Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 4: Mô hình Von Neumann và kiến trúc tập lệnh LC-3

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 4: Mô hình Von Neumann và kiến trúc tập lệnh LC-3

1. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.4 Thay đổi quá trình xử lý lệnh 4.5 Khái niệm ISA LC-3 4.6 Nhóm lệnh thi hành 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.9 Ba cấu trúc lệnh trong LC-3 4.10 Một ví dụ
2. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản
3. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1.1 Bộ nhớ (Memory) Có hai thao tác truy xuất bộ nhớ là đọc và ghi. Đọc thông tin của một ô nhớ: - Đặt địa chỉ của ô nhớ đó vào thanh ghi địa chỉ bộ nhớ MAR (Memory Address Register) - Tín hiệu Read tích cực - Sau một thời gian, thông tin từ ô nhớ có địa chỉ trên sẽ được đặt vào thanh ghi dữ liệu bộ nhớ MDR (Memory Data Register).
4. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1.1 Bộ nhớ (Memory)
5. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1.2 Đơn vị xử lý (Processing Unit) Kích thước của các toán hạng được ALU xử lý thường được xem như là chiều dài từ máy của máy tính. Mỗi toán hạng được xem là một từ. Trong LC-3, ALU xử lý toán hạng 16 bit. Chúng ta nói LC-3 có chiều dài từ 16 bit. (32 bit như Intel Pentium 4 hoặc 64 bit như SUN SPARC-V9 và Intel Core i3.)
6. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1.3 Xuất và nhập Để một máy tính xử lý thông tin, thông tin phải được đưa vào trong máy tính. Để sử dụng được kết quả đã được xử lý, các kết quả này phải được thể hiển bằng một cách nào đó ra bên ngoài máy tính. Các thiết bị làm các việc như vậy gọi là các thiết bị xuất nhập, còn được gọi là các thiết bị ngoại vi. Trong LC-3, chúng ta có hai thiết bị xuất nhập, đó là bàn phím và màn hình.
7. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1.4 Đơn vị điều khiển Để theo dõi lệnh nào đang được thực thi, đơn vị điều khiển có thanh ghi lệnh IR (instruction register) để chứa lệnh đó. Để theo dõi lệnh cần được thực thi kế tiếp, đơn vị điều khiển có một thanh ghi chứa địa chỉ của lệnh kế đó, PC (program counter),.
8. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3. Các bộ phận trong mô hình von Neumann của LC-3 là: 1. Bộ nhớ (Memory) gồm các phần tử lưu trữ, cùng với thanh ghi MAR chỉ tới ô nhớ riêng biệt, và thanh ghi MDR giữ nội dung của ô nhớ trong quá trình ghi/đọc bộ nhớ. • Thanh ghi MAR dài 16 bit phản ảnh không gian địa chỉ bộ nhớ của LC-3 là 216 ô nhớ. • Thanh ghi MDR dài 16 bit, cho biết thông tin trong mỗi ô nhớ là 16 bit.
9. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 3.Đơn vị xử lý (Processing unit) Gồm đơn vị số học luận lý ALU và tám thanh ghi (R0, , R7) để lưu các giá trị tạm thời cần cho quá trình tham khảo, tính toán trong tương lai. ALU của LC-3 có thể thực hiện một phép tính số học (cộng) và hai thao tác luận lý (AND và bù 1).
10. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3
11. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh Một vấn đề quan trọng trong mô hình von Neumann là quá trình xử lý chương trình và dữ liệu được lưu giữ dưới dạng chuỗi các bit trong bộ nhớ máy tính. Quá trình gồm nhiều bước, mỗi bước có chức năng riêng mà ta cần tìm hiểu.
12. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.3.1 Lệnh Ví dụ 4.1: Lệnh ADD (cộng) có ba toán hạng gồm hai toán hạng nguồn (dữ liệu từ đó được cộng) và một toán hạng đích (giữ tổng sau khi phép cộng được thực thi). Vì ISA LC-3 có tám thanh ghi nên có ba bit cần dùng để mã cho một thanh ghi. Lệnh cộng ADD có dạng như sau:
13. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.3.2 Chu kỳ lệnh Dưới sự điều phối của đơn vị điều khiển, các lệnh được xử lý một cách hệ thống theo từng bước. Chuỗi các bước thực hiện lệnh được gọi là chu kỳ lệnh (instruction cycle). Mỗi bước được xem như một pha (phase).
14. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.3.2 Chu kỳ lệnh 1. Lấy lệnh từ bộ nhớ (Fetch) FETCH sẽ gồm các thao tác sau: Bước 1: Nạp nội dung của thanh ghi PC vào thanh ghi MAR, đồng thời tăng PC Bước 2: Yêu cầu bộ nhớ để lấy lệnh đặt vào thanh ghi MDR Bước 3: Nạp vào thanh ghi IR nội dung của thanh ghi MDR Mỗi bước thao tác như vậy chiếm một hay nhiều chu kỳ máy (hay chu kỳ xung clock của CPU), như bước 1 và 3 mỗi bước chiếm một chu kỳ máy, trong khi bước 2 có thể chiếm hơn một chu kỳ máy tùy theo thời gian truy xuất bộ nhớ.
15. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.3.2 Chu kỳ lệnh 3. Tính địa chỉ toán hạng (Evaluate address) Pha này sẽ tính địa chỉ của ô nhớ cần thiết để xử lý lệnh. Như lệnh LDR trong ví dụ 4.2 sẽ lấy một trị từ một ô nhớ và nạp vào thanh ghi. Trong ví dụ này, địa chỉ ô nhớ sẽ được tính từ trị 6 cộng với nội dung thanh ghi R3. Thao tác tính toán này được thực hiện trong pha này.
16. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.3.2 Chu kỳ lệnh 5. Thực thi lệnh (Execute) Pha này thực thi lệnh sau khi đã có đủ tất cả toán hạng và mã lệnh. Như trong ví dụ về lệnh ADD, pha này chỉ gồm bước đơn giản là thực thi việc cộng trong ALU. 6. Lưu kết quả (Store result) Đây là sau cùng của quá trình thực thi lệnh. Kết quả của lệnh sẽ được ghi vào đích đã được xác định. Một khi pha thứ sau này được hoàn thành, đơn vị điều khiển bắt đầu một chu kỳ lệnh mới, từ đầu pha pha Lấy lệnh.
17. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.4 Thay đổi quá trình xử lý lệnh Các lệnh điều khiển thực hiện chức năng đó bằng việc nạp thanh ghi PC trong pha Thực thi lệnh, việc này sẽ xóa trị đã được tăng trong thanh ghi PC trong pha Lấy lệnh trước đó. Ví dụ 4.3: Lệnh JMP của ISA LC-3 có định dạng như sau. Giả sử lệnh này đang được chứa trong bộ nhớ ở địa chỉ x36A2.
18. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.4 Thay đổi quá trình xử lý lệnh
19. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.5 Khái niệm ISA LC-3 4.5.1 Tổ chức bộ nhớ Bộ nhớ của LC-3 có dung lượng 216 (65536) ô nhớ, mỗi ô có chiều dài 16 bit. Tuy nhiên, không phải tất cả 65536 ô nhớ đều được sử dụng, vì có một số vùng nhớ được dùng để lưu các thông tin hệ thống như bảng các vector ngắt, biến hệ thống, . Vì đơn vị lưu trữ chuẩn được LC-3 xử lý là 16 bit, nên chúng ta gọi 16 bit là một từ (word), và do đó chúng ta nói LC-3 định vị theo từ.
20. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.5 Khái niệm ISA LC-3 4.5.3 Tập lệnh Một lệnh được tạo từ hai thứ, mã thao tác (opcode) là cái mà lệnh bắt máy tính thực thi, và toán hạng (operands) là cái mà máy tính cần để thực thi lệnh. Tập lệnh của một ISA được định nghĩa bằng tập các mã thao tác, kiểu dữ liệu và các kiểu định vị để xác định vị trí của toán hạng. Trong ví dụ 4.12 trên, ta có lệnh R6 = R2 + R6, thì kiểu định vị của toán hạng là thanh ghi vì các toán hạng đều là thanh ghi.
21. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.5 Khái niệm ISA LC-3 4.5.4 Mã thao tác Có ba loại lệnh khác nhau, tức có ba loại mã thao tác: - Các lệnh thi hành xử lý thông tin, như lệnh ADD. - Các lệnh chuyển dữ liệu chuyển thông tin qua lại giữa bộ nhớ và các thanh ghi, giữa các thanh ghi với nhau, giữa các thiết bị xuất nhập, như lệnh LDR. - Các lệnh điều khiển thay đổi trình tự các lệnh sẽ được thực thi, như lệnh JMP.
22. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.5 Khái niệm ISA LC-3 4.5.6 Các kiểu định vị địa chỉ Một kiểu định vị địa chỉ là một cơ chế để xác định toán hạng ở đâu. Tổng quát, một toán hạng có thể được tìm ở một trong ba chỗ: trong bộ nhớ, trong một thanh ghi, hoặc là một phần của lệnh. Nếu nó là một phần của lệnh, ta gọi nó là toán hạng tức thời. LC-3 sử dụng năm kiểu định vị địa chỉ: tức thời, thanh ghi, và ba kiểu định vị địa chỉ bộ nhớ là PC-relative, gián tiếp và Base+offset.
23. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.6 Nhóm lệnh thi hành
24. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.6 Nhóm lệnh thi hành
25. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.6 Nhóm lệnh thi hành Nếu bit [5] là 1, toán hạng nguồn thứ hai được chứa ngay bên trong lệnh, và có được bằng phép mỡ rộng dấu 5 bit [4:0] thành 16 bit trước khi thực hiện phép ADD hoặc AND. Hình 4.5 trình bày các phần quan trọng của đường truyền dữ liệu để thực hiện lệnh ADD R1, R4, #-2. Cũng cần lưu ý là vùng trị tức thời này chỉ có 5 bit ở dạng bù 2, nên nó chỉ có thể chứa trị trong khoảng - 16 15 mà thôi.
26. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.6 Nhóm lệnh thi hành
27. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu Nhóm lệnh chuyển dữ liệu thực hiện việc sao chép thông tin qua lại giữa các thanh ghi đa dụng và bộ nhớ, giữa các thanh ghi và các thiết bị xuất nhập. Quá trình chép thông tin từ bộ nhớ vào thanh ghi được gọi là nạp (load), và quá trình chép thông tin từ thanh ghi vào bộ nhớ gọi là lưu (store) . Trong cả hai trường hợp, thông tin trong toán hạng nguồn không đổi, còn thông tin cũ trong toán hạng đích đã bị ghi đè bởi thông tin mới sau quá trình chép. LC-3 có bảy lệnh thực hiện việc sao chép dữ liệu: LD, LDR, LDI, LEA, ST, STR, và STI. Định dạng chung cho các lệnh này là
28. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.1 PC-relative mode Lệnh LD (opcode = 0010) và ST (opcode = 0011) dùng kiểu định vị tương đối PC. Các bit [8:0] của lệnh xác định một độ dời (offset) tính từ thanh ghi PC. Địa chỉ bộ nhớ được tính từ tổng của 16 bit địa chỉ sau phép mở rộng dấu từ các bit [8:0] và thanh ghi PC đã được tăng 1 sau pha FETCH. Với lệnh LD, ô nhớ tương ứng với địa chỉ bộ nhớ đã tính được đọc, và ghi vào thanh ghi được xác định bởi các bit [11:9] của lệnh.
29. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.1 PC-relative mode
30. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.2 Indirect mode Ví dụ 4.10: Nếu lệnh ở địa chỉ x4A1B, và chứa đựng của x49E8 là x2110, việc thực thi lệnh này sẽ lấy dữ liệu từ ô nhớ có địa chỉ x2110 nạp vào thanh ghi R3.
31. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.3 Base+offset mode Lệnh LDR (opcode = 0110) và STR (opcode = 0111) dùng kiểu định vị Base+offset. Kiểu định vị này xác định địa chỉ toán hạng trong bộ nhớ 64K bằng cách lấy 6 bit offset được mở rộng dấu IR[5:0] cộng với thanh ghi nền trong vùng IR[8:6]. Ví dụ 4.11: Nếu R2 đang chứa trị 16 bit x2345, lệnh nạp R1 nội dung của ô nhớ x2362 (x2345 + x1D).
32. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.4 Immediate mode Ví dụ 4.12: Nếu ô nhớ x4018 chứa lệnh LEA R5, #-3, và thanh ghi PC chứa x4018, ta có lệnh
33. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.7 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 4.7.5 Ví dụ: Giả sử các lệnh được chứa trong các ô nhớ từ địa chỉ x30F6 tới x30FC như hình 4.10 sau.
34. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.1 Lệnh rẽ nhánh có điều kiện Trong LC-3, tất cả các lệnh mà có ghi trị vào các thanh ghi đa dụng sẽ đặt trị cho ba mã điều kiện (NZP) là ADD, AND, NOT, LD, LDI, LDR, và LEA. Các mã điều kiện được lệnh rẽ nhánh có điều kiện sử dụng để xác định xem có thay đổi trình tự lệnh hay không; nghĩa là, xem sự thực thi lệnh có theo trình tự thường thấy như là kết quả của việc tăng thanh ghi PC trong phase FETCH của mỗi lệnh hay không.
35. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.1 Lệnh rẽ nhánh có điều kiện Ví dụ 4.13: Nếu giá trị cuối cùng được nạp vào một thanh ghi đa dụng nào đó là 0, thì lệnh hiện thời (ở ô nhớ x4027) dưới đây sẽ nạp thanh ghi PC bằng trị x4101 (x4028 + x0D9), tức lệnh kế cần thực thi sẽ ở ô nhớ x4101, chứ không phải ở ô nhớ x4028.
36. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.1 Lệnh rẽ nhánh có điều kiện Nếu tất cả ba bit [11:9] đều là 1????
37. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.2 Ví dụ Giả sử chúng ta đã có 12 ô nhớ từ x3100 tới x310B chứa 12 số nguyên mà chúng ta cần tính tổng.
38. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.3 Hai phương pháp điều khiển lặp Chúng ta dùng thuật ngữ lặp (loop) để mô tả chuỗi lệnh cần được thực thi lặp đi lặp lại theo một cơ chế điều khiển nào đó. Mỗi khi thân vòng lặp được thực hiện ta gọi là sự lặp lại (iteration) của vòng lặp.
39. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.3 Hai phương pháp điều khiển lặp Phương pháp thứ hai là dùng trị canh (sentinel). Cách này đặc biệt hiệu quả khi chúng ta không biết trước có bao nhiêu sự lặp lại cần phải được thực hiện. Thông thường quá trình lặp sẽ là dãy các sự kiện cần xử lý, chúng ta cần thêm vào dãy sự kiện này một sự kiện là kiểm tra một giá trị mà chúng ta biết trước hay theo quy ước là không bao giờ xuất hiện trong các sự kiện gốc. Nếu việc kiểm tra này xảy ra, tức việc lặp kết thúc. Giá trị đó được gọi là trị canh.
40. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.4 Ví dụ
41. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.8 Nhóm lệnh điều khiển 4.8.6 Lệnh TRAP Lệnh TRAP (opcode = 1111) cho phép lấy dữ liệu vào và xuất dữ liệu ra khỏi máy tính và có định dạng như sau. Lệnh này thay đổi trị của thanh ghi PC, làm nó chỉ tới một vị trí trong bộ nhớ mà là một phần của hệ điều hành để hệ điều hành thực hiện một tác vụ nào đó nhân danh chương trình đang được thực thi. Theo kiểu nói của ngôn ngữ hệ điều hành, chúng ta nói lệnh TRAP gọi một dịch vụ của hệ điều hành (service call). Các bit [7:0] của lệnh TRAP tạo nên một trapvector 8 bit, xác định dịch vụ cần gọi mà chương trình muốn hệ điều hành thực hiện.
42. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.9 Ba cấu trúc lệnh trong LC-3 4.9.1 Ba cấu trúc cơ bản trong lập trình có cấu trúc Trong lập trình có ba cấu trúc lệnh cơ bản để thực hiện các tác vụ cần thiết, đó là các cấu trúc tuần tự (sequential), điều kiện (conditional), và lặp (iterative). Hình 4.16 trình bày ba cấu trúc cơ bản triển khai tác vụ cần thực thi (task).
43. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.9 Ba cấu trúc lệnh trong LC-3 4.9.2 Ba cấu trúc trong LC-3
44. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.10 Một ví dụ
45. CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.10 Một ví dụ