Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 4: Kiến trúc bộ lệnh (Tiếp theo)

Tuần 4 
KIẾN TRÚC BỘ LỆNH 
(Tiếp theo) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
1 
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 
Tuần 04 – Kiến trúc bộ lệnh (tiếp theo) 
2 
Mục tiêu: 
Hiểu cách biểu diễn và cách thực thi các lệnh trong máy tính 
Chuyển đổi lệnh ngôn ngữ cấp cao sang assembly và mã máy 
Chuyển đổi lệnh mã máy sang ngôn ngữ cấp cao hơn 
Biết cách lập trình bằng ngôn ngữ assembly cho MIPS 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Slide được dịch và các hình được lấy từ sách tham khảo: 
Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface , Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011 . 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
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 
3 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
 Làm thế nào một lệnh ( add $t0, $s1, $s2) lưu giữ được trong máy tính? 
	 Máy tính chỉ có thể làm việc với các tín hiệu điện tử thấp và cao, do đó một lệnh lưu giữ trong máy tính phải được biểu diễn như là một chuỗi của "0" và "1", được gọi là mã máy / lệnh máy . 
 Ngôn ngữ máy (Machine language) : biểu diễn nhị phân được sử dụng để giao tiếp trong một hệ thống máy tính. 
 Để chuyển đổi từ một lệnh sang mã máy (machine code) sử dụng định dạng lệnh (instruction format). 
	 Định dạng lệnh : Một hình thức biểu diễn của một lệnh bao gồm các trường của số nhị phân. 
Ví dụ một định dạng lệnh: 
4 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
 Ví dụ: Chuyển đổi một lệnh cộng trong MIPS thành một lệnh máy: 
add $t0,$s1,$s2 
Với định dạng lệnh: 
5 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Trả lời: Chuyển đổi một lệnh cộng trong MIPS thành một lệnh máy: 	 add $t0, $s1, $s2 
Định dạng lệnh: 
Mã máy: 
Mỗi phân đoạn của một định dạng lệnh được gọi là một trường (ví dụ trường op, rs, rt, rd, shamt, funct) . 
Trong ngôn ngữ assembly MIPS, thanh ghi $s0 đến $ s 7 có chỉ số tương ứng từ 16 đến 23, và thanh ghi $t0 đến $t7 có chỉ số tương ứng từ 8 đến 15 . 
Các trường rs, rt, rd chứa chỉ số của các thanh ghi tương ứng; trường op và funct có giá trị bao nhiêu cho từng loại lệnh do MIPS quy định 
 Trường ‘shamt’? 
Tra trong bảng “MIPS reference data” (trang 2 sách tham khảo chính) để có các giá trị cần thiết 
6 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Từ một mã máy đang có, như thế nào máy tính hiểu? 
T rường đầu tiên (op, tức opcode có giá trị 0) và trường cuối cùng (funct, tức function có giá trị 20 hex ) kết hợp báo cho máy tính biết rằng đây là lệnh cộng (add) . 
Trường thứ hai (rs) cho biết toán hạng thứ nhất của phép toán cộng ( rs hiện có giá trị 17, tức toán hạng thứ nhất của phép công là thanh ghi $s1 ) 
Trường thứ ba (rt) cho biết toán hạng thứ hai của phép toán cộng ( rt hiện có giá trị 18, tức toán hạng thứ hai của phép công là thanh ghi $s2 ) 
Trường thứ tư (rd) là thanh ghi đích chứa tổng của phép cộng ( rd hiện có giá trị 8, tức thanh ghi đích chứa tổng là $t0 ). 
Trường thứ năm (shamt) không sử dụng trong lệnh add này 
7 
op 
rs 
rt 
rd 
shamt 
funct 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Các dạng khác nhau của định dạng lệnh MIPS : 
R-type hoặc R-format (cho các lệnh chỉ làm việc với thanh ghi) 
I-type hoặc I-format (cho các lệnh có liên quan đến số tức thời và truyền dữ liệu) 
J-type hoặc J-format (lệnh nhảy, lệnh ra quyết định) 
8 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Các dạng khác nhau của định dạng lệnh MIPS : 
9 
o p (Hay còn gọi là op code , mã tác vụ) : Trong cả ba định dạng của lệnh, trường op luôn chiếm 6 bits. 
Khi máy tính nhận được mã máy, phân tích op sẽ cho máy tính biết được đây là lệnh gì (*) , từ đó cũng biết được mã máy thuộc loại định dạng nào, sau đó các trường tiếp theo sẽ được phân tích. 
(*) Lưu ý: MIPS quy định nhóm các lệnh làm việc với 3 thanh ghi (R-format) đều có op là 0. Vì vậy, với R-format, cần dùng thêm trường ‘funct’ để biết chính xác lệnh cần thực hiện là lệnh nào. 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Các trường của R-format: 
rs : Thanh ghi chứa toán hạng nguồn thứ nhất 
rt: Thanh ghi chứa toán hạng nguồn thứ hai 
rd: T hanh ghi toán hạng đích, nhận kết quả của các phép toán . 
shamt: Chỉ dùng trong các câu lệnh dịch bit (shift) - chứa số lượng bit cần dịch (không được sử dụng sẽ chứa 0 ) 
funct: Kết hợp với op (khi op bằng 0) để cho biết mã máy là lệnh gì 
10 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Các trường của I-format và J-format: 
Vùng “constant or address” (thỉnh thoảng gọi là vùng immediate) là vùng chứa số 16 bit . 
Với lệnh liên quan đến memory (như lw, sw): giá trị trong thanh ghi rs cộng với số 16 bits này sẽ là địa chỉ của vùng nhớ mà lệnh này truy cập đến. 
Với lệnh khác (như addi): 16 bits này chứa số tức thời 
Vùng “address” là vùng chứa số 2 6 bit (dùng cho lệnh ‘j’) 
11 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
 Ví dụ một số lệnh MIPS và các trường tương ứng 
“reg” nghĩa là chỉ số thanh ghi (giữa 0 và 31) 
“address” nghĩa là 1 địa chỉ 16 bit. 
“n.a.” (không áp dụng ) nghĩa là trường này không xuất hiện trong định dạng này. 
Lưu ý rằng lệnh ‘add’ và ‘sub’ có cùng giá trị trong trường "op"; do đó phần cứng sẽ sử dụng thêm trường "funct" để quyết định đây là lệnh gì 
Funct = 32 ten = 20 hex lệnh ‘add’ 
Funct = 34 ten = 22 hex lệnh ‘sub’ 
12 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Ví dụ: Chuyển ngôn ngữ cấp cao Assembly MIPS mã máy 
Chuyển câu lệnh sau sang assembly MIPS và sau đó chuyển thành mã máy: 
A[300] = h + A[300] 
Biết A là một mảng nguyên, mỗi phần tử của A cần một từ nhớ để lưu trữ; $t1 chứa địa chỉ nền/cơ sở của mảng A và $s2 tương ứng với biến nguyên h . 
Đáp án: Assembly MIPS: 
lw $t0,1200($t1) # Dùng thanh ghi tạm $t0 nhận A[300] 
add $t0,$s2,$t0 # Dùng thanh ghi tạm $t0 nhận h + A[300] 
sw $t0,1200($t1) # Lưu h + A[300] trở lại vào A[300] 
Mã máy cho ba lệnh trên: 
13 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Biểu diễn lệnh 
Kết luận: 
Các lệnh được biểu diễn như là các con số. 
Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ được đọc hay viết giống như các con số. 
Xem lệnh như là dữ liệu là cách tốt nhất để đơn giản hóa cả bộ nhớ và phần mềm của máy tính. 
Để chạy/thực thi một chương trình, đơn giản chỉ cần nạp chương trình và dữ liệu vào bộ nhớ ; sau đó báo với máy tính để bắt đầu thực thi chương trình tại vị trí mà nó đã được cấp phát . 
14 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
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 
15 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các phép tính Logic 
Hình 7: C và Java các phép tính logic và lệnh MIPS tương ứng. 
Shift : Lệnh dịch chuyển bit. 
AND: là phép toán logic “VÀ” . 
OR: là một phép toán logic “HOẶC” 
NOT: kết quả là 1 nếu bit đó là 0 và ngược lại. 
NOR : NOT OR. 
Hằng số rất hữu ích trong các phép toán logic AND và OR cũng như trong phép t ính số học, vì vậy MIPS cung cấp các lệnh trực tiếp andi và ori . 
16 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
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 
17 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
Một máy tính (PC) khác với các máy tính tay (calculator) chính là dựa trên k hả năng đưa ra quyết định . 
Trong ngôn ngữ lập trình, đưa ra quyết định thường được biểu diễn bằng cách sử dụng câu lệnh “ if” , đôi khi kết hợp với câu lệnh “go to” . 
Ngôn ngữ Assembly MIPS cũng chứa các lệnh hỗ trợ ra quyết định, tương tự với câu lệnh "if" và “ go to " . 
	Ví dụ:	 beq register1, register2, L1 
	 Lệnh này có nghĩa là đi đến câu lệnh có nhãn L1 nếu giá trị của thanh ghi register1 bằng giá trị thanh ghi register2 . 
 Từ ‘beq’ là viết tắt của “ branch if equal” (rẽ nhánh nếu bằng) 
 Các lệnh như ‘beq’ được gọi là lệnh rẽ nhánh có điều kiện . 
18 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
Các lệnh rẽ nhánh có điều kiện (conditional branch) của MIPS: 
19 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Conditional branch 
branch on equal 
beq $s1, $s2 25 
if ($s1 == $s2) goto PC + 4 + 100 
branch on not equal 
bne $s1, $s2, 25 
if ($s1 != $s2) goto PC + 4 + 100 
set on less than 
slt $s1, $s2, $s3 
if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0 
set on less than 
unsigned 
slt $s1, $s2, $s3 
if ($s2 < $s3) $s1 = 1; else $s1 = 0 
set on less than 
immediate 
slt $s1, $s2, 20 
if ($s2 < 20) $s1 = 1; else $s1 = 0 
set on less than 
immediate unsigned 
slt $s1, $s2, 20 
if ($s2 < 20) $s1 = 1; else $s1 = 0 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
Ngoài ra còn có các lệnh rẽ nhánh có điều kiện khác, nhưng là nhóm lệnh giả (pseudo instructions) 
 (Tham khảo trang số 2, sách tham khảo chính) 
20 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Conditional branch 
(pseudo instruction) 
branch on less than 
blt 
branch greater than 
bgt 
branch less than or equal 
ble 
branch greater than or equal 
bge 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
Cặp ( slt be q) tương đương với if( ≥ ) goto 
Cặp ( slt b ne) tương đương với if( < ) goto 
slt $t0,$s0,$s1 	 # $t0 = 1 if $s0 <$s1 
beq $t0,$zero,skip 	 # if $s0 >= $s1, goto skip 
 	# do if $s0 < $s1 
slt $t0,$s0,$s1 	 # $t0 = 1 if $s0 <$s1 
bne $t0,$zero,skip 	 # if $s0 < $s1, goto skip 
 	# do if $s0 >= $s1 
21 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
Các lệnh rẽ nhánh không điều kiện (unconditional branch) của MIPS: 
22 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Unconditional jump 
jump 
j label 
jump register 
jr $ra 
jump and link 
jal label 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
 Biên dịch if-then-else từ ngôn ngữ cấp cao sang assembly MIPS: 
Cho đoạn mã sau: 
if (i == j) f = g + h; else f = g – h; 
Biết f, g, h, i và j là các biến. Nếu năm biến f đến j tương ứng với 5 thanh ghi $s0 đến $s4, mã MIPS cho câu lệnh if này là gì? 
Trả lời: 
bne $s3,$s4, Else 	# go to Else if i != j 
add $s0, $s1, $s2	# f = g + h (skipped if i != j) 
j exit 	# go to Exit 
Else: sub $s0, $s1, $s2 	# f = g – h (skipped if i = j) 
exit: 
23 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các lệnh điều kiện và nhảy 
 Biên dịch 1 vòng lặp while từ ngôn ngữ cấp cao sang assembly MIPS 
Cho đoạn mã sau: 
while (save[i] == k) 
i += 1; 
Giả định rằng i và k tương ứng với thanh ghi $s3 và $s5 ; và địa chỉ nền/ cơ sở của mảng save lưu trong $s6 . Mã assembly MIPS tương ứng với đoạn mã C trên là gì? 
 T rả lời : 
Loop: 	 sll $t1,$s3,2 	# Temp reg $t1 = 4 * i 
	add $t1,$t1,$s6 	# $t1 = address of save[i] 
	lw $t0,0($t1) 	# Temp reg $t0 = save[i] 
	bne $t0,$s5, Exit 	# go to Exit if save[i] != k 
	addi $s3,$s3,1 	# i = i + 1 
	j Loop 	# go to Loop 
Exit: 
24 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
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 
25 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Chuyển đổi và bắt đầu một chương trình 
 B ốn bước trong việc chuyển đổi một chương trình C trong một tập tin trên đĩa vào một chương trình đang chạy trên máy tính. 
26 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
27 
Tổng kết: 
MIPS có ba định dạng lệnh: R-format, I-format, J-format. Từ đó, hiểu cách một lệnh từ ngôn ngữ cấp cao chuyển thành assembly của MIPS, và từ assembly của MIPS chuyển thành mã máy dựa theo ba định dạng trên 
Biết quy tắc hoạt động của nhóm lệnh logic của MIPS 
Biết quy tắc hoạt động của nhóm lệnh nhảy (nhảy có điều kiện và không điều kiện) của MIPS 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Tuần 4 – Kiến trúc bộ lệnh 
Lý thuyết: Đọc sách tham khảo 
Mục: 2.5, 2.6, 2.7 
 Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface , Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011. 
Bài tập: file đính kèm 
28 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.