Kiến trúc máy tính chương 2 Kiến trúc tập lệnh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
----

KHOA

CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

KIẾN TRÚC TẬP LỆNH
Gv: Ths. Nguyễn Thanh Đăng


MỤC LỤC
2.1 - Giới Thiệu
2.2 - Kiến Trúc CISC và RISC
2.3 - Các thành phần cơ bản của máy tính
2.4 - Kiến Trúc tập lệnh MIPS
2.5 - Gọi thủ tục và hàm
2.6 - Định dạng lệnh MIPS và cách mã hóa địa chỉ
2.7 - Kết chương


Câu hỏi:
1.Những đặc điểm nổi bật nào khiến cho các Kỹ Sư
máy tính chuyển hướng sang tiếp cập kiến trúc RISC.
Họ tập trung vào khai thác ưu điểm nào của kiến trúc
RISC đưa vào CISC
2. Trình bày cấu trúc cơ bản của máy tính
3. So sánh tốn hạng thanh ghi & toán hạng bộ nhớ?
4. So sánh “lệnh đọc dữ liệu” với “lệnh lưu dữ liệu
5. Hãy phân biệt 3 định dạng R, I, J thông qua các lệnh

mà chúng hướng tới


2.1 Giới Thiệu:
Ngơn ngữ là gì?

Ngơn ngữ là 1 hệ thống giao tiếp bao gồm âm thanh,
từ ngữ và ngữ pháp được sử dụng bởi những người
trong 1 đất nước cụ thể hoặc trong 1 loại công việc

Lệnh  tập lệnh  là ngơn ngữ của máy tính


Mục tiêu
MIPS (Microprocessor without Interlocked
Pipeline Stages) ở cả 2 dạng hợp ngữ và ngôn
ngữ máy
o Lịch sử MIPS: Đại học Standford (1981) 
MIPS Technologies.
o Ứng dụng MIPS: hệ thống nhúng, nền tảng cho
kiến trúc tập lênh sau này
o Phương pháp của kiến trúc MIPS: phương
pháp ánh xạ và quản lý địa chỉ


2.2 Kiến trúc CISC và RISC
A. Ngơn ngữ lập trình
o Nhiều, mạnh, phức tạp  phát triển ứng dụng
(chính xác cho từng ứng dụng, chi tiết hóa mục
đích)

o Hạn chế: khoảng cách ngữ nghĩa giữa NNLT &
tác vụ cung cấp của kiến trúc máy tính
 Giải quyết: xây dựng kiến trúc máy tính hỗ trợ
lớn các loại lệnh phức tạp với nhiều phương pháp
tính tốn địa chỉ khác nhau.

Mục tiêu
Làm giảm độ phức
tạp của trình biên
dịch
Cải tiến thời gian
thực thi
Hồn thành tác vụ
với ít số lượng lệnh
hợp ngữ.


2.2 Kiến trúc CISC và RISC
B. Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer)
 Đặc điểm:
- 120 – 350 lệnh
- Số lượng thanh thi khá ít (8 -24 thanh ghi)
- Tham khảo bộ nhớ thơng qua nhiều phương
pháp tính tốn địa chỉ khác nhau (12 – 24)
- CPI trung bình trong khoảng từ 2 - 15

KHÔNG ĐẠT HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHẦN CỨNG CAO


2.2 Kiến trúc CISC và RISC

C. Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer)
 Đặc điểm:
- Ít hơn 100 lệnh, kích thước cố định (32 bit)
- Số lượng thanh ghi GPRs nhiều (32 – 192)
- Phương pháp định địa chỉ ít (3 – 5)
- CPI trung bình < 1.5, một chu kỳ xung nhịp
cho hầu hết các lệnh
HIỆU SUẤT ĐẠT ĐƯỢC SẼ CAO


kiến trúc CISC và ưu điểm của kiến trúc RISC

Gia tăng số lượng thanh ghi
Kỹ thuật xử lý ống


Câu hỏi 1
* Những đặc điểm nổi bật nào khiến cho các Kỹ Sư máy
tính chuyển hướng sang tiếp cập kiến trúc RISC?
* Họ tập trung vào khai thác ưu điểm nào của kiến trúc
RISC đưa vào CISC?


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính
2.3.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Tập thanh ghi
Thanh ghi bộ đếm

chương trình
Khối số học và
logic(ALU)

Khối điều khiển


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính
2.3.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Tập thanh
ghi

• Lưu trữ tạm thời các lệnh, dữ liệu cho CPU xử lý
• Kích thước nhỏ, tốc độ làm việc cao (~CPU)
• MIPS chuẩn: 32bit

Thanh ghi
bộ đếm
chương
trình

• Lưu trữ địa chỉ của lệnh sẽ được thực thi tiếp theo
ngay sau lệnh đang được xử lý
• Chỉ được cập nhật bởi phần cứng.

Khối Khối
số học và
logic (ALU

• Thực hiện các phép tính số học( + -- . /) và các phép

toán luận lý( NOT, AND, OR, XOR)

Khối điều
khiển

• Điều khiển việc thực thi các lệnh


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính
2.3.2 Bộ nhớ chính
Nơi lưu trữ chương trình
và dữ liệu cần thiết cho
chương trình
Bộ nhớ
chính
Ơ nhớ 1 byte( 8 bit)
 Từ nhớ


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính
2.3.2 Bộ nhớ chính
Giá trị có kích thước
Từ nhớ = 4 byte liên tục bắt đầu từ byte
1 byte ==> lưu trữ tại
có địa chỉ chia hết cho 4.
1 byte xác định trong
VD: 4 byte có địa chỉ: 8, 9, 10,11 ==>
bộ nhớ chính
từ nhớ có địa chỉ :8.

MIPS
Big Endian: byte dữ liệu
có trọng số lớn nhất ==> ơ
nhớ có địa chỉ thấp nhất.

Little Endian: byte dữ liệu
có trọng số nhỏ nhất ==> ơ
nhớ có địa chỉ thấp nhất.


2.3 Các thành phần cơ bản của máy tính
2.3.2. Bộ nhớ chính

Bộ nhớ chính trong kiến trúc MIPS


Câu hỏi 2
Trình bày cấu trúc cơ bản của máy tính.


2.4. Kiến trúc tập lệnh MIPS


Nội dung
2.4.1. Giới thiệu
2.4.2. Nguyên lý thiết kế tập lệnh
2.4.3. Các tốn hạng của MIPS
2.4.4. Nhóm lệnh số học và luận lý
2.4.5. Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu
2.4.6. Nhóm lệnh hỗ trợ ra quyết định

Kiến trúc tập lệnh MIPS


2.4.1 Giới thiệu
• MIPS là kiến trúc tập lệnh theo

dạng RISC
• Kiến trúc tập lệnh MIPS được sử

dụng rộng rãi trong hệ thống
nhúng
• Nền tảng cho nhiều kiến trúc tập

lệnh thế hệ mới


2.4.1 Giới thiệu
Tập lệnh MIPS gồm 3 nhóm lệnh chính:
1

2

3

Nhóm lệnh
Số học và luận lý.

Nhóm lệnh
Chuyển dữ liệu.

Nhóm lệnh
Ra quyết định.


2.4.1 Giới thiệu
Kiến trúc MIPS chuẩn 32 bit có
những đặc điểm:
• Một lệnh hợp ngữ tương đương một

lệnh máy
• Có kích thước 32 bit
• Chỉ suy nhất một tác vụ thực hiện trong

một lệnh


Nội dung
2.4.1. Giới thiệu

2.4.2. Nguyên lý thiết kế tập lệnh
2.4.3. Các tốn hạng của MIPS

2.4.4. Nhóm lệnh số học và luận lý
2.4.5. Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu
2.4.6. Nhóm lệnh hỗ trợ ra quyết định

Kiến trúc tập lệnh MIPS

2.4.2. Nguyên lý thiết kế tập lệnh

Đảm bảo
các triết
lý cơ bản

• Số lượng lệnh nhỏ
• Định dạng và kích thước cố định
• CPI trung bình thấp


2.4.2 Nguyên lý thiết kế tập lệnh
Nguyên tắc chính trong thiết kế:
1. Đơn giản tạo
nên tính quy tắc

1

3

3. Trường hợp
phổ biến hoạt
động nhanh
hơn

2

2. Càng nhỏ
sẽ càng
nhanh

4

4. Thiết kế tốt
đòi hỏi sự thỏa
hiệp tốt