Giáo trình Tổ chức máy tính

Chương 01&02 
TỔNG QUAN 
1. SỰ GIỚI THIỆU 
1.1. Kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính 
 Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính của một hệ thống hiển thị cho một lập trình 
viên, hoặc nói một cách khác , các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực hiện hợp lý 
của một chương trình. 
 Ví dụ , bộ Hướng dẫn , số lượng bit được sử dụng cho dữ liệu đại diện , cơ chế I/O , các kỹ 
thuật giải quyết . 
 Một vấn đề thiết kế kiến trúc cho một máy tính sẽ có một hướng dẫn 
 tổ chức máy tính dùng để chỉ các đơn vị hoạt động và mối liên kết của họ mà nhận ra các chi 
tiết kỹ thuật kiến trúc hoặc làm thế nào tính năng này được thực hiện. 
 Ví dụ thuộc tính tổ chức bao gồm 
 Các chi tiết về những phần cứng rõ ràng đối với các lập trình viên , chẳng hạn như tín hiệu 
điều khiển ; giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ; và công nghệ bộ nhớ sử dụng. 
 Trong lịch sử , cho đến hôm nay , sự phân biệt giữa kiến trúc và tổ chức đã được một điều quan 
trọng . 
 Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp một gia đình của các mô hình máy tính, tất cả đều có 
kiến trúc tương tự nhưng với sự khác biệt trong tổ chức . 
 Do đó , các mô hình khác nhau trong gia đình có đặc điểm giá cả và hiệu suất khác nhau . 
 Một kiến trúc đặc biệt có thể kéo dài nhiều năm và bao gồm một số mô hình máy tính khác 
nhau , tổ chức của nó thay đổi với sự thay đổi công nghệ. 
 kiến trúc IBM System / 370 . Kiến trúc này lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1970 và 
bao gồm một số mô hình . 
 Trong những năm qua , IBM đã giới thiệu nhiều mẫu mới với công nghệ cải tiến để 
thay thế mô hình cũ , cung cấp tốc độ lớn hơn , chi phí thấp hơn , hoặc cả hai.Những 
mô hình mới hơn giữ lại kiến trúc giống nhau 
 Tất cả các gia đình Intel x86 chia sẻ các kiến trúc cơ bản giống nhau . 
1.2. Cấu trúc và Chức năng 
 Cấu trúc 
 là cách thức mà các thành phần liên quan đến nhau 
 Chức năng 
 là hoạt động của các thành phần cá nhân như là một phần của cấu trúc 
 Hệ thống máy tính sẽ được mô tả từ trên xuống. Chúng ta bắt đầu với các thành phần chính của 
một máy tính , mô tả cấu trúc và chức năng của nó , và tiến tới lớp thấp hơn trong hệ thống 
phân cấp . 
hình.1.1 .chức năng của máy tính 
 Chức năng 
 Xử lí dữ liệu 
 lưu trữ dữ liệu 
 di chuyển dữ liệu 
 Điều khiển 
 Xử lí dữ liệu 
 Các dữ liệu có thể có nhiều hình thức , và một loạt các yêu cầu xử lí rất rộng. Tuy nhiên , 
chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một vài phương pháp cơ bản hoặc các loại xử lý dữ liệu . 
 lưu trữ dữ liệu 
 Đó cũng là điều cần thiết mà một cửa hàng máy tính dữ liệu. Ngay cả khi máy tính đang 
xử lý dữ liệu nhanh chóng (ví dụ , dữ liệu đi vào và được xử lý , và kết quả đi ra ngoài 
ngay lập tức) , máy tính tạm thời phải lưu trữ ít nhất là những mẩu dữ liệu đang được làm 
việc tại bất kỳ lúc nào. Như vậy , có ít nhất một chức năng lưu trữ dữ liệu ngắn hạn . 
 Quan trọng không kém , máy tính thực hiện một chức năng lưu trữ dữ liệu lâu dài . File dữ 
liệu được lưu trữ trên máy tính để thu hồi tiếp theo và cập nhật. 
 di chuyển dữ liệu 
 Các máy tính phải có khả năng di chuyển dữ liệu giữa bản thân và thế giới bên ngoài . 
 môi trường hoạt động của máy tính bao gồm các thiết bị phục vụ như là một trong hai 
nguồn hoặc đích của dữ liệu. 
 Khi nhận được dữ liệu hoặc giao cho một thiết bị được kết nối trực tiếp với máy tính , quá 
trình này được gọi là đầu vào - đầu ra ( I / O ) , và các thiết bị được gọi là một thiết bị 
ngoại vi . 
 Khi dữ liệu được di chuyển trên một khoảng cách dài hơn, hoặc từ một thiết bị từ xa , quá 
trình này được gọi là truyền thông dữ liệu. 
 Điều khiển 
 Cuối cùng , phải có kiểm soát của ba chức năng . Lúc đó, kiểm soát này được thực hiện bởi 
các cá nhân ( những) người cung cấp máy tính với các hướng dẫn . 
 Trong máy tính, một đơn vị kiểm soát quản lý các nguồn tài nguyên của máy tính và tổ 
chức hợp hiệu suất của các bộ phận chức năng của mình để đáp ứng với những lệnh. 
 Cấu trúc 
 Các máy tính tương tác trong một số thời trang với môi trường bên ngoài của nó . 
 Nói chung , tất cả các mối liên hệ của nó với môi trường bên ngoài có thể được phân loại 
như các thiết bị ngoại vi hoặc đường dây thông tin liên lạc . 
hình 1.2. Máy tính 
 Cấu trúc bên trong của máy tính riêng của nó , được thể hiện trong hình 1.3. bốn thành 
phần cấu trúc chính . 
 đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) : Điều khiển hoạt động của máy tính và thực hiện các 
chức năng xử lý dữ liệu của nó ; thường được gọi đơn giản như bộ xử lý . 
 Bộ nhớ chính : Lưu trữ dữ liệu . 
 I / O : Di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài của nó . 
 Hệ thống kết nối: Một số cơ chế cung cấp cho truyền thông giữa CPU , bộ nhớ chính , 
và I / O . Một ví dụ phổ biến của hệ thống kết nối là bằng phương tiện của một hệ 
thống Bus, bao gồm một số tiến dây mà tất cả các thành phần khác đính kèm . 
 Có thể có một hoặc nhiều từng thành phần nói trên . Theo truyền thống , chỉ có một bộ xử lý 
duy nhất. Trong những năm gần đây , đã có gia tăng sử dụng nhiều bộ xử lý trong một máy tính 
duy nhất. 
hình 1.3. máy tính : Cơ cấu Top-Level 
 Thú vị nhất và trong một số các các thành phần phức tạp nhất là CPU . thành phần cấu trúc 
chính của nó là như sau : 
 Control unit : Điều khiển các hoạt động của CPU . 
 Số học và logic đơn vị ( ALU ) : Thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu của máy tính 
 Registers : Cung cấp lưu trữ nội bộ của CPU 
 CPU interconnection(CPU kết nối): Một số cơ chế cung cấp cho truyền thông giữa các 
thiết bị điều khiển , ALU , và Registers 
2.sự phát triển Máy tính và Hiệu suất 
2.1. Tóm tắt lịch sử của máy tính 
 Tóm tắt lịch sử của máy tính Thế hệ đầu tiên: ống chân không 
 ENIAC : Các ENIAC (Electronic Numerical Integrator và máy tính ) , được thiết kế và xây 
dựng tại Đại học Pennsylvania , là mục đích chung điện tử máy tính kỹ thuật số đầu tiên 
trên thế giới . 
 Dự án này là một phản ứng với nhu cầu của Hoa Kỳ trong Thế chiến II . 
 John Mauchly và John Eckert 
 Bắt đầu năm 1943 và hoàn thành năm 1946. Quá muộn cho nỗ lực chiến tranh . 
 Được sử dụng cho đến năm 1955 
 Thập phân ( không phải nhị phân ) 
 20 ắc quy của 10 chữ số 
 Lập trình bằng tay bằng cách 
 chuyển mạch và cắm và cáp rút . 
 18.000 ống chân không 
 30 tấn 
 15.000 feet vuông 
 tiêu thụ điện 140 kW 
 5000 bổ sung mỗi lần 
 thứ hai 
 von Neumann / Turing 
 chương trình làm thay đổi cho ENIAC là vô cùng tẻ nhạt 
 Một máy tính có thể nhận được hướng dẫn của nó bằng cách đọc chúng từ bộ nhớ và một 
chương trình có thể được thiết lập hoặc thay đổi bằng cách thiết lập các giá trị của một 
phần bộ nhớ . 
 Ý tưởng này , được biết đến như là khái niệm lưu trữ chương trình . 
 Ấn phẩm đầu tiên của ý tưởng là trong một đề nghị năm 1945, von Neumann cho một máy 
tính mới, EDVAC (Electronic Discrete máy tính biến ) . 
 Alan Turing phát triển các ý tưởng tại cùng một thời điểm 
 Năm 1946 , von Neumann và các đồng nghiệp của ông bắt đầu thiết kế một máy tính 
chương trình được lưu trữ mới , được gọi là máy tính IAS , tại Viện Princeton nghiên cứu 
cao cấp . 
 Các máy tính IAS , mặc dù không hoàn thành cho đến năm 1952, nhưng là nguyên mẫu 
của tất cả các máy tính mục đích chung sau này. 
 Nó bao gồm 
 Một bộ nhớ chính , trong đó lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn. 
 Một số học và logic đơn vị ( ALU ) có khả năng hoạt động trên dữ liệu nhị phân 
 Một đơn vị kiểm soát, trong đó dịch các lệnh trong bộ nhớ và làm cho chúng được 
thực thi. 
 Đầu vào và đầu ra ( I / O ) thiết bị điều hành bởi các đơn vị kiểm soát 
hình 2.1 Cấu trúc của máy tính IAS 
 Với trường hợp ngoại lệ hiếm hoi , tất cả các máy tính ngày nay có cấu trúc này chung 
giống nhau và chức năng và do đó được gọi là máy von Neumann. 
 Bộ nhớ của IAS bao gồm 1.000 địa điểm lưu trữ , gọi là từ nhớ, gồm 40 chữ số nhị phân 
(bit ). 
 Cả hai dữ liệu và hướng dẫn được lưu trữ ở đó . Các số được biểu diễn dưới dạng nhị phân , 
và mỗi lệnh là một mã nhị phân . 
 Mỗi số được đại diện bởi một bit dấu và một giá trị 39 -bit . 
 Một chữ cũng có thể chứa hai hướng dẫn 20 -bit , với mỗi chỉ dẫn bao gồm một mã hoạt 
động 8 - bit ( opcode ) xác định các hoạt động được thực hiện và một địa chỉ(address) 12 
-bit chỉ định một trong các từ trong bộ nhớ ( số 0-999 ) . 
hình 2.2 Định dạng thẻ nhớ IAS 
hình 2.3 Cấu trúc mở rộng của máy tính IAS 
 Hình 2.3 cho thấy rằng cả hai Control unit và ALU chứa các địa điểm lưu trữ, gọi là thanh 
ghi , được xác định như sau : 
 Bộ nhớ đệm đăng ký ( MBR ) : Chứa một từ được lưu trữ trong bộ nhớ hoặc gửi đến 
các đơn vị I / O , hoặc được sử dụng để nhận được một lời từ bộ nhớ hoặc từ các đơn 
vị I / O . 
 địa chỉ bộ nhớ đăng ký ( MAR ) : Chỉ định địa chỉ trong bộ nhớ của từ được viết từ 
hoặc đọc vào MBR . 
 Hướng dẫn chỉ thị ( IR ) : Chứa các lệnh mã máy 8 -bit được thực thi. 
 đăng ký chỉ dẫn đệm ( IBR ) : có nhiệm vụ giữ tạm thời hướng dẫntừ bên phải một từ 
trong bộ nhớ. 
 Chương trình truy cập (PC ) : Chứa địa chỉ của lệnh đôi tiếp theo sẽ được lấy từ bộ 
nhớ . 
 Accumulator ( AC ) và multiplier quotient( MQ ) : có việc làm để giữ tạm thời các 
toán hạng và kết quả hoạt động ALU . Ví dụ, kết quả của phép nhân hai số 40 - bit là 
một số 80 - bit; quan trọng nhất 40 bit được lưu trữ trong các AC và đáng kể nhất là 
trong MQ. 
Máy tính thương mại 
 Những năm 1950 chứng kiến sự ra đời của ngành công nghiệp máy tính với hai công ty, Sperry 
và IBM, thống trị thị trường. 
 Năm 1947, Eckert và Mauchly thành lập-Mauchly Eckert Computer Corporation để sản xuất 
máy tính thương mại. 
 máy thành công đầu tiên của họ là UNIVAC I (Universal Automatic Computer), được ủy 
quyền bởi Cục điều tra dân số cho năm 1950 tính toán. 
 Tổng công ty máy tính Eckert-Mauchly đã trở thành một phầnbộ phận của UNIVAC của 
Sperry-Rand Corporation, mà đã đi vào để xây dựng một loạt máy kế nhiệm. 
 IBM, nhà sản xuất lớn của thiết bị chế biến đục lỗ thẻ, chuyển giao điện tử máy tính lưu trữ 
chương trình đầu tiên của nó, là 701, năm 1953. 
 701 được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng khoa học. 
 Năm 1955, IBM giới thiệu các sản phẩm đồng hành 702, trong đó có một số tính năng phần 
cứng phù hợp cho các ứng dụng kinh doanh. 
 Đây là những người đầu tiên của một chuỗi dài các 700/7000 máy tính thành lập IBM là nhà 
sản xuất máy tính thống trị áp đảo. 
hế hệ thứ hai: Transitor 
 Sự thay đổi lớn đầu tiên trong máy tính điện tử đến với sự thay thế của ống chân không bằng 
các bóng bán dẫn. 
 Các bóng bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, và mất đi ít nhiệt hơn so với một ống chân không, nhưng có 
thể được sử dụng trong cùng một cách như là một ống chân không để xây dựng máy tính. 
 Không giống như các ống chân không, mà đòi hỏi phải có dây, tấm kim loại, một viên thủy tinh, 
và một chân không, các bóng bán dẫn là một thiết bị trạng thái rắn, được làm từ silicon. 
 Các bóng bán dẫn được phát minh tại Bell Labs vào năm 1947 và đến năm 1950 đã đưa ra một 
cuộc cách mạng điện tử . 
 cho đến cuối năm 1950,Tuy nhiên, các máy tính bán dẫn hoàn toàn là thương mại có sẵn. 
 Việc sử dụng các bóng bán dẫn xác định thế hệ máy tính thứ hai. Nó đã được chấp nhận rộng 
rãi để phân loại các máy tính thành các thế hệ dựa trên các công nghệ phần cứng cơ bản 
hình 2.4. Các thế hệ máy tính 
 Mỗi thế hệ mới được đặc trưng bởi hiệu năng xử lý cao hơn, dung lượng bộ nhớ lớn hơn, và 
kích thước nhỏ hơn so với trước đó. 
 Nhưng có những thay đổi khác. 
 Thế hệ thứ hai xuất hiện loại phức tạp hơn đơn vị số học và logic và đơn vị kiểm soát 
 Việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình cao cấp, và cung cấp các phần mềm hệ thống với máy 
tính. 
 Thế hệ thứ hai là cũng đáng chú ý cho sự xuất hiện của Tổng công ty Thiết bị kỹ thuật số 
(DEC). DEC được thành lập vào năm 1957, và trong năm đó, mẫu máy tính đầu tiên của nó, là 
PDP-1. 
 Máy tính này và công ty này đã bắt đầu hiện tượng máy tính mini sẽ trở nên nổi bật trong thế 
hệ thứ ba. 
Thế hệ thứ ba: Mạch tích hợp 
 đầu tiên, bóng bán dẫn khép kín duy nhất được gọi là thành phần rời rạc. 
 Trong suốt những năm 1950 và đầu năm 1960, các thiết bị điện tử được sáng tác chủ yếu của 
các thành phần rời rạc - bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, và như vậy. 
 thành phần riêng biệt được sản xuất riêng biệt, được đóng gói trong các thùng chứa riêng của 
họ, và được hàn hoặc nối với nhau trên bảng mạch, mà sau đó đã được cài đặt trong máy tính, 
dao động, và các thiết bị điện tử khác. 
 Những yêu cầu của cuộc sống đã bắt đầu để tạo ra các vấn đề trong ngành công nghiệp máy 
tính. máy tính thế hệ thứ hai đầu chứa khoảng 10.000 transistor. Con số này đã lên đến hàng 
trăm ngàn, làm cho việc sản xuất các máy mới hơn, mạnh mẽ hơn ngày càng khó khăn. 
 Năm 1958 đến những thành tích mà cuộc cách mạng điện tử và bắt đầu kỷ nguyên của vi điện 
tử: phát minh ra mạch tích hợp. 
 Nó là mạch tích hợp định nghĩa thế hệ thứ ba của máy tính. 
 Các mạch tích hợp cho thấy rằng rằng các thành phần như bóng bán dẫn, điện trở, và dây dẫn 
có thể được chế tạo từ một chất bán dẫn như silicon. 
 Nó chỉ đơn thuần là một phần mở rộng của nghệ thuật trạng thái rắn để chế tạo toàn bộ một 
mạch trong một mảnh nhỏ của silicon hơn là lắp ráp các thành phần rời rạc làm từ miếng 
silicon riêng biệt vào cùng một mạch. 
 Nhiều bóng bán dẫn có thể được sản xuất tại cùng một lúc trên một tấm wafer silicon đơn. 
Quan trọng không kém, các transistor có thể được kết nối với một quá trình bằng kim để tạo 
thành mạch. 
hình 2.5. Mối quan hệ giữa các Wafer, Chip và Cổng 
Các thế hệ sau 
 Ngoài thế hệ thứ ba có ít sự đồng ý chung vào việc xác định thế hệ máy tính. 
 Hình 2.4 cho thấy rằng đã có một số thế hệ sau này, dựa trên những tiến bộ trong công nghệ 
mạch tích hợp. 
 Với sự ra đời của hội nhập quy mô lớn (LSI), hơn 1000 thành phần có thể được đặt trên một 
con chip mạch tích hợp duy nhất. tích hợp rất quy mô lớn (VLSI) đạt hơn 10.000 thành phần 
trên mỗi chip, trong khi nhập siêu quy mô lớn hiện nay (ULSI) chip có thể chứa nhiều hơn một 
triệu linh kiện. 
BỘ NHỚ BÁN DẪN 
 Ứng dụng đầu tiên của công nghệ mạch tích hợp cho các máy tính đã được xây dựng trong 
những bộ vi xử lý (đơn vị điều khiển và số học và logic đơn vị) trong chip mạch tích hợp. 
Nhưng nó cũng đã được tìm thấy rằng công nghệ này tương tự có thể được sử dụng để xây 
dựng bộ nhớ. 
 Trong những năm 1950 và 1960, hầu hết các bộ nhớ máy tính được xây dựng từ những vân nhỏ 
của vật liệu sắt từ 
 Mỗi khoảng 1/16 của một inch trong vòng diameter. những khoảng này được xâu thành 
chuỗi lên trên lưới 
 như là một nam châm, một vòng (gọi là lõi) đại diện cho một; nói theo cách khác, nó đứng 
cho một số không. 
 bộ nhớ từ lõi khá nhanh; chỉ mất ít nhất là một phần triệu của một giây để đọc một bit được 
lưu trữ trong bộ nhớ. 
 Sau đó, vào năm 1970, Fairchild sản xuất các bộ nhớ bán dẫn tương đối dung lượng đầu 
tiên 
 Chip này, về kích thước của một lõi duy nhất, có thể giữ 256 bit của bộ nhớ. 
 nhanh hơn nhiều so với lõi, mất chỉ có 70 phần triệu của một giây để đọc một bit. 
 Kể từ năm 1970, bộ nhớ bán dẫn đã được thông qua 13 thế hệ: 
 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M, 64M, 256M, 1G, 4G, và, như các văn bản này, 
các bit ... n quan đến việc xử lý đáng chú ý nhất (ngoài cùng bên trái) bit trong các từ như là 
một bit dấu. 
 Nếu bit dấu là 0, số là dương; nếu bit dấu là 1, số là âm. 
 Các hình thức đơn giản nhất của biểu diễn mà sử dụng một dấu hiệu là đại diện dấu chỉ độ lớn. 
 Trong một từ n-bit, bìa phải n-1 bit giữ tầm quan trọng của các số nguyên. 
+ 18 = 00010010 
- 18 = 10010010 (dấu chỉ độ lớn) 
 Các trường hợp tổng quát có thể được thể hiện như sau: 
vấn đề: 
 Cần phải xem xét cả hai dấu và độ lớn trong số học 
 Hai đại diện của số không (0 và -0) 
9.2.2. Biểu diễn bù 2 
 Trong các tài liệu, bù 2 hay thường được dùng là 2's. 
 Giống như dấu lượng, biểu diễn bù 2 đều sử dụng các bit quan trọng nhất là bit dấu, làm cho nó 
dễ dàng để kiểm tra xem một số nguyên là dương hay âm. 
 Bảng 9.1 điểm nổi bật đặc điểm chính của biểu diễn bù 2 và số học 
Bảng 9.1. Đặc điểm biểu diễn của Bù 2 và số học 
 Hãy xem xét một số nguyên n-bit, A, trong biểu diễn bù 2 . 
 Nếu A là dương, thì các bit dấu, an-1 là số không. 
 Các bit còn lại đại diện cho độ lớn của số trong cùng kiểu như dấu độ lớn: 
 Bây giờ, đối với một số A âm (A <0), bit dấu, an-1, là một. 
 Số còn lại n-1 bit có thể đưa vào bất kỳ một trong các giá trị 2n-1. Do đó, phạm vi của các số 
nguyên âm có thể được đại diện là từ -1 đến -2n-1. 
 Đây là quy ước được sử dụng trong biểu diễn bù 2, các biểu thức sau đây cho số âm: 
 Phương trình (9.2) xác định biểu diễn bù 2 cho cả hai con số dương và âm. 
 Đối với an-1 = 0, -2n-1an-1 = 0 và phương trình xác định một số nguyên không âm. 
 Khi an-1 = 1, 2n-1 được trừ vào giới hạn tổng kết, cho ra một số nguyên âm. 
Bảng 9.2 Đại diện thay thế cho số nguyên 4-Bit 
9.2.3. Chuyển đổi giữa các độ dài Bit khác nhau 
 Đó là đôi khi mong muốn có một số nguyên n-bit và lưu trữ nó trong m bit, trong đó m> n 
 Trong dấu lượng, điều này là dễ dàng thực: chỉ cần di chuyển các bit dấu đến vị trí tận 
cùng bên trái mới và điền vào với số không. 
 Thủ tục này sẽ không làm việc cho bù 2 cho số nguyên âm. 
 Thay vào đó, các quy tắc cho bù 2 cho số nguyên là để di chuyển các bit dấu đến vị trí tận 
cùng bên trái mới và điền vào các bản sao của các bit dấu. 
 Đối với số dương, điền vào với số không, và cho số âm, điền vào với số 1. Điều này được 
gọi là mở rộng dấu. 
9.3. Số nguyên 
9.3.1. Đối 
 Trong biểu diễn dấu lượng, các quy tắc cho việc hình thành đối của một số nguyên đơn giản là: 
đảo ngược các bit dấu. 
 Trong ký hiệu bổ sung bù 2, đối của một số nguyên có thể được hình thành với các nguyên tắc 
sau đây: 
 1. Lấy bù Boolean của mỗi bit của số nguyên (bao gồm cả bit dấu) tức là, thiết lập mỗi 1-0 
và mỗi 0-1. 
 2. Xử lý kết quả là một số nguyên nhị phân không dấu, cộng thêm 1. 
 quá trình hai bước này được gọi là hoạt động bù của hai, khi lấy bù của một số nguyên của hai. 
 Theo mặc định, các đối của đối của một con số là chính nó: 
 Phương trình (9.2) diễn giải một chuỗi n bit của số nhị phân là một số nguyên bù 2 của A, do 
vậy giá trị của nó là 
 Bây giờ thành sự bổ sung Bitwise, an-1an-2a0 và kết quả này là một số nguyên không dấu, 
cộng thêm 1. Cuối cùng, giải thích các kết quả chuỗi n bit của số nhị phân như một bù 2 của số 
nguyên B, do vậy giá trị của nó là 
 Bây giờ, chúng ta muốn A = B, có nghĩa là A + B = 0 
9.3.2. Cộng và trừ 
 Ngoài ra, bù 2 được minh họa trong hình 9.3. 
 cộng tiếp tục, nếu như hai số là số nguyên không dấu. 
 Nếu kết quả của các phép toán là dương, ta nhận được một số dương dưới dạng số bù 2, là 
giống như hình thức dùng phần dương của số nguyên. 
 Nếu kết quả của phép toán này là số âm chúng ta có được một số âm dưới hình thức bù 2. 
 Lưu ý rằng, trong một số trường hợp, có một bit thực hiện vượt ra ngoài phần cuối của từ đó thì 
được bỏ qua. 
Hình 9.3. cộng các con số trong Biểu diễn số bù 2 
 Trên bất kỳ phép cộng, kết quả có thể lớn hơn các kích thước từ đang được sử dụng. Tình trạng 
này được gọi là tràn. 
 Khi tràn xảy ra, AACLU phải báo hiệu thực tế này để không có sự tính toán tìm ra kết quả sai. 
 Để phát hiện tràn, quan sát các quy tắc sau đây : 
 Nếu hai số được thêm vào, và cả hai đều dương hay âm cả, sau đó tràn xảy ra khi và chỉ khi kết 
quả có dấu ngược lại. 
 Quy tắc trừ : Để trừ đi một số (số trừ) từ một số khác (số bị trừ), dùng bù 2 (đối) của số trừ và 
cộng nó vào số bị trừ. 
 Như vậy, phép trừ được thực hiện . Ngoài ra, như minh họa trong hình 9.4. 
 Hai ví dụ cuối cùng chứng minh rằng các quy tắc tràn vẫn được áp dụng. 
Hình 9.4. Phép trừ các số trong Biểu diễn Bù 2(M - S) 
9.3.2. Cộng và trừ 
Hình 9.6. Sơ đồ khối của phần cứng phép cộng và phép trừ 
Hình 9.5. Mô tả hình học của Số nguyên bù 2 
Chương 10 
Lệnh máy tính: 
Đặc điểm và chức năng 
NHỮNG ĐIỂM CHÍNH 
 Các yếu tố thiết yếu của một lệnh máy tính là những opcode, trong đó quy 
định các hoạt động được thực hiện; các mã nguồn và tham chiếu toán hạng đích , 
trong đó quy định các địa điểm đầu vào và đầu ra cho các hoạt động; và một tham 
chiếu của hướng dẫn tiếp theo, mà thường tiềm ẩn. 
 Opcodes chỉ định hoạt động tại một trong các loại chung sau đây: hoạt động 
số học và logic ; di chuyển dữ liệu giữa hai thanh ghi, thanh ghi và bộ nhớ, hoặc 
hai vị trí bộ nhớ; I/O; và kiểm soát. 
 các tham chiếu toán hạng chỉ định một thanh ghi hoặc bộ nhớ vị trí của dữ 
liệu toán hạng. Các loại dữ liệu có thể là địa chỉ, số, ký tự, hoặc dữ liệu hợp lý. 
10.1. Đặc điểm Lệnh máy tính 
10.1.1. Các yếu tố của một Lệnh Máy 
 Các hoạt động của bộ vi xử lý được xác định bởi các lệnh nó thực hiện, được gọi là lệnh máy 
hoặc lệnh máy tính. 
 Các thu thập các lệnh khác nhau mà bộ vi xử lý có thể thực hiện được gọi là tập lệnh của bộ xử 
lý. 
 Các yếu tố của một Lệnh Máy 
 mã hoạt động: Xác định các hoạt động được thực hiện (ví dụ, ADD, I / O). 
 Các hoạt động được quy định bởi một mã nhị phân, được gọi là các mã hoạt động, 
hoặc mã máy. 
Hình 10.1. Sơ đồ chu kỳ Lệnh 
 Mã nguồn toán hạng tham chiếu: Các hoạt động có thể bao gồm một hoặc nhiều toán hạng 
mã nguồn tức là toán hạng đó là đầu vào cho hoạt động. 
 Kết quả tham chiếu toán hạng: Các hoạt động có thể tạo ra một kết quả. 
 tham chiếu của lệnh tiếp theo: Điều này nói với các bộ xử lý nơi để lấy chỉ lệnh kế tiếp sau 
khi thực hiện lệnh này hoàn tất. 
 Địa chỉ của lệnh kế tiếp để được lấy có thể là một địa chỉ thực sự hay một địa chỉ ảo, 
tùy thuộc vào kiến trúc. 
 Mã nguồn và kết quả toán hạng có thể ở một trong bốn lĩnh vực: 
 Bộ nhớ chính hay ảo: Như với các tham chiếu lệnh tiếp theo, các địa chỉ bộ nhớ chính hay 
ảo phải được cung cấp. 
 Thanh ghi: Với trường hợp ngoại lệ hiếm hoi, một bộ xử lý có chứa một hoặc nhiều thanh 
ghi mà có thể được tham chiếu bởi lệnh máy. 
 Nếu chỉ có một thanh ghi tồn tại tham chiếu đến nó có thể ẩn. 
 Nếu có nhiều hơn một thanh ghi tồn tại, sau đó mỗi thanh ghi được gán một tên duy 
nhất hoặc số, và chỉ thị phải có các số mà thanh ghi mong muốn. 
 thi hành: Các giá trị của toán hạng được chứa trong một lĩnh vực trong lệnh được thực thi. 
 thiết bị I / O : Các lệnh phải ghi rõ các module I / O và thiết bị cho hoạt động. 
 Đó là khó khăn cho cả các lập trình viên và cho người đọc các hướng dẫn để giải quyết với 
biểu diễn nhị phân của lệnh máy. 
 Vì vậy, nó đã trở thành thực tế phổ biến để dùng một biểu diễn tượng trưng của lệnh máy. 
 Opcodes được đại diện bởi các chữ viết tắt, tên dễ nhớ, mà chỉ ra các hoạt động. 
10.1.2. Biểu diễn Lệnh 
 Trong máy tính, mỗi lệnh được đại diện bởi một dãy các bit. 
 Các lệnh được chia thành các nhóm, tương ứng với các yếu tố cấu thành của lệnh. 
 Một ví dụ đơn giản của một dạng lệnh được thể hiện trong hình 10.2. 
Hình 10.2. Một dạng Lệnh đơn giản 
 Với hầu hết các tập lệnh, có nhiều hơn một dạng được sử dụng. 
 Trong thời gian thực hiện lệnh, lệnh sẽ được đọc vào một thanh ghi lệnh (IR) trong bộ xử lý. 
 Các bộ vi xử lý phải có khả năng giải nén các dữ liệu từ các loại lệnh khác nhau để thực hiện 
các hoạt động cần thiết. 
 Đó là khó khăn cho cả các lập trình viên và cho người đọc các hướng dẫn để giải quyết với 
biểu diễn nhị phân của lệnh máy. 
 Vì vậy, nó đã trở thành thực tế phổ biến để dùng một biểu diễn tượng trưng của lệnh máy. 
 Opcodes được đại diện bởi các chữ viết tắt, tên dễ nhớ, mà chỉ ra các hoạt động. 
 Ví dụ thường gặp bao gồm 
 ADD cộng 
 SUB trừ 
 MUL Nhân 
 DIV Chia 
 LOAD tải dữ liệu từ bộ nhớ 
 STOR cửa hàng dữ liệu của bộ nhớ 
 Phép toán cũng được đại diện tượng trưng. Ví dụ, lệnh ADD R, Y 
 có thể có nghĩa là cộng thêm giá trị chứa trong vị trí dữ liệu Y đến nội dung thanh ghi R. 
 Một ví dụ của điều này đã được sử dụng cho các tập lệnh IAS, trong Bảng 2.1. 
10.1.3. Các kiểu lệnh 
 Hãy xem xét một lệnh ngôn ngữ cấp cao có thể được thể hiện bằng một ngôn ngữ như BASIC 
hay FORTRAN. Ví dụ, 
X = X + Y 
 câu này chỉ thị cho máy tính để cộng thêm các giá trị được lưu trữ trong Y với giá trị được lưu 
trữ trong X và đặt kết quả trong X. 
 Làm thế nào điều này có thể được thực hiện với lệnh máy? 
 Chúng ta hãy giả sử rằng các biến X và Y tương ứng với các vị trí 513 và 514. 
 Nếu chúng ta giả định một tập hợp đơn giản của các lệnh máy, hoạt động này có thể được thực 
hiện với ba lệnh: 
 1. Load một thanh ghi với nội dung của vị trí bộ nhớ 513. 
 2. cộng các nội dung của vị trí bộ nhớ 514 vào thanh ghi đó. 
 3. Lưu trữ các nội dung của thanh ghi đó trong bộ nhớ vị trí 513. 
 Như có thể thấy, các lệnh BASIC đơn có thể yêu cầu ba lệnh máy. 
 Đây là điển hình của mối quan hệ giữa một ngôn ngữ cấp cao và một ngôn ngữ máy. 
 Một ngôn ngữ cấp cao diễn tả các hoạt động trong một hình thức đại số ngắn gọn, sử dụng các 
biến. 
 Một ngôn ngữ máy thể hiện các hoạt động trong một hình thức cơ bản liên quan đến việc di 
chuyển dữ liệu vào hoặc ra thanh ghi. 
 Một máy tính cần phải có một tập hợp các lệnh cho phép người sử dụng để xây dựng bất kỳ 
công việc xử lý dữ liệu. 
 Một cách khác xem nó là xem xét khả năng của một ngôn ngữ lập trình cấp cao. Bất kỳ chương 
trình viết bằng một ngôn ngữ cấp cao phải được dịch sang ngôn ngữ máy mới được thực thi. 
 Như vậy, các bộ lệnh máy phải đủ để thể hiện bất kỳ lệnh nào từ một ngôn ngữ cấp cao. 
 lưu ý với điều này, chúng ta có thể phân loại các loại lệnh như sau: 
 xử lý dữ liệu: xử lí lệnh số học và logic 
 Lưu trữ dữ liệu: Di chuyển dữ liệu vào hoặc ra khỏi các vị trí thanh ghi và hoặc bộ nhớ. 
 di chuyển dữ liệu: I / O hướng dẫn. 
 Control: Kiểm tra và phân nhánh lệnh. 
10.1.4. Số Địa chỉ 
 Một trong những cách truyền thống của mô tả kiến trúc vi xử lý là xét về số lượng địa chỉ chứa 
trong mỗi lệnh. 
 số lượng tối đa của các địa chỉ một người có thể cần trong một chỉ thị là gì? 
 Hầu như tất cả số học và logic hoạt động là một trong hai: nguyên phân (một toán nguồn) 
hoặc nhị phân (hai toán hạng nguồn). 
 Các kết quả của tính toán phải được lưu trữ, cho thấy một địa chỉ thứ ba, trong đó xác định 
một toán hạng đích. 
 Cuối cùng, sau khi hoàn thành một lệnh, các lệnh kế tiếp phải được lấy và địa chỉ của nó là 
cần thiết. 
 dòng suy luận này cho thấy rằng một lệnh plausibly có thể được yêu cầu để chứa bốn tham 
chiếu địa chỉ: 
 hai toán hạng nguồn 
 một toán hạng đích, 
 và địa chỉ của lệnh tiếp theo. 
 Trong hầu hết các kiến trúc, hầu hết các lệnh có một, hai, hoặc ba địa chỉ toán hạng, với địa chỉ 
của lệnh tiếp theo là tiềm ẩn (thu được từ chương trình truy cập). 
 Hầu hết các kiến trúc cũng có một ít lệnh chuyên dụng với nhiều toán hạng. 
 Hình 10.3 so sánh một điển hình, lệnh hai và ba địa chỉ có thể được sử dụng để tính 
 Y = (A - B) / [C + (D'E)] 
 định dạng lệnh ba địa chỉ không phổ biến vì chúng cần một dạng lệnh tương đối dài để giữ ba 
tham chiếu địa chỉ. 
 Với lệnh hai địa chỉ, và cho các hoạt động nhị phân, một địa chỉ phải làm hai nhiệm vụ như là 
cả một toán hạng và kết quả. 
 Các định dạng hai địa chỉ làm giảm yêu cầu không gian mà còn đưa ra một số rối loạn. 
 Để tránh làm thay đổi giá trị của một toán hạng, một lệnh MOVE được sử dụng để di 
chuyển một trong các giá trị để kết quả hoặc vị trí tạm thời trước khi thực hiện các hoạt 
động. 
 Đơn giản nhất là lệnh một địa chỉ. Để hoạt động, một địa chỉ thứ hai phải được ngầm định. 
 Điều này đã được phổ biến trong các máy trước đó, với địa chỉ ngầm định là một thanh ghi bộ 
xử lý được gọi là accumulator (AC). 
 accumulator có chứa một trong các toán hạng và được sử dụng để lưu trữ kết quả. 
 trong thực tế, có thể làm việc một số lệnh không địa chỉ . 
 lệnh không địa chỉ được áp dụng cho một tổ chức bộ nhớ đặc biệt, được gọi là một chồng. 
 Một stack là một thiết lập các vị trí cuối-vào-đầu-ra. Stack là ở một vị trí được biết, và thường 
xuyên, ít nhất hai thành tố hàng đầu là trong thanh ghi xử lý. 
 nhiều địa chỉ 
 lệnh phức tạp hơn 
 thanh ghi nhiều hơn 
 hoạt động liên thanh ghi là nhanh hơn 
 lệnh ít hơn cho mỗi chương trình 
 địa chỉ ít 
 lệnh ít phức tạp 
 lệnh chi tiết cho mỗi chương trình 
 lấy / thực hiện các lệnh Nhanh hơn 
10.2. Các loại Phép toán 
 lệnh của máy hoạt động trên dữ liệu. Các thuộc tính quan trọng nhất của dữ liệu 
 địa chỉ 
 đánh số 
 Ký tự 
 dữ liệu logic 
10.2.1.số 
 Tất cả các ngôn ngữ máy bao gồm các loại dữ liệu số. 
 Ngay cả trong xử lý dữ liệu nonnumeric, có một nhu cầu cho các số để hoạt động như các bộ 
đếm, lĩnh vực chiều rộng, và vv. 
 Một khác biệt quan trọng giữa các con số được sử dụng trong toán học thông thường và số 
được lưu trữ trong một máy tính là còn hạn chế. 
 Do đó, các lập trình viên đang phải đối mặt với sự hiểu biết hậu quả của việc làm tròn, tràn, và 
tràn ngược. 
 Ba loại dữ liệu số được phổ biến trong các máy tính: 
 số nguyên nhị phân hoặc nhị phân điểm cố định 
 điểm chấm động nhị phân 
 số thập phân 
 Mặc dù tất cả các hoạt động máy tính nội bộ trong tự nhiên là nhị phân , người dùng tương tác 
hệ thống với số thập phân. 
 Vì thế, có một điều cần thiết để chuyển đổi từ thập phân sang nhị phân trên đầu vào và từ nhị 
phân sang thập phân trên đầu ra. 
10.2.2. Ký tự 
 Hiện nay, các mã ký tự thường được sử dụng nhiều nhất trong các tham chiếu Quốc tế Alphabet 
(IRA), được gọi tại Hoa Kỳ như Bộ luật American Standard cho trao đổi thông tin (ASCII). 
 Một mã được sử dụng để mã hóa các ký tự là Mã Binary Coded Decimal Interchange 
Extended(EBCDIC). EBCDIC được sử dụng trên máy tính lớn của IBM. Nó là một mã 8-bit. 
10.2.3. dữ liệu logic 
 Thông thường, mỗi từ hoặc đơn vị địa chỉ khác (byte, halfword, vv) được xử lý như một đơn vị 
duy nhất của dữ liệu. 
 Đó là đôi khi hữu ích, tuy nhiên, để xem xét một đơn vị n-bit là bao gồm các chuỗi n 1-bit của 
dữ liệu, mỗi bit có giá trị 0 hoặc 1. Khi dữ liệu được xem cách này, họ được coi là dữ liệu 
logic. 
 Có hai thuận lợi cho cái nhìn bit -oriented 
 Đầu tiên, chúng ta đôi khi có thể lưu trữ một mảng Boolean hoặc các mục dữ liệu nhị phân, 
trong đó mỗi mục có thể đưa vào chỉ có giá trị 1 (đúng) và 0 (false). 
 Thứ hai, có những trường hợp chúng ta muốn thao tác các bit của một mục dữ liệu. 
 Ví dụ, nếu các dấu chấm động được thực hiện trong phần mềm, chúng ta cần để có thể 
dịch chuyển bit quan trọng trong một số hoạt động.