 
 các hoạt động 
+ thông thường) 
 (page 1 of 2)
 Bảng12.8
 Các loại hoạt 
 động x86
(Với các ví dụ của 
 các hoạt động 
 thông thường) 
 (page 2 of 2)
Các cờ trạng thái x86
Bảng 12.10
Các mã điều 
kiện x86 cho 
lệnh SETcc và 
lệnh nhảy có 
 điều kiện
+
 Ví dụ
 1. Với mỗi số được mã hóa thập phân đóng như dưới đây, xác định giá trị số 
 thập phân tương ứng:
 a. 0111 0011 0000 1001
 b. 0101 1000 0010
 c. 0100 1010 0110
 2. VXL có kích thước từ nhớ là 1 byte. Giá trị số nguyên lớn nhất và nhỏ 
 nhất biểu diễn theo các dạng dưới đây là bao nhiêu
 a. Số nguyên không dấu
 b. Số nguyên dạng dấu – độ lớn
 c. Số bù hai
 d. Số thập phân đóng không dấu
 e. Số thập phân đóng có dấu
 3. Thực hiện dịch trái logic, dịch phải logic, dịch trái số học, dịch phải số 
 học , vòng trái, vòng phải 4b với word 16b sau: 1001 1101 1100 0001
+Các lệnh Đơn-lệnh, nhiều-dữ liệu 
 x86 (Single Instruction – Multiple 
 Data - SIMD Instructions)
  Năm 1996 Intel giới thiệu công nghệ MMX cho dòng VXL Pentium
  MMX là một tập các lệnh được tối ưu hóa cao cho các chức năng đa phương 
 tiện
  Các dữ liệu video và audio thường bao gồm các mảng lớn các kiểu dữ 
 liệu nhỏ
  Ba kiểu dữ liệu mới được định nghĩa trong MMX
  Packed Byte 
  Packed word
  Packed doubleword
  Mỗi kiểu dữ liệu có kích thước 64 bit và gồm có nhiều trường dữ liệu 
 nhỏ hơn, các trường này chứa dữ liệu số nguyên dấu phẩy tĩnh
 Tập lệnh 
 MMX
Note: If an instruction supports multiple data types [byte (B), word (W), doubleword (D), quadword (Q)], the data 
types are indicated in brackets.
+
Image Compositing 
on Color Plane 
Representation
Các loại câu lệnh ARM
Các lệnh tải 
 Các lệnh rẽ Các lệnh xử 
và lưu trữ dữ 
 nhánh lý dữ liệu
 liệu
 Các lệnh 
 Các lệnh Các lệnh mở 
 cộng trừ 
 nhân rộng
 song song
 Các lệnh truy 
 cập vào thanh 
 ghi trạng thái
 Các điều 
 kiện ARM 
cho thực thi 
 câu lệnh 
 điều kiện
+ Tổng kết Tập lệnh:
 Đặc điểm và chức 
 năng
 Chương 10
  Các kiểu dữ liệu Intel x86 và ARM
  Đặc điểm lệnh máy
  Các loại hoạt động
  Các thành phần của lệnh máy
  Truyền dữ liệu
  Biểu diễn lệnh
  Tính toán số học
  Các loại lệnh
  Logical
  Number of addresses
  Chuyển đổi
  Thiết kế tập lệnh
  Vào/ra
  Các loại toán hạng
  Điều khiển hệ thống
  Số
  Ký tự  Truyền điều khiển
  Dữ liệu logic  Các loại hoạt động trong Intel x86 
 và ARM
+
 Câu hỏi chương 10
 1 Các thành phần điển hình của một lệnh máy?
 2 Toán hạng nguồn và đích có thể được đặt ở đâu?
 3 Nếu một lệnh có 4 địa chỉ, mục đích của từng địa chỉ là gì?
 4 Trình bày ngắn gọn 5 vấn đề thiết kế tập lệnh quan trọng.
 5 Các loại toán hạng điển hình trong tập lệnh máy?
 6 Mối quan hệ giữa mã ký tự IRA và biểu diễn packed decimal?
 7 Phân biệt dịch số học và dịch logic?
 8 Tại sao phải truyền lệnh điều khiển?
 9 Trình bày hai cách tạo điều kiện để kiểm tra một lệnh rẽ nhánh
 10 Ý nghĩa của thuật ngữ làm thủ tục lồng nhau là gì?
 11 Liệt kê ba vị trí có thể lưu trữ địa chỉ trả về của thủ tục có trả 
 về.
 12 Phân biệt endian lớn và endian nhỏ?