Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc tập lệnh - Tạ Kim Huệ

 Jump (unconditional, e.g., goto ) 
1. Data operations : 
add/sub 
2. Data transfers: load word/store word 
3. Sequencing: 
Branch/jump 
Các phép toán 
Program Counter (PC) lưu trữ địa chỉ lệnh. 
Các lệnh được nạp từ bộ nhớ vào thanh ghi lệnh. 
Bộ điều khiển giải mã lệnh và báo cho ALU và tệp thanh ghi phải làm gì. 
ALU thực thi lệnh và kết quả được chuyển lại thanh ghi dữ liệu 
Bộ điều khiển cập nhật lại giá trị của PC cho lệnh tiếp theo. 
Ví dụ về lệnh: Add/sub (1 of 2 ) 
Ví dụ về lệnh: Add/sub (2 of 2) 
Bộ đếm chương trình (PC) nạp lệnh từ thanh ghi lệnh 
Control báo cho ALU và tệp thanh ghi (Register File) phải làm gì . 
ALU ghi kết quả vào Register File . 
Thực hành: add/sub 
f =(g+h ) ‐( i+j) 
R3=f 
R4=g 
R5=h 
R6=I 
R7=j 
Dịch chuyển dữ liệu 
1. ALU tính toán ra địa chỉ 
2. Địa chỉ gửi tới thanh ghi địa chỉ ( Memory Address Register) 
3. Kết quả xác định hướng dịch chuyển đi/ đến được lưu trữ trên thanh ghi dữ liệu bộ nhớ ( Memory Data Register) 
4. Dữ liệu từ bộ nhớ có thể được ghi lại trên tệp thanh ghi ( Register File) hoặc ghi vào bộ nhớ. 
Lệnh tải từ: Load word (1 of 2 ) 
Lệnh tải từ: Load word (2 of 2) 
Sử dụng địa chỉ từ tệp thanh ghi để tải dữ liệu từ bộ nhớ 
Lệnh tải từ với độ lệch địa chỉ. 
Độ lệch được thêm vào địa chỉ như là một phần của các câu lệnh lw/sw 
Lệnh lưu từ: Store word 
Để thực hiện lưu trữ cần thông tin: Địa chỉ (từ ALU), dữ liệu (từ thanh ghi) 
Ví dụ: 
Biến A = 3 
Địa chỉ của A = 24 
Thực hiện chương trình: 
Ghi giá trị A bằng 512 
Địa chỉ của A vào R5 
Lưu giá trị mới của A vào R6 
Store : Mem[R5]←R6 
Các lệnh điều khiển rẽ nhánh 
Lệnh điều khiển rẽ nhánh 
– Câu lệnh nào được thực thi tiếp theo? 
– Thay đổi luồng điều khiển chương trình “control flow” 
Câu lệnh điều kiện trong MIPS 
– bne R0, R1, Label branch if not equal to label 
– beq R3, R4, Label branch if equal to label 
Example: 
Lệnh nhảy không điều kiện 
Lệnh nhảy không điều kiện: jump 
– j Label jump to label 
Example : 
Các chỉ thị rẽ nhánh 
Thay đổi đường dữ liệu chương trình → Thay đổi bộ đếm chương trình PC 
– j jump Nhảy tới nhãn không điều kiện 
– bne branch not equal Nhảy tới nhãn nếu giá trị các thanh ghi không bằng nhau 
Ví dụ: if (a == b) c=1; else c=2 ; 
Xác định địa chỉ rẽ nhánh có điều kiện 
HUST-FET, 03/01/2022 
36 
PC 
Add 
32 
32 
32 
32 
32 
offset 
16 
32 
00 
sign-extend 
Trường 16 bit thấp của lệnh rẽ nhánh 
branch dst 
address 
? 
Add 
4 
32 
Lệnh nhảy không điều kiện 
HUST-FET, 03/01/2022 
37 
Lệnh nhảy không điều kiện :	 j label	#go to label	 
Định dạng lệnh ( J Format): 
0x02 26-bit address 
PC 
4 
32 
26 
32 
00 
từ trường 26 bits thấp của lệnh nhảy 
Vòng lặp 
Địa chỉ trong lệnh rẽ nhánh và lệnh nhảy 
Question: 
S ử dụng lệnh nhảy bne/beq với khoảng cách bao nhiêu? 
Answer: 
Từ -32,767 đến +32,768 lệnh từ chỉ thị lệnh hiện tại . 
Các lệnh rẽ nhánh 
– bne/beq I-format 16 bit immediate 
– j J-format 26 bit immediate 
Địa chỉ là 32 bits! Điều khiển bằng cách nào? 
– Xem xét bne/beq như là độ lệch tương đối ( relative offsets) ( cộng với giá trị PC hiện thời) 
– Xem xét j như là một giá trị tuyệt đối ( absolute value) ( thay thế 26 bits của PC ) 
Ví dụ nhảy địa chỉ: loops 
Biên dịch thành mã máy  Mã hóa và các định dạng 
Định dạng lệnh (mã máy) 
Ngôn ngữ máy 
– Máy tính không hiểu được chuỗi ký tự sau “add R8, R17, R18 ” 
– Các lệnh phải được chuyển đổi thành ngôn ngữ máy(1s and 0s ) 
Ví dụ: 
a dd R8, R17, R18 → 000000 10001 10010 01000 00000 100000 
Các trường lệnh MIPS 
• opcode mã lệnh xác định phép toán (e.g., “ add ” “ lw”) 
• rs chỉ số thanh ghi chứa toán hạng nguồn 1 trong tệp thanh ghi 
• rt chỉ số thanh ghi chưa toán hạng nguồn 2 trong tệp thanh ghi 
• rd chỉ số thanh ghi lưu kết quả 
• shamt Số lượng dịch(cho chỉ thị dịch) 
• funct mã chức năng thêm cho phần mã lệnh (add = 32, sub =34 ) 
Định dạng lệnh MIPS 
• MIPS có 3 dạng chỉ thị : 
– R:	operation	3 registers no immediate 
– I:	operation	2 registers short immediate 
– J: jump	0 registers long immediate 
Câu hỏi: Lệnh cộng tức thời (addi) cần bao nhiêu bit để lưu giá trị hằng số? 
Trả lời: 
I-format: 5+5+6 bits = 16 bits. 
Giá trị nằm trong khoảng 
Từ -32,768 đến +32,767 
Tổng kết các lệnh MIPS 
HUST-FET, 03/01/2022 
44 
Category 
Instr 
OpC 
Example 
Meaning 
Arithmetic 
(R & I format) 
add 
0 & 20 
add $s1, $s2, $s3 
$s1 = $s2 + $s3 
subtract 
0 & 22 
sub $s1, $s2, $s3 
$s1 = $s2 - $s3 
add immediate 
8 
addi $s1, $s2, 4 
$s1 = $s2 + 4 
shift left logical 
0 & 00 
sll $s1, $s2, 4 
$s1 = $s2 << 4 
shift right logical 
0 & 02 
srl $s1, $s2, 4 
$s1 = $s2 >> 4 (fill with zeros) 
shift right arithmetic 
0 & 03 
sra $s1, $s2, 4 
$s1 = $s2 >> 4 (fill with sign bit) 
and 
0 & 24 
and $s1, $s2, $s3 
$s1 = $s2 & $s3 
or 
0 & 25 
or $s1, $s2, $s3 
$s1 = $s2 | $s3 
nor 
0 & 27 
nor $s1, $s2, $s3 
$s1 = not ($s2 | $s3) 
and immediate 
c 
and $s1, $s2, ff00 
$s1 = $s2 & 0xff00 
or immediate 
d 
or $s1, $s2, ff00 
$s1 = $s2 | 0xff00 
load upper immediate 
f 
lui $s1, 0xffff 
$s1 = 0xffff0000 
Tổng kết các lệnh MIPS 
HUST-FET, 03/01/2022 
45 
Category 
Instr 
OpC 
Example 
Meaning 
Data 
transfer 
(I format) 
load word 
23 
lw $s1, 100($s2) 
$s1 = Memory($s2+100) 
store word 
2b 
sw $s1, 100($s2) 
Memory($s2+100) = $s1 
load byte 
20 
lb $s1, 101($s2) 
$s1 = Memory($s2+101) 
store byte 
28 
sb $s1, 101($s2) 
Memory($s2+101) = $s1 
load half 
21 
lh $s1, 101($s2) 
$s1 = Memory($s2+102) 
store half 
29 
sh $s1, 101($s2) 
Memory($s2+102) = $s1 
Cond. branch 
(I & R format) 
br on equal 
4 
beq $s1, $s2, L 
if ($s1==$s2) go to L 
br on not equal 
5 
bne $s1, $s2, L 
if ($s1 !=$s2) go to L 
set on less than immediate 
a 
slti $s1, $s2, 100 
if ($s2<100) $s1=1; else $s1=0 
set on less than 
0 & 2a 
slt $s1, $s2, $s3 
if ($s2<$s3) $s1=1; else $s1=0 
Uncond. jump 
jump 
2 
j 2500 
go to 10000 
jump register 
0 & 08 
jr $t1 
go to $t1 
jump and link 
3 
jal 2500 
go to 10000; $ra=PC+4 
Hằng số (lệnh trực tiếp) 
Các hằng số nhỏ (tức thì) được sử dụng ở hầu hết các đoạn mã (~ 50%) 
If (a == b) 	 c=1; 
else 	c=2; 
• Làm thế nào để thực thi trong bộ xử lý ? 
– Đưa các hằng số vào bộ nhớ và tải chúng (chậm) 
– Gán cứng giá trị trên thanh ghi(giống R0) (Bao nhiêu?) 
• MIPS thực thi như thế nào: 
– Các chỉ thị có thể chứa hằng số bên trong. 
– Bộ điều khiển sẽ gửi giá trị hằng số đến bộ ALU 
– addi R29, R30, 4 ← giá trị 4 nằm trong câu lệnh 
• Nhưng xảy ra một vấn đề 
– Số bit mã hóa của một trường lệnh là 32 bits. Cần dùng cho trường mã lệnh và các thanh ghi. Làm cách nào để cân đối được không gian cho các hằng số và chỉ thi lệnh? 
Cần bao nhiêu bit khi sử dụng các thanh ghi để lưu giá trị, số lượng than ghi là hữu hạn? 
Lưu trữ dữ liệu về hằng số trên chỉ thị, không sử dụng tệp thanh ghi. 
Tải các giá trị tức thì (hằng số) 
Bộ điều khiển (Control) báo cho ALU nhận toán hạng từ tệp thanh ghi và từ chỉ thị lệnh. 
Tải các giá trị lớn 
Question: ori có sử dụng cho các số có dấu ? 
Answer: không. 
• Trường lệnh trực tiếp giới hạn trong 16 bits (-32,768 to +32,767 ) 
– Làm thế nào để tải được các giá trị lớn? 
• Sử dụng 2 lệnh để tải 
– Load Upper Immediate ( lui ): Loads upper 16 bits 
– Or Immediate ( ori ): Loads lower 16bits 
• Ví dụ: 10101010 10101010 11110000 11110000 
Thủ tục gọi hàm 
Lời gọi thủ tục và khai báo thủ tục được chuyển thành lệnh máy như thế nào? 
Đối số (biến số) được truyền vào thủ tục như thế nào? 
Kết quả trả về của thủ tục được truyền ra ngoài như thế nào? 
Thủ tục được gọi: Callee 
Thủ tục gọi: Caller 
Các thủ tục gọi hàm 
Các thủ tục (hàm/chương trình con) sử dụng cho chương trình có cấu trúc. 
main( ) { for ( j=0; j<10; j++ ) 
If (a[ j ] == 0) 
a[ j ] = update(a[ j ], j); 
} 
Thực thi các thủ tục cần các điều kiện sau: 
– Đưa dữ liệu vào nơi thủ tục cần truy cập vào 
– Bắt đầu thực thi 
– Làm việc/ sử dụng thanh ghi 
– Quay lại thủ tục gọi ( caller) 
– Nhận kết quả và trả kết quả về 
Các thủ tục gọi hàm 
1 . Đưa các tham số ( parameters) vào thủ tục được gọi (callee ) 
2. Chuyển quyền điều khiển tới thủ tục được gọi 
3. Cấp các thanh ghi cần thiết cho thủ tục được gọi 
4 . Thực thi đoạn mã 
5. Trả kết quả ( results) vào vị trí hàm gọi có thể truy cập 
6. Trả điều khiển đến vị trí trước khi gọi thủ tục 
 without messing up the caller’s registers ! 
main( ) { for ( j=0; j<10; j++ ) 
If (a[ j ] == 0) 
a[ j ] = update(a[ j ], j); 
} 
Int update (int x, int y) { 
return x+y; 
} 
Caller : main () 
Callee : update () 
Parameters : a[j], j 
Results : (stored in) a[j] 
Nguyên tắc sử dụng thủ tục 
Ví dụ: f(g,h,i,j )=(g+h ) – ( i+j) 
add R1, R4, R5 ; g=R4, h=R5 
add R2, R6, R7 ; i=R6, j=R7 
sub R3, R1, R2 
Nếu thủ tục gọi(e.g., main() ) sử dụng R1, R2 hoặc R3 sẽ phải được lưu lại, bởi vì thủ tục được gọi sẽ ghi đè lên khi thực thi. 
Một số vấn đề: 
• Thủ tục được gọi không biết về các thanh ghi thủ tục gọi sử dụng (Bao gồm nhiều thủ tục gọi khác nhau) 
• Thủ tục gọi không biết thanh ghi nào mà thủ tục được gọi sẽ sử dụng! 
(Có thể gọi nhiều thủ tục con) 
• Phân chia giữa callee và caller 
• Theo quy ước này cho phép bất kỳ thủ tục gọi nào đều gọi tới bất kỳ thủ tục được gọi 
• Callee và caller đều biết cái gì cần được lưu trữ 
Các thanh ghi lưu trữ: Quy ước trong MIPS 
Question: Các thanh ghi 
$ s0 - $s8 và $sp, $ fp , $ra là gì ? 
Answer: 
Là tên chuẩn cho các thanh ghi R16 ‐ R23 và R29‐R31 . 
• Quy ước trong MIPS 
- Thống nhất theo “điều kiện" hoặc "giao thức” sau đó 
- Xác định chính xác việc sử dụng và một số quy ước đặt tên 
- Được thiết lập như là một phần của kiến ​​trúc 
- Được sử dụng bởi tất cả các trình biên dịch, chương trình, và các thư viện 
- Đảm bảo khả năng tương thích 
• Callee lưu vào các thanh ghi sau đây, nếu sử dụng chúng 
– $ s0 ‐ $s7 (s=saved ) 
– $sp , $ fp ,$ra 
• Caller phải lưu vào bất kỳ thanh ghi nào cần sử dụng đến. 
Tên các thanh ghi MIPS và các quy ước 
Làm thế nào để thực thi một thủ tục gọi 
Chuyển đổi quyền điều khiển (transfer control) tới callee 
jal Procedure Address ; nhảy và kết nối thủ tục (jump‐and‐link to the procedure) 
– Địa chỉ trả về PC+4 được lưu trong $ra 
Trả điều khiển (return control) tới caller : 
jr $ra ; nhảy và trả về địa chỉ lưu trong $ ra (jump‐return to the address in $ra) 
– Phải lưu lại địa chỉ quay về! 
Quy ước thanh ghi cho thủ tục gọi: 
– $ a0 ‐ $a3 : Các thanh ghi đối số (4) 
– $ v0 ‐ $v1 : Các thanh ghi biến (2) cho kết quả trả về 
– $ ra : Địa chỉ quay về 
Ví dụ 
main() { 
Int a,b,c ; 
.. 
c = sum(a,b); 
} 
/* Khai báo hàm sum*/ 
int sum (int x, int y) { 
return x + y; 
} 
Địa chỉ 
Chỉ thị lệnh 
1000 
add $a0, $s0, $zero # x = a 
1004 
add $a1, $s1, $zero # y = b 
1008 
addi $ra, $zero, 1016 # Lưu địa chỉ quay về 
1012 
j sum # nhảy tới nhãn “sum” 
1016 
.. 
2000 
sum: add $v0, $a0,$a1 # Khai báo thủ tục sum 
2004 
jr $ra #nhảy tới địa chỉ lệnh trong $ra 
Địa chỉ 
Chỉ thị lệnh 
1000 
add $a0, $s0, $zero # x = a 
1004 
add $a1, $s1, $zero # y = b 
1008 
jal sum # Lưu địa chỉ quay về vào $ra 
1012 
2000 
sum: add $v0, $a0,$a1 # Khai báo thủ tục sum 
2004 
jr $ra #nhảy tới địa chỉ lệnh trong $ra 
Các ví dụ về thủ tục gọi hàm và ngăn xếp 
Lưu trữ vào thanh ghi (trong ngăn xếp) 
• Ngăn xếp là một phần của bộ nhớ lưu trữ dữ liệu tạm thời. 
• Con trỏ ngăn xếp (Lưu trong $sp) trỏ tới điểm cuối cùng của ngăn xếp trong bộ nhớ 
• Trong MIPS ngăn xếp đi từ trên xuống. 
• Các thủ tục di chuyển con trỏ ngăn xếp khi chúng lưu dữ liệu trong ngăn xếp. 
• Mỗi thủ tục quay lại ngăn xếp đến trạng thái trước khi được gọi. 
Nếu thủ tục sử dụng nhiều dữ liệu (đối số, kết quả trả về, biến cục bộ) hơn số lượng thanh ghi lưu trữ 
1/ Sử dụng thêm nhiều thanh ghi hơn? Bao nhiêu thì đủ? 
2/ Sử dụng ngăn xếp (stack) 
Calls: Why Are Stacks So Great? 
Stacking of Subroutine Calls & Returns and Environments: 
A: 
 CALL B 
 CALL C 
 C: 
 RET 
 RET 
B: 
A 
A 
B 
A 
B 
C 
A 
B 
A 
Some machines provide a memory stack as part of the architecture 
 (e.g., VAX) 
Sometimes stacks are implemented via software convention  (e.g., MIPS) 
Các bộ nhớ ngăn xếp 
Useful for stacked environments/subroutine call & return even if 
operand stack not part of architecture 
Stacks that Grow Up vs. Stacks that Grow Down: 
a 
b 
c 
0 Little 
inf. Big 
0 Little 
inf. Big 
Memory 
Addresses 
SP 
Next 
Empty? 
Last 
Full? 
How is empty stack represented? 
Little --> Big/Last Full 
POP: Read from Mem(SP) 
 Decrement SP 
PUSH: Increment SP 
 Write to Mem(SP) 
grows 
up 
grows 
down 
Little --> Big/Next Empty 
POP: Decrement SP 
 Read from Mem(SP) 
PUSH: Write to Mem(SP) 
 Increment SP 
Call-Return Linkage: Stack Frames 
Many variations on stacks possible (up/down, last pushed /next ) 
Compilers normally keep scalar variables in registers, not memory! 
FP 
ARGS 
Callee Save 
Registers 
Local Variables 
SP 
Reference args and 
local variables at 
fixed (positive) offset 
from FP 
Grows and shrinks during 
expression evaluation 
(old FP, RA) 
High Mem 
Low Mem 
Các kiến trúc tập lệnh khác (ISAs) 
Có rất nhiều kiến trúc tập lệnh khác nhau (ISAs): 
– x86 (Intel/AMD ) 
– ARM (ARM ) 
– JVM (Java ) 
– PPC (IBM, Motorola ) 
– SPARC (Oracle, Fujitsu ) 
– PTX (Nvidia ) 
– etc. 
Chú ý đến một số vấn đề chính : 
– Các kiểu mã máy (Machine types) 
– Phân loại các kiểu tập lệnh (ISA classes) 
– Các chế độ đánh địa chỉ (Addressing modes) 
– Độ lớn của chỉ thị (Instruction width) 
– Phân biệt kiến trúc CISC vs. RISC 
Phân loại tập lệnh cơ bản 
• Accumulator (1 register) 
 – 1 address add A acc ← acc + mem[A] 
• General purpose register file (load/store) 
 – 3 addresses add Ra Rb Rc Ra ← Rb + Rc 
 load Ra Rb Ra ← Mem[Rb] 
• General purpose register file (Register - Memory ) 
– 2 address add Ra B Ra ← Mem[B] 
• Stack (not a register file but an operand stack ) 
– 0 address add tos ← tos + next 
 tos = top of stack 
• Comparison : 
– Bytes per instruction? Number of instructions? Cycles per instruction? 
Các chế độ đánh địa chỉ 
Tổng kết: Các kiến trúc tập lệnh 
• Architecture = what’s visible to the program about the machine 
– Not everything in the implementation is “visible ” 
– The implementation may not follow the architecture 
– The invisible stuff is the “microarchitecture” and it’s very messy, but very fun (huge engineering challenges; lots of money ) 
• A big piece of the ISA is the assembly language structure 
– Primitive instructions (appear to) execute sequentially and atomically 
– Formats, computations, addressing modes, etc . 
• CISC : lots of complicated instructions 
• RISC : a few basic instructions 
• All recent machines are RISC, but x86 is still CISC (although they do RISC tricks on the inside)