Bài giảng kiến trúc máy tính chương 3 phan trung kiên

1
1
Chương 3. Tập Lệnh
Phan Trung Kiên
Đại học Tây Bắc
Phan Trung Kiên
2
Chương 3. Kiến Trúc Tập Lệnh
 Tập thanh ghi
 Tập lệnh
 Ví dụ nghiên cứu
Phan Trung Kiên
3
3.1. Tập thanh ghi
 Chức năng và đặc điểm:
 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động
ở thời điểm hiện tại của CPU
 Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ
 Số lượng thanh ghi nhiều Î tăng hiệu năng của
CPU
 Có hai loại thanh ghi:
 Các thanh ghi lập trình được
 Các thanh ghi không lập trình được
Phan Trung Kiên
4
Phân loại thanh ghi theo chức năng
 Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ
hay cổng vào-ra.
 Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu.
 Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ
liệu.

 Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa các thông
tin điều khiển và trạng thái của CPU.
 Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện.
2
Phan Trung Kiên
5
Một số thanh ghi điển hình
 Các thanh ghi địa chỉ
 Các thanh ghi dữ liệu
 Thanh ghi trạng thái
Phan Trung Kiên
6
Các thanh ghi địa chỉ:
 Chức năng: dùng để quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay
cổng vào – ra
 Chương trình đang thực hiện phải nằm trong bộ nhớ
chính và nó chiếm 3 vùng nhớ cỏ bản sau:
 Vùng nhớ lệnh (Code): chứa các lệnh của chương trình.
 Vùng dữ liệu (Data): chứa dữ liệu của chương trình. Thực chất
đây là nơi cấp phát các ngăn nhớ cho các biến nhớ.
 Vùng ngăn xếp (Stack): là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last in
first Out) dùng để cất dữ thông tin và sau đócóthể khôi phục
lại. Thường dùng cho việc thực hiện các chương trình con.
Phan Trung Kiên
7
Bộ đếm chương trình (Program
Counter – PC):
 Còn gọi là con trỏ lệnh (Instruction Pointer – IP)
 Là thanh ghi chứa địa chỉ cảu một lệnh tiếp theo
sẽ được nhận vào.

 Sau khi một lệnh được nhận vào thì nội dung
của PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp
nằm ngay sau lệnh vừa nhận.
Phan Trung Kiên
8
Minh họa bộ đếm chương trình
3
Phan Trung Kiên
9
Thanh ghi con trỏ dữ liệu (Data
Pointer – DP):
 Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU
muốn truy nhập.
 Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu
Phan Trung Kiên
10
Minh hoạ thanh ghi con trỏ dữ liệu
Phan Trung Kiên
11
Ngăn xếp (Stack)
 Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In
- First Out)
 Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho chương
trình con
 Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định
 Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí trên cùng
trong ngăn xếp
 Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi
Phan Trung Kiên
12

Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (Stack
Pointer – SP):
 Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp
 Khi cất một thông tin vào ngăn xếp:
 Nội dung của SP tự động giảm
 Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ bởi SP
 Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:
 Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi SP
 Nội dung của SP tự động tăng
 Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy
4
Phan Trung Kiên
13
Minh họa con trỏ ngăn xếp SP
Phan Trung Kiên
14
Thanh ghi cơ sở (Base Register) và
thanh ghi chỉ số (Index Register):
 Thanh ghi cơ sở chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ
sở
 Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa
ngăn nhớ mà CPU cần truy nhập so với ngăn
nhớ cơ sở.
 Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy nhập = địa chỉ cơ
sở + chỉ số
Phan Trung Kiên
15
Minh họa thanh ghi cơ sở và thanh ghi
chỉ số
Phan Trung Kiên

16
Các thanh ghi dữ liệu:
 Chức năng: chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các
kết qủa trung gian phục vụ cho việc xử lý các dữ
liệu của CPU.
 Các loại thanh ghi dữ liệu:
 Các thanh ghi số nguyên:8, 16, 32, 64 bit
 Các thanh ghi số dấu chấm động (Có trên các bộ xử
lý có khối FPU – Floadting Point Unit)
5
Phan Trung Kiên
17
Thanh ghi trạng thái:
 Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register)
 Chức năng: chứa các thông tin trạng thái của
CPU.
 Các cờ phép toán: biểu thị trạng thái của kết qủa
phép toán.
 Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển của
CPU.
Phan Trung Kiên
18
Các cờ phép toán:
 Cờ Zero (ZF - cờ rỗng): đựoc thiết lập lên một kết quả
của phép toán vừa thực hiện bằng 0.
 Cờ Sign (SF - cờ đấu): được thiết lập lên một kết quả
của phép toán vừa thực hiện nhỏ hơn 0, hay nói cách
khác, cờ Sign nhận giá trị bằng bit dấu của kết quả.
 Cờ Carry (CF - cờ nhớ): cờ được thiết lập nếu phép
toán có nhớ ra ngoài bit cao nhất → cờ báo tràn với số

không dấu.
 Cờ Overflow (OF - cờ tràn): cờ được thiết lập nếu cộng
hai số cùng dấu mà kết quả có dấu ngược lại → cờ báo
tràn với số có dấu.
Phan Trung Kiên
19
Các cờ điều khiển:
 Cờ Interrupt (IF - cờ cho phép ngắt):
 Nếu IF = 1 → CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín
hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài.
 Nếu IF = 0 → CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu
yêu cầu ngắt từ bên ngoài.
Phan Trung Kiên
20
Tập thanh ghi của một số bộ xử lý
6
Phan Trung Kiên
21
3.2. Tập lệnh
 Giới thiệu chung
 Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định
 Tập lệnh thường từ hàng chục đến hàng trăm lệnh
 Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà BXL hiểu được
để thực hiện một thao tác xác định
 Các lệnh được mô tả bằng ký hiệu gợi nhớ ? đólà
các lệnh hợp ngữ
Phan Trung Kiên
22
Giản đồ trạng thái của chu kỳ lệnh
Không kiểm tra ngắt

Tính toán
địa chỉ lệnh
Giải mã
thao tác
lệnh
Tính toán
địa chỉ toán
hạng
Xử lý dữ liệu
Tính toán
địa chỉ toán
hạng
Nhận lệnh
Nhận toán
hạng
Cất toán
hạng
Nhiều
toán
hạng
Nhiều
kết
quả
DL dạng
xâu hoặc
vectơ
Kết thúc lênh,
nhận lệnh
tiếp theo
Phan Trung Kiên

23
Giản đồ trạng thái của chu kỳ lệnh
Có kiểm tra ngắt
Tính toán
địa chỉ
lệnh
Giải mã
thao tác
lệnh
Tính toán
địa chỉ
toán hạng
Xử lý dữ
liệu
Tính toán
địa chỉ
toán hạng
Nhận lệnh
Nhận toán
hạng
Cất toán
hạng
Nhiều
toán
hạng
Nhiều
kết
quả
DL dạng
xâu hoặc

vectơ
Kết thúc lênh,
nhận lệnh
tiếp theo
Kiểm tra
ngắt
Ngắt
Không
có ngắt
Phan Trung Kiên
24
Cấu trúc lệnh mã máy
 Mã lệnh (opcode): cho biết thao tác cần thực hiện
 Các toán hạng (Operands): cho biết:
 Nơi chứa dữ liệu cần tác động vào: t/h nguồn, t/h đích
 Cho biết địa chỉ của lệnh tiếp theo
Mã lệnh Các toán hạng
7
Phan Trung Kiên
25
Các kiểu lệnh
 Xử lý dữ liệu
 Lưu trữ dữ liệu
 Di chuyển dữ liệu
 Điều khiển thứ tự thực hiện lệnh
Phan Trung Kiên
26
Các kiểu toán hạng
 Số lượng toán hạng
 Kiểu số

 Số nguyên
 Số dấu phẩy động
 Kiểu ký tự
 Mã của ký tự ASCII, BCD mở rộng,
 Kiểu logic
 Toán hạng xử lý với cờ
Phan Trung Kiên
27
Số lượng toán hạng
 3 toán hạng:
 Toán hạng 1, toán hạng 2, kết quả
 a = b + c
 Có thể dẫn tới lệnh tiếp theo (thường là ngầm hiểu)
 Loại này không phổ dụng
 Cần rất nhiều từ lệnh dài để chứa loại này
 Ví dụ: SUB r1, r2, r3 (Motorola)
Phan Trung Kiên
28
Số lượng toán hạng
 2 toán hạng:
 Có một toán hạng vừa là nguồn, vừa là đích
 a = a + b
 Giảm độ dài của lệnh
 Có thể thêm thao tác:
 Dùng vùng nhớ tạm để chứa giá trị trước khi thực hiện
 Ví dụ: ADD AX, BX
8
Phan Trung Kiên
29
Số lượng toán hạng

 1 toán hạng:
 Toán hạng thường là một thanh ghi
 Toán hạng thứ hai được ngầm hiểu
 Phổ dụng trong các máy xa xưa
 Ví dụ: PUSH AX
Phan Trung Kiên
30
Số lượng toán hạng
 0 toán hạng
 Điều khiển hệ thống
 ít dùng
 Ví dụ: NOP (No OPeration)
Phan Trung Kiên
31
So sánh số lượng toán hạng
 Nhiều toán hạng:
 Các lệnh phức tạp hơn
 Cần nhiều thanh ghi hơn
 Chỉ cần ít lệnh trong một chương trình
 ít toán hạng:
 Các lệnh ít phức tạp hơn
 Cần dùng nhiều lệnh trong một chương trình
 Nhận/xử lý các lệnh nhanh hơn
Phan Trung Kiên
32
Các kiểu thao tác
 Các lệnh chuyển dữ liệu
 Các lệnh số học
 Các lệnh logic
 Các lệnh vào/ra

 Các lệnh điều khiển hệ thống
 Các lệnh chuyển điều khiển
9
Phan Trung Kiên
33
Các lệnh chuyển dữ liệu
 Đặc điểm:
 Sao chép dữ liệu từ nguồn sang đích
 Không ảnh hưởng đến các cờ
 Các lệnh:
 MOVE: copy dữ liệu từ nguồn đến đích
 LOAD: copy dữ liệu từ bộ nhớ đến BXL
 STORE: copy dữ liệu từ BXL đến bộ nhớ
 EXCHANGE: trao đổi nội dung của nguồn và đích
 PUSH: copy dữ liệu từ nguồn đến stack
 POP: copy dữ liệu từ stack đến đích
Phan Trung Kiên
34
Các lệnh số học
 Đặc điểm:
 Thực hiện các phép toán số học
 Có ảnh hưởng đến thanh ghi cờ
 Các lệnh:
 ADD: tính tổng hai toán hạng
 SUBTRACT: tính hiệu hai toán hạng
 MULTIPLY: tính tích hai toán hạng
 DIVIDE: tích thương hai toán hạng
 ABSOLUTE: lấy giá trị tuyệt đối của toán hạng
 NEGATE: đổi dấu toán hạng (lấy bù 2)
 INCREMENT: tăng toán hạng lên 1

 DECREMENT: giảm toán hạng đi 1
Phan Trung Kiên
35
Các lệnh logic
 Đặc điểm:
 Thực hiện các phép toán logic
 Có ảnh hưởng đến thanh ghi cờ
 Các lệnh:
 AND: thực hiện AND bit hai toán hạng
 OR:thực hiện OR bit hai toán hạng
 XOR:thực hiện XOR bit hai toán hạng
 NOT: đảo bit của toán hạng (lấy bù 1)
 TEST:thực hiện AND hai toán hạng để lập cờ
 SHIFT:thực hiện dịch bit toán hạng
 ROTATE: thực hiện quay bit toán hạng
 COMPARE: so sánh hai toán hạng
Phan Trung Kiên
36
Các lệnh vào ra
 Đặc điểm:
 Trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi
 Các lệnh:
 INPUT: copy dữ liệu từ một cổng xác định đến đích
 OUTPUT: copy dữ liệu từ nguồn đến cổng xác định
 START I/O: chuyển các lệnh đến BXL vào/ra để khởi tạo thao
tác vào/ra
 TEST I/O: chuyển thông tin trạng thái từ hệ thống vào/ra đến
đích xác định
10
Phan Trung Kiên

37
Các lệnh điều khiển hệ thống
 HALT: dừng thực hiện chương trình
 WAIT: dừng thực hiện chương trình; liên tục
kiểm tra điều kiện được chỉ định; chương trình
được thực hiện khi điều kiện được thỏa mãn
 NO OPERATION: không có thao tác nào được
thực hiện, nhưng chương trình vẫn tiếp tục chạy
Phan Trung Kiên
38
Các lệnh chuyển điều khiển
 Đặc điểm:
 Điều khiển rẽ nhánh trong chương trình
 PC được nạp giá trị địa chỉ mới
 Các lệnh:
 JUMP: nhảy không điều kiện đến lệnh mới
 JUMP CONDITIONAL: nhảy có điều kiện
 CALL: lệnh gọi CTC
 RETURN: trở về từ CTC
 INTERRUPT: lệnh gọi CTC ngắt
 INTERRUPT RETURN: trở về từ CTC ngắt
Phan Trung Kiên
39
Minh họa lệnh gọi CTC
Phan Trung Kiên
40
Thể hiện ở Stack
Sau lÖnh
CALL Proc1
Khëi t¹o

néi dung
stack
Sau lÖnh
CALL Proc2
Sau lÖnh
RETURN
Sau lÖnh
CALL Proc2
Sau lÖnh
RETURN
Sau lÖnh
RETURN
11
Phan Trung Kiên
41
Các mode địa chỉ
 Toán hạng có thể là:
 Một giá trị cụ thể
 Nội dung của thanh ghi
 Nội dung của ngăn nhớ
 Nội dung của cổng vào ra
 Mode địa chỉ là cách thức địa chỉ hóa trong lệnh
để xác định toán hạng
Phan Trung Kiên
42
Các mode địa chỉ
 Mode địa chỉ tức thì
 Mode địa chỉ trực tiếp
 Mode địa chỉ gián tiếp
 Mode địa chỉ thanh ghi

 Mode địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi
 Mode địa chỉ dịch chuyển
 Mode địa chỉ stack
Phan Trung Kiên
43
Mode địa chỉ tức thì
 Toán hạng là một phần của lệnh
 Toán hạng nằm ngay trong trường địa chỉ
 Chỉ có thể là toán hạng nguồn
 Truy nhập toán hạng rất nhanh
 Dải giá trị của toán hạng bị hạn chế
 Ví dụ: ADD AX, 10
Phan Trung Kiên
44
Sơ đồ mode địa chỉ tức thì
Toán hạng
Mã lệnh
Lệnh
12
Phan Trung Kiên
45
Mode địa chỉ trực tiếp
 Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ được chỉ ra
trong lệnh
 BXL tham chiếu bộ nhớ một lần để truy nhập dữ
liệu
 Không gian địa chỉ là hữu hạn
 Ví dụ: ADD AL, [100]
Phan Trung Kiên
46

Sơ đồ mode địa chỉ trực tiếp
Địa chỉMã lệnh
Lệnh
Bộ nhớ
Toán hạng
Phan Trung Kiên
47
Mode địa chỉ gián tiếp
 Toán hạng là nội dung của ngăn nhớ có địa chỉ
nằm trong một ngăn nhớ khác, ngăn nhớ khác
đó được thể hiện trong lệnh
 Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn
 Có thể gián tiếp nhiều lần
 BXL phải thực hiện tham chiếu bộ nhớ nhiều lần
để tìm toán hạng ? chậm
 Ví dụ: ADD AH, [a]
Phan Trung Kiên
48
Sơ đồ mode địa chỉ gián tiếp
Địa chỉMã lệnh
Lệnh
Bộ nhớ
Toán hạng
Địa chỉ của t/hạng
13
Phan Trung Kiên
49
Mode địa chỉ thanh ghi
 Toán hạng là nội dung của một thanh ghi
 Số lượng thanh ghi có hạn

 Trường địa chỉ nhỏ (chỉ cần ít bit)
 Độ dài lệnh ngắn hơn
 Nhận lệnh nhanh hơn
 Không tham chiếu bộ nhớ
 Truy nhập toán hạng nhanh
 Tăng số lượng thanh ghi ? tăng tốc độ
 Ví dụ: ADD AL, AH
Phan Trung Kiên
50
Sơ đồ mode địa chỉ thanh ghi
Tên thanh ghiMã lệnh
Lệnh
Tập thanh ghi
Toán hạng
Phan Trung Kiên
51
Mode địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi
 Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ nằm trong
một thanh ghi
 Thanh ghi này được gọi là thanh ghi con trỏ
 Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn: 2
n
,
trong đón là độ dài (bit) của thanh ghi
 Ví dụ: SUB AL, [BX]
Phan Trung Kiên
52
Sơ đồ mode gián tiếp qua
thanh ghi
Tên thanh ghiMã lệnh

Lệnh
Bộ nhớ
Toán hạng
Địa chỉ của t/hạng
Tập thanh ghi
14
Phan Trung Kiên
53
Mode địa chỉ dịch chuyển
 Kết hợp hai mode:
 Mode gián tiếp qua thanh ghi
 Mode trực tiếp
 Trường địa chứa hai thành phần:
 Tên một thanh ghi
 Một hằng số
 Địa chỉ toán hạng = ND thanh ghi = hằng số
 Ví dụ: ADD AL, [SI + 50]
Phan Trung Kiên
54
Sơ đồ mode địa chỉ dịch
chuyển
Register
R
Mã lệnh
Lệnh
Bộ nhớ
Toán hạng
Địa chỉ của t/hạng
Tập thanh ghi
Address A

+
Phan Trung Kiên
55
Mode địa chỉ stack
 Toán hạng được ngầm hiểu là ngăn nhớ đỉnh
ngăn xếp
 Ví dụ: PUSH AX
Mã lệnh
Lệnh
Ngăn nhớ đỉnh
stack
Ngầm hiểu