Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 4

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Posts and Telecommunications Institute of Technology

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Chương IV: Kiến trúc tập lệnh (ISA)

Giảng viên: TS. Nguyễn Quý Sỹ Email: synq@ptit.edu.vn

Hà nội, 17 December 2009

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Chế độ định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu

• Các máy đa mức hiện đại

Đây là mức ngữ ngôn máy

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Kiến trúc tập lệnh là cấu trúc của một máy tính mà người lập trình ngôn ngữ máy phải hiểu để viết một chương trình chuẩn cho máy đó. – Đây là phát biểu của IBM vào năm 1964 khi giới thiệu kiến trúc IBM 360, kiến trúc này được rút ra từ 7 tập lệnh IBM khác nhau

• Ngôn ngữ duy nhất mà một máy tính nhận dạng được khi chạy là ngôn ngữ máy của nó hoặc kiến trúc tập lệnh. • Kiến trúc tập lệnh cũng mô tả máy mà một người thiết kế phần cứng cần phải hiểu để thiết kế ra được một sản phẩm máy tính chuẩn.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Kiến trúc tập lệnh dùng như là một giao diện giữa phần cứng và phần mềm (Là một ngôn ngữ cả hai đều phải hiểu)

• Kiến trúc tập lệnh cung cấp cơ chế để phần mềm “nói”

với phần cứng cái cần làm.

High level language code : C, C++, Java, Fortan,

compiler

Assembly language code: architecture specific statements

assembler

Machine language code: architecture specific bit patterns

software

instruction set level

hardware

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Một kiến trúc sư máy tính phải bàn bạc với cả hai:

người viết chương trình biên dịch và người thiết kế phần cứng

– – khi thiết kế một máy kết hợp các thuộc tính của cả phần cứng và

phần mềm ở mức ISA:

– Định nghĩa về chức năng các tác vụ, các chế độ và các vị trí lưu

trữ mà phần cứng hỗ trợ

– Mô tả chính xác gọi và truy cập bằng phần mềm như thế nào • Thông thường, nên tương thích ngược để có thể chạy các

chương trình đang có.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Một ISA tốt?

– Khả năng thực thi

•

• Một ISA tốt nên định nghĩa một tập các lệnh sao cho các các lệnh có thể thực thi được hiệu quả hiện tại và tương lai, có kết quả bằng các thiết kế mang lại lợi nhuận qua nhiều thế hệ Các thế hệ x86 (IA32): 8086, 286, 386, 486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, Pentium4,…

– Khả năng lập trình một target (toolkit) rõ ràng cho mã được

biên dịch. Dễ dàng biểu diễn các chương trình hiệu quả

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Các đơn vị đo ISA

– Tính trực giao

•

Không có các thanh ghi đặc biệt, vài trường hợp đặc biệt, tất cả các chế độ toán hạng có thể sử dụng với dạng dữ liệu hoặc dạng lệnh bất kỳ

– Tính đầy đủ

•

Hỗ trợ đa dạng các tác vụ và các ứng dụng

– Tính cân đối

•

Không quá tải ý nghĩa các trường lệnh

– Tổ chức hợp lý

•

Các yêu cầu tài nguyên dễ xác định

– Dễ biên dịch – Dễ thực hiện

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Các vấn đề khi thiết kế tập lệnh

– Các toán hạng được lưu trữ ở đâu?

Các thanh ghi, bộ nhớ, ngăn xếp, tích luỹ

•

– Có bao nhiêu toán hạng?

0, 1, 2 hay là 3

•

– Vị trí toán hạng được xác định như thế nào? Thanh ghi, trực tiếpgián tiếp,... – Kiểu và kích cỡ toán hạng được hỗ trợ là gì?

Byte, Int, Float, Double, String, Vector

•

– Những tác vụ nào được hỗ trợ?

Add, Sub, Mul, Move, Compare ...

•

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

•

Sự phát triển của kiến trúc tập lệnh

Single Accumulator (EDSAC 1950)

Accumulator + Index Registers

(Manchester Mark I, IBM 700 series 1953)

Separation of Programming Model from Implementation

High-level Language Based

Concept of a Family

(B5000 1963)

(IBM 360 1964)

General Purpose Register Machines

Complex Instruction Sets

Load/Store Architecture

(CDC 6600, Cray 1 1963-76)

(Vax, Intel 8086 1977-80)

RISC

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

(Mips,Sparc,88000,IBM RS6000, . . .1987+)

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Mã mức ISA là sản phẩm của một bộ biên dịch. • Người viết bộ biên dịch phải biết mô hình bộ nhớ là gì, có các thanh ghi nào, các dạng dữ liệu và các lệnh nào có thể sử dụng được. – Các mô hình bộ nhớ – Các thanh ghi – Các kiểu dữ liệu – Các khuôn dạng lệnh – Các kiểu lệnh – Luồng điều khiển

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

1. Giới thiệu (t)

• Các chế độ ISA: Ở mức ISA level, hầu hết các máy hoạt

động trên 2 chế độ: – Chế độ Kernel chạy hệ điều hành cho phép các tất cả các lệnh

được thực hiện. • • • •

Lập trình các hệ thống Thao tác cache trực tiếp Các lệnh thiết bị ngoại vi trực tiếp Kiến tạo thư viện hệ thống

– Chế độ người sử dụng chạy chế độ ứng dụng và không cho phép

Lập trình ứng dụng Thi hành các ứng dụng

thi hành các lệnh nhạy cảm nào đó . • • • Word, Excel • Applets • …

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Chế độ định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh

• Phân lớp các kiến trúc tập lệnh

– Tích luỹ (trước 1960): 1 địa chỉ

add A acc ‹

acc + mem[A]

–

Stack (1960s to 1970s):

0 địa chỉ

add

tos ‹

tos + next

– Bộ nhớ-Bộ nhớ (1970s to 1980s):

2 địa chỉ 3 địa chỉ

add A, B add A, B, C

mem[A] ‹ mem[A] + mem[B] mem[A] ‹ mem[B] + mem[C]

2 địa chỉ

R1 + mem[A]

– Thanh ghi-Bộ nhớ (1970s đến nay): R1 ‹ R1 ‹ mem[A]

add R1, A load R1, A

3 địa chỉ

– Thanh ghi/Thanh ghi (Nạp/lưu trữ) (1960s tới nay): add R1, R2, R3 load R1, R2 store R1, R2

R1 ‹ R2 + R3 R1 ‹ mem[R2] mem[R1] ‹ R2

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc thanh ghi tích luỹ

– –

add A, sub A, mult A, div A, . . . load A, store A

• Ví dụ: A*B - (A+C*B)

D

kết quả

B

B*C

A+B*C

A

A*B

load B mul C add A store D load A mul B sub D

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc thanh ghi tích luỹ

– Ưu điểm • •

Yêu cầu phần cứng rất thấp Dễ hiểu và dễ thiết kế

– Nhược điểm

• • •

Thanh ghi tích luỹ trở thành nút cổ chai Khả năng thấp đối với cơ chế sóng song và kỹ thuật đường ống Lưu lượng bộ nhớ cao

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc ngăn xếp – Tập lệnh:

• •

add, sub, mult, div, . . . push A, pop A – Example: AB - (A+CB)

push A push B mul push A push C push B mul add sub

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc ngăn xếp

– Ưu điểm

• Mật độ nguồn tốt (đỉnh của ngăn xếp) • •

Yêu cầu phần cứng thấp Dễ viết bộ biên dịch đơn giản hơn cho các kiến trúc ngăn xếp

– Nhược điểm

• • •

•

Ngăn xếp trở thành nút cổ chai Ít khả năng cho cơ chế song song và đường ống Dữ liệu không luôn luôn ở đỉnh của ngăn xếp khi cần, vì vậy các lệnh bổ sung như TOP và SWAP được cần tới Khó viết một bộ biên dịch tối ưu cho các kiến trúc ngăn xếp

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc bộ nhớ-bộ nhớ

– Tập lệnh • •

(3 toán hạng) (2 toàn hạng)

add A, B, C add A, B

sub A, B, C mul A, B, C sub A, B

mul A, B

• Ví dụ: AB - (A+CB) 3 toán hạng mul D, A, B mul E, C, B add E, A, E sub E, D, E

2 toán hạng mov D, A mul D, B mov E, C mul E, B add E, A sub E, D

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc bộ nhớ-bộ nhớ

– Ưu điểm • •

Yêu cầu ít lệnh (đặc biệt nếu 3 toán hạng) Dễ viết các bộ biên dịch (đặc biệt nếu 3 toán hạng)

– Nhược điểm

• • •

Lưu lượng bộ nhớ rất cao (đặc biệt nếu 3 toán hạng) Số lượng các xung CLK trên một lệnh thay đổi Với 2 toán hạng, yêu cầu dịch chuyển dữ liệu nhiều hơn

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc thanh ghi-bộ nhớ

– Tập lệnh:

mul R1, B

• •

sub R1, A store R1, A

add R1, A load R1, A – Ví dụ: AB - (A+CB)

/*

A*B

*/

load R1, A mul R1, B store R1, D load R2, C mul R2, B add R2, A sub R2, D

/* /* /*

/ CB A + CB / AB - (A + CB) */

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc thanh ghi-bộ nhớ

– Ưu điểm

Khuôn dạng lệnh dễ mã hoá

• Một số dữ liệu có thể truy cập mà không cần nạp trước • • Mật độ mã tốt

– Nhược điểm

• • •

Các toán hạng không tương đương (trực giao yếu) Số lượng các CLK/1 lệnh thay đổi Có thể giới hạn số lượng các thanh ghi

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc nạp-lưu trữ

– Tập lệnh:

• •

add R1, R2, R3 sub R1, R2, R3 mul R1, R2, R3 load R1, &A

store R1, &A move R1, R2

– Ví dụ: A*B - (A+C*B)

• load R1, &A • load R2, &B load R3, &C • • mul R7, R3, R2 add R8, R7, R1 • • mul R9, R1, R2 sub R10, R9, R8 •

/* CB / /* A + CB / /* AB / /AB - (A+CB) /

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc nạp-lưu trữ

– Ưu điểm

• Mã hoá lệnh đơn giản, có độ dài cố định • •

Các lệnh thực hiện trong số lượng chu kỳ CLK giống nhau Tương đối dễ dàng thực hiện kỹ thuật đường ống

– Nhược điểm

• • •

Tổng số lệnh cao hơn Không phải tất cả các lệnh cần 3 toán hạng Phụ thuộc vào bộ biên dịch tốt

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

2. Phân loại kiến trúc tập lệnh (t)

• Kiến trúc các thanh ghi

– Thuận lợi

•

Nhanh hơn bộ nhớ cache hoặc bộ nhớ chính (không có chế độ địa chỉ hoặc nhãn) Xác định (không miss) Có thể tái tạo (nhiều cổng đọc) Bộ nhận dạng ngắn (thông thường 3-8 bit) Lưu lượng bộ nhớ giảm

• • • • – Bất lợi • • •

• •

Cần lưu lại và khôi phục các gọi thủ tục và chuyển đổi ngữ cảnh Không thể lấy địa chỉ của một thanh ghi (đối với con trỏ) Kích thước cố định (không thể lưu trữ các chuỗi hoặc các cấu trúc hiệu quả) Bộ biên dịch phải quản lý Số lượng thanh ghi hữu hạn

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ

• Mô hình bộ nhớ IS

8 bits-là kích thước ô chung nhất phần nhỏ nhất có thể truy cập của bộ nhớ

1 to 64 Bits

độ rộng của bus dữ liệu, độ rộng của bộ nhớ

– Bytes ﬁ – Các ô ﬁ • – Words ﬁ • •

Trước đây, 2-byte, thậm chí các từ 1-byte là phổ biến Hiện nay, các từ 4-byte và 8-byte là phổ biến nhất – Các từ thường được sắp xếp với các biên tự nhiên của nó.

•

Đó là một từ 4-byte phải bắt đầu tại 0, 4, 8, etc. và không ở 1, 2, 3, 5, 6, 7, etc. Đó là một từ 8-byte phải bắt đầu tại 0, 8, 16, etc.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)

• Định địa chỉ Big Edian

– Địa chỉ byte nhị phân x....x00 là ở vị trí có trọng số cao nhất (MSB) của từ 32 bit (IBM, Motorola, Sun, HP)

LSB 1 5

2 6

3 7

MSB 4 8

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)

• Định địa chỉ Little Edian

– Địa chỉ byte nhị phân x....x00 là ở vị trí có trọng số thấp nhất

(LSB) của từ 32 bit (Intel, DEC)

MSB 3 7

2 6

1 5

LSB 0 4

• Người lập trình cần cẩn thận khi chuyển giao dữ liệu nhị

phân giữa các máy Big Edian và Little Edian

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)

• Chuẩn trực toán hạng

– Truy cập tới một toán hạng có kích thước S byte ở địa chỉ

byte A được gọi là được chuẩn trực nếu A mod S = 0.

40 D0

41 D1 D0

42 D2 D1

43 D3 D2

44 D3

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)

• Chuẩn trực không giới hạn

– Nếu kiến trúc không giới hạn truy cập bộ nhớ để được trực chuẩn thì • •

•

thoảng yêu cầu

•

Phần mềm đơn giản Phần cứng phải phát hiện không trực chuẩn và thực hiện hai truy cập bộ nhớ Logic để thực hiện phát hiện tốn kém Có thể làm chậm lại tất cả các tham chiếu Thỉnh tương thích ngược

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)

• Chuẩn trực bị giới hạn

– Nếu kiến trúc giới hạn các truy nhập bộ nhớ để được trực chuẩn

thì • • •

Phần mềm phải đảm bảo trực chuẩn Phần cứng phát hiện các truy cập không trực chuẩn và các bẫy Không sử dụng thời gian mở rộng khi dữ liệu được trực chuẩn

– Bởi vì tôi muốn làm trường hợp chung nhanh, có trực chuẩn bị giới hạn thường là một lựa chọn tốt hơn, nếu tương thích không phải là một trở ngại

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ (t)-Các chế độ định địa chỉ

Chế độ định địa chỉ

Ví dụ

Hành dộng

Add R4, R3 Add R4, #3 Add R4, 100(R1)

Indexed

1. Register direct Immediate 2. 3. Displacement 4. Register indirect Add R4, (R1) Add R4, (R1 + R2) 5. Add R4, (1000) 6. Direct Theo nghiên cứu của Clark and Emer, các chế độ 1-4 chiếm 7. Memory Indirect Add R4, @(R3) 93% của tất cả toán hạng Add R4, (R2)+ 8. Autoincrement

9. Autodecrement

Add R4, (R2)-

R4 <- R4 + R3 R4 <- R4 + 3 R4 <- R4 + M[100 + R1] R4 <- R4 + M[R1] R4 <- R4 + M[R1 + R2] R4 <- R4 + M[1000] R4 <- R4 + M[M[R3]] R4 <- R4 + M[R2] R2 <- R2 + d R4 <- R4 + M[R2] R2 <- R2 - d

10. Scaled Add R4, 100(R2)[R3] R4 <- R4+M[100+R2+R3*d]

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Định địa chỉ-Các chế độ định địa chỉ (t)

• Định địa chỉ cơ sở-chỉ số

– Một số máy có một chế độ định địa chỉ trong đó địa chỉ bộ nhớ được tính toán bằng cách cộng 2 thanh ghi cộng với (tuỳ chọn) một địa chỉ offset .

– Một trong các thanh ghi là cơ sở và thanh ghi khác là chỉ số

• Định địa chỉ ngăn xếp

– Để thực hiện các lệnh càng ngắn càng tốt – Khi sử dụng định địa chỉ ngăn xếp, chúng ta không cần bầt kỳ

địa chỉ nào

– Khuôn dạng lệnh là mã lệnh không có địa chỉ

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA

• Mục đích của các thanh ghi

– Điều khiển thi hành chương trình, – Chứa các kết quả tạm thời, tăng tốc độ thi hành –

...

• Một số thanh ghi ISA là phân tập của các thanh ghi vi

Phổ biến: PC, SP

kiến trúc (tổ chức máy tính) – – Nhìn thấy đối với cả hai vi kiến trúc và ISA – Chỉ có vi kiến trúc: MAR, TOS

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA (t)

• Hai dạng của các thanh ghi ISA

– Đa năng: chứa các biến nội bộ chính và các kết quả tính toán chung gian. Chức năng chính của chúng là để cung cấp truy cập tới các dữ liệu sử dụng nhiều, tránh truy cập bộ nhớ

– Chuyên dụng: các thanh ghi có chức năng riêng

• •

Từ trạng thái chương trình (PSW ﬁ N, Z, V, C, A, P) PC, SP

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA (t)

• Ngoài các thanh ghi ISA có thể nhìn thấy được đối với các chương trình của người sử dụng, có một số lượng đáng kể các thanh ghi chuyên dụng có thể sử dụng chỉ ở chế độ kernel. Chúng điều khiển cache, bộ nhớ, các thiết bị I/O, và các thuộc tính phần cứng khác.

• Vì chúng được sử dụng chỉ bởi hệ điều hành, nên các bộ biên dịch và người sử dụng không cần kiến thức về chúng

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA (t)

• Từ trạng thái chương trình (PSW)

– Chứa các bit khác nhau cần cho CPU và được sử dụng trong cả

hai chế độ kernel và người sử dụng

– Các bit điều kiện điển hình: các bit này thay đổi theo từng chu

kỳ ALU và phản ánh trạng thái cả tác vụ gần nhất • • • • • •

N: ALU result Negative Z: ALU result Zero V: ALU result Overflow C: Carry out of leftmost bit of ALU result A: Set when carry out of bit 3 of ALU P: ALU result has even parity

– Thường PSW có thể đọc được ở chế độ người sử dụng; chỉ có

thể ghi được ở chế độ Kernel

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA (t)

• Các lệnh liên quan

– Đặc điểm chính của mức ISA là tập các lệnh máy điều khiển

hoạt động của nó

– LOAD và STORE dịch chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và các thanh

ghi

– Các lệnh số để tính toán, các lệnh logic và các lệnh so sánh các

hạng mục dữ liệu và rẽ nhánh dựa trên kết quả.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Các thanh ghi ISA (t)

• Bao nhiêu thanh ghi thì đủ?

– Các thanh ghi nhanh hơn bộ nhớ, vậy càng nhiều thì càng tốt?

•

Trả lời-Không

– Một lý do các thanh ghi nhanh hơn khi có ít thanh ghi hơn

•

Nhỏ thì nhanh (chân lý của phần cứng)

– Lý do khác là chúng định địa chỉ trực tiếp (không tính toán địa

chỉ) •

Nhiều thanh ghi hơn có nghĩa bộ xác định lớn hơn (định địa chỉ gián tiếp)

– Không phải tất cả mọi thứ đều có thể đặt vào thanh ghi Các cấu trúc, các mảng, bất kỳ thứ gì được trỏ-

•

– Hướng tới nhiều thanh ghi hơn

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. Khuôn dạng lệnh

• Thay đổi

– Độ dài lệnh thay đổi dựa trên toán hạng và cách xác định địa chỉ

• •

Các lệnh VAX thay đổi từ 1 đến 53 byte Trong khi lệnh x86 thay đổi từ 1-17 byte.

– Mật độ mã tốt, nhưng khó khăn để giải mã và kỹ thuật đường

ống • Cố định

– Chỉ có 1 kích thước nhất đối với tất cả các lệnh – DLX, MIPS, Power PC, Sparc all có các lệnh 32 bit – Không có mật độ mã tốt nhưng dễ dàng giải mã và đường ống

• Lai

– Có nhiều độ dài khuôn dạng xác định theo toán hạng – Ví dụ, IBM 360/370 – Thoả hiệp giữa mật độ mã và dễ giải mã

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Một lệnh chứa chỉ một toán tử hoặc một toán tử kèm theo đằng sau một, hai, hoặc ba địa chỉ xác định chi tiết toán hạng.

• Trên một số máy, tất cả các lệnh có cùng độ dài, đơn giản hơn và thực hiện giải mã đơn giản hơn nhưng lãng phí vì tất cả các lệnh phải có độ dài bằng với một lệnh dài nhất.

• Các máy khác có các lệnh với độ dài khác nhau, ngắn hơn

so với cùng độ dài hoặc dài hơn độ dài của từ.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Các khuôn dạng lệnh phổ biến

• Quan hệ giữa độ dài lệnh lệnh và từ

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Các tiêu chí thiết kế khuôn dạng lệnh

– Tốc độ bộ nhớ hiệu quả

•

Sử dụng hệ thống bộ nhớ phân cấp (các thanh ghi, cache,...)

– Dễ mã hoá – Tốc độ bộ xử lý (tốc độ mà các lệnh có thể thi hành) – Không gian địa chỉ

Kích thước truy cập (bao nhiêu byte một lần) Độ phân giải truy nhập (từng byte, từng từ)

• • (Độ phân giải càng tinh, địa chỉ càng dài hơn và các lệnh càng dài hơn)

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Một khuôn dạng lệnh điển hình: với 4 bit toán tử và 3

trường địa chỉ 4 bit

• Chỉ có 16 toán tử • Chỉ có 16 thanh ghi • Chỉ có 16 biến nội bộ

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

0 1 2 3

Khuôn dạng nửa byte

Toán hạng 1 Toán hạng 2 Toán hạng 3 Lệnh 3 toán hạng

• Giả thuyết độ dài lệnh không đổi, nhưng số lượng các toán hạng khác nhau (cid:224) các toán tử có kích thước khác nhau (mở rộng toán tử)

Toán tử 4-bit 0-E

•

Toán hạng 1 Toán hạng 2 Toán tử 8-bit F0-FE Lệnh 2 toán hạng

Toán hạng Toán tử 12-bit FF0-FFE Lệnh 1 toán hạng

Toán tử 16-bit FFF0-FFFF Lệnh 0 toán hạng

Example 1: OpCodes: 0,1, …, D, E, F0, F1, …, FD, FE, FF0, FF1, …, FFD, FFE, FFF0, FFF1, …, FFFD, FFFE, FFFF.

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Ví dụ các khuôn dạng lệnh 1

– Khuôn dạng 1: Mã lệnh 4 bit. Các tác vụ được chỉ thị bởi các mã lệnh 0-E. F là mã mở rộng, chỉ thị các khuôn dạng 2, 3, hoặc 4.

– Khuôn dạng 2: Mã lệnh 8 bit. Các tác vụ được chỉ thị bởi các mã

4-bit opcode: 0-E 4-bit operand 1 4-bit operand 2 4-bit operand 3

lệnh F0-FE. FF is mã mở rộng, chỉ thị các khuôn dạng 3 hoặc 4.

– Khuôn dạng: Mã lệnh 12 bit Opcode. Các tác vụ được chỉ thị bởi

8-bit opcode: F0-FE 4-bit operand 1 4-bit operand 2

các mã lệnh FF0-FFE. mã mở rộng chỉ thị khuôn dạng 4.

– Khuôn dạng: Mã lệnh 16 bit Opcode. Các tác vụ được chỉ thị bởi

12-bit opcode: FF0-FFE 4-bit operand

các mã lệnh FFF0-FFFF.

16-bit opcode: FFF0-FFFF

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Ví dụ 1: Các mã lệnh mở rộng

3-address

1-address

Lệnh 16-bit

0-address

2-address

Bit

0-3

4-7

8-B

C-F

Field

0 i j k 1 i j k 2 i j k … D i j k E i j k F 0 i j F 1 i j F 2 i j … F D i j F E i j

F F 0 i F F 1 i F F 2 i … F F D i F F E i F F F 0 F F F 1 F F F 2 … F F F D F F F E F F F F

Instruction Type OpCode Size Number Field 1 Field 2 Field 3 Field 4

Three Address 4 bits 15 0-E Address 1 Address 2 Address 3

Two Address 8 bits 15 F 0-E Address 1 Address 2

One Address 12 bits 15 F F 0-E Address 1

No Address 16 bits 16 F F F 0-F

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

5. Khuôn dạng lệnh (t)

• Ví dụ 2: Sử dụng các mã lệnh có kích thước khác nhau để sử dụng không gian lệnh hiệu quả

Example 1

Example 2

Three address instructions

15

Two address instructions

14

One address instructions

31

Zero address instructions

16

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Nội dung

1. Giới thiệu 2. Phân loại kiến trúc tập lệnh 3. Định địa chỉ 4. Các thanh ghi của tập lệnh 5. Khuôn dạng lệnh 6. Các kiểu lệnh 7. Bộ biên dịch

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

6. Các kiểu lệnh

• Số học và logic: • Chuyển giao dữ liệu: • Điều khiển • Hệ thống • Dấu phẩy • Thập phân • Chuỗi • Đồ hoạ

AND, ADD MOVE, LOAD, STORE BRANCH, JUMP, CALL OS CALL, VM ADDF, MULF, DIVF ADDD, CONVERT MOVE, COMPARE (DE)COMPRESS

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

6. Các kiểu lệnh (t)

Rank

Instruction

Frequency

1 load

22%

2 branch

20%

3 compare

16%

4 store

12%

5 add

8%

6 and

6%

7 sub

5%

8 register move

4%

9 call

1%

10 return

1%

Total

96%

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

6. Các kiểu lệnh (t)

•

Tần suất tương đối của các lệnh điều khiển

Tác vụ

SPECint92

SPECfp92

Call/Return

13%

11%

(cid:222)

Jumps

6%

4%

Thiết kế phần cứng để xử lý các nhánh nhanh, vì lý lệnh này xử các thường xuyên nhất

Branches

81%

87%

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

7. Các bộ biên dịch

• Các mục tiêu của bộ biên dịch

– Tất cả các chương trình chuẩn biên dịch đúng – Hầu hết các chương trình đã biên dịch thi hành nhanh – Đạt được kích thước mã nhỏ – Cung cấp hỗ trợ gỡ rối

• Bộ biên dịch đa nguồn

– Cùng một bộ biên dịch có thể dùng nhiều ngôn ngữ khác nhau

• Các bộ biên dịch cho nhiều đối tượng

– Cùng một bộ biên dịch có thể tạo ra mã cho các máy khác nhau

Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông