CHƯƠNG 4 MỨC VI LẬP TRÌNH ppt

THANH GHI Tập hợp các thanh ghi nằm trong BXL  Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của BXL  Như là mức đầu tiên của hệ thống nhớ  Tùy thuộc vào BXL

CHƯƠNG 4

MỨC VI LẬP TRÌNH

THANH GHI

 Tập hợp các thanh ghi nằm trong BXL

 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của BXL

 Như là mức đầu tiên của hệ thống nhớ

 Tùy thuộc vào BXL cụ thể

 Số lượng thanh ghi nhiều → tăng hiệu năng của BXL

 Có hai loại thanh ghi

 Các thanh ghi lập trình được

 Các thanh ghi không lập trình được

THANH GHI

 Một số thanh ghi điển hình

 Các thanh ghi địa chỉ

 Bộ đếm chương trình (Program Counter)

 Con trỏ dữ liệu (Data Pointer)

 Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer)

 Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register)

 Các thanh ghi dữ liệu

 Thanh ghi trạng thái (thanh ghi cờ)

THANH GHI

 Thanh ghi địa chỉ

 Chương trình mã máy đang thực hiện chiếm 3

THANH GHI

 Bộ đếm chương trình

 Còn gọi là con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer), quản lý địa chỉ vùng lệnh

 Giữ địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào

tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp

THANH GHI

 Minh họa bộ đếm chương trình

.

Lệnh Lệnh Lệnh

Lệnh sẽ được nhận vào Lệnh kế tiếp Lệnh Lệnh

.

PC

THANH GHI

 Thanh ghi con trỏ dữ liệu

DP

THANH GHI

 Con trỏ ngăn xếp

 Là vùng nhớ có cấu trúc LIFO

 Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định

 Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi

 SP trỏ vào ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp

 Cất thêm thông tin vào ngăn xếp → SP giảm

 Lấy thông tin từ ngăn xếp → SP tăng

 Khi ngăn xếp rỗng → SP trỏ vào đáy

THANH GHI

(ngăn nhớ gốc tương đối), còn gọi: địa chỉ đoạn

(segment)

 Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch của địa chỉ giữa

ngăn nhớ mà BXL cần truy nhập so với ngăn nhớ

cơ sở, còn gọi: địa chỉ offset

Thanh ghi chỉ số

Khoả ng lệ

ch

 Các thanh ghi dữ liệu

 Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc kết quả trung gian

 Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu

 Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64, Bit

 Thanh ghi trạng thái

 Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register)

 Chứa các thông tin trạng thái của BXL

 Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của phép toán

 Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển của BXL

Minh họa thanh ghi trạng thái

Cờ trạng thái

Cờ điều khiển

• OF (Overflow - tràn): OF = 1 xác định tràn số học, xảy ra khi kết quả vượt ra ngoài phạm

vi biểu diễn

• DF (Direction- hướng): xác định hướng chuyển chuỗi, DF = 1 khi CPU làm việc với chuỗi

theo thứ tự từ phải sang trái và ngược lại

• IF (Interrupt - ngắt): cho phép hay cấm các ngắt có mặt nạ.

• TF (Trap - bẫy): đặt CPU vào chế độ từng bước, dùng cho các chương trình gỡ rối

(debugger)

• SF (Sign - dấu): dùng để chỉ các kết quả số học là số dương (SF = 0) hay âm (SF = 1).

• ZF (Zero): = 1 nếu kết quả của phép toán trước là 0.

• AF (Auxiliary – nhớ phụ): dùng trong các số thập phân để chỉ nhớ từ nửa byte thấp hay

mượn từ nửa byte cao

• PF (Parity): PF = 1 nếu kết quả của phép toán là có tổng số bit 1 là chẵn (dùng để kiểm tra

lỗi truyền dữ liệu)

•CF (Carry): CF = 1 nếu có nhớ hay mượn từ bit cao nhất của kết quả Cờ này cũng dùng

cho các lệnh quay

4.2.1 Đường dữ liệu

 Đường dữ liệu là một phần của CPU, nó có chứa

ALU, các đầu vào và đầu ra

 Thí dụ trên hình vẽ:

 16 thanh ghi 16 bit giống nhau tạo nên một bộ

nhớ tạm chỉ truy cập được ở mức vi chương

trình

 Thanh ghi đưa nội dung ra: bus A, bus B hoặc

đồng thời cả 2 bus

 Nạp vào thanh ghi: từ bus C

 ALU (16 bit) có thể thực hiện 4 chức năng: A+B,

A AND B, A và not A

 F0 và F1 định chức năng sẽ được ALU thực

hiện

 ALU sinh ra hai bit trạng thái dựa trên kết quả ra

hiện thời của nó:

 N có giá trị 1 khi kết quả ra là âm

 Z có giá trị 1 khi kết quả ra bằng 0 (Zê-rô)

A

4.2.1 Đường dữ liệu (Data path)

 Shifter có thể dịch: trái, phải, không dịch

 Có thể thực hiện dịch trái hai bit một giá

trị ghi trong thanh ghi R, bằng cách tính

R+R trong ALU, sau đó dịch kết quả

(tổng) một bit nữa sang trái bằng thanh

ghi dịch.

 A latch và B latch: được nạp từ bus A và

bus B để cho phép có thể thay đổi nội

dung các thanh ghi đã nạp giá trị vào

ALU.

 Các tín hiệu L0 và L1 điều khiển việc nạp

giá trị trên bus A và bus B vào các thanh

ghi chốt.

4.2.1 Đường dữ liệu (Data path)

 MAR: thanh ghi địa chỉ ô nhớ cần thao tác

 Có thể được nạp từ thanh ghi chốt B song

song với một thao tác của ALU

 M0 điều khiển việc nạp của MAR

 MBR: thanh ghi đệm (dữ liệu) đọc/ghi bộ nhớ

 Được nạp giá trị từ đầu ra của thanh ghi

dịch, giá trị này cũng có thể đồng thời được

chứa vào một trong các thanh ghi của bộ

nhớ tạm

 M1 điều khiển việc nạp của MBR từ đầu ra

của thanh ghi dịch

 M2 và M3 điều khiển việc đọc và ghi bộ nhớ

 AMUX: bộ dồn kênh để chọn dữ liệu đưa vào

ALU từ A latch hay từ MBR

 A0 điều khiển AMUX

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

 Các thanh ghi:

 PC, AC và SP

 IR: Thanh ghi lệnh

 TIR (Temporary IR): chứa tạm thời bản sao của

IR dùng để giải mã vĩ chỉ thị

 0, 1, -1: các hằng số được chỉ ra trên thanh ghi

 AMASK ( 0000.1111.1111.1111b): làm mặt nạ để

tách các bit của trường địa chỉ khỏi các bit của

trường opcode trong chỉ thị MAC-1

 SMASK ( 0000.0000.1111.1111b): làm mặt nạ để

tách địa chỉ offset 8 bit trong các chỉ thị INSP và

DESP

 Sáu thanh ghi còn lại (A, B, C, D, E, F) không

được gán trước các chức năng, có thể được sử

 2 tín hiệu để điều khiển chức năng ALU.

 2 tín hiệu để điều khiển bộ dịch.

 4 tín hiệu để điều khiển MAR và MBR.

 2 tín hiệu để chỉ rõ thao tác đối với bộ nhớ

(R/W).

 1 tín hiệu để điều khiển Amux.

 Tổng số tín hiệu: 61

4.2.2 Vi chỉ thị - microinstruction

 Có thể điều khiển đường dl bằng 61 tín hiệu

 Thực hiện một chu kỳ của đường dữ liệu:

 Một chu kỳ bao gồm việc mở cổng cho

các giá trị trong bộ nhớ tạm đi vào bus A

và bus B, chốt chúng lại trong hai thanh

ghi chốt bus A latch và B latch

 Cho các giá trị từ các thanh ghi chốt chạy

qua ALU và shifter

 Cuối cùng là việc chứa các kết quả vào

trong bộ nhớ tạm hoặc vào MBR Ngoài

ra MAR cũng có thể được nạp, sau đó

4.2.2 Vi chỉ thị - microinstruction

 Giảm số bít để điều khiển đường dữ liệu:

 Sử dụng bộ giải mã 4 -16: giảm số bit điều khiển mỗi bus A, B và C từ 16 xuống còn 4.

 Chấp nhận chỉ nạp dữ liệu trên bus C vào 1 trong 16 thanh ghi.

4.2.2 Vi chỉ thị: khuôn dạng gồm 13 trường

4.2.3 Việc định thời vi chỉ thị

 Là việc định trình tự xảy ra các sự kiện trong quá

trình thực hiện một vi chỉ thị

 Một chu kỳ ALU cơ sở bao gồm việc:

1. Nạp vi chỉ thị tiếp theo sẽ được thi hành vào

MIR

2. Mở cổng các thanh ghi tạm đi vào bus A và

bus B và giữ chúng trong A latch và B latch

3. Khi các giá trị đưa vào ALU ổn định, dành

thời gian cho ALU và shifter để chúng sinh ra giá trị ra ổn định; nạp MAR nếu cần thiết

4. Khi giá trị ra của shifter ổn định, chứa giá trị

trên bus C vào bộ nhớ tạm và nạp cho MBR nếu việc này cũng được yêu cầu

  sử dụng một đồng hồ 4 pha (có 4 chu kỳ con)

4.2.3 Việc định

thời vi chỉ thị

 Chu kỳ con thứ hai: Đơn

vị Increment tính MPC+1;

Các trường của MIR bắt

đầu điều khiển đường dữ

nhánh trái của ALU

 Trong khi ALU và

shifter đang tính toán

thì MAR được nạp từ

bus B nếu trường

MAR =1.

4.2.3 Việc định

thời vi chỉ thị

Chu kỳ con thứ tư:

 Giá trị trên bus C có thể được

 Nếu 2 tín hiệu đầu tiên đồng

thời =1, C decoder sẽ giải mã

chọn 1/16 thanh ghi

 Hai tín hiệu điều khiển bộ nhớ RD

và WR được nối với các bit tương

ứng của MIR

1 = Nhảy tới ADDR nếu N =1

2 = Nhảy tới ADDR nếu Z =1

3 = Nhảy tới ADDR vô điều

kiện.

4.2.4 Sự định trình tự các vi chỉ thị

và 2 bit L (Left - trái) và bit R (Right - phải) của trường

COND để sinh ra tín hiệu điều khiển Mmux.

R L

4.3 Thí dụ về một kiến trúc mức máy thông thường

Để nghiên cứu tiếp thí dụ về mức vi chương trình, chúng ta cần nghiên cứu kiến trúc của mức máy thông thường, mức này sẽ được hỗ trợ bởi một trình thông dịch chạy trên máy mức 1 - Mức Vi chương trình.

4.3.1 Kiến trúc mức máy thông thường - Vĩ kiến trúc 4.3.2 Vấn đề đánh địa chỉ bộ nhớ chính và bộ nhớ ngăn xếp

4.3.3 Tập vĩ chỉ thị

4.3.1 Kiến trúc mức máy thông thường - Vĩ kiến trúc

Vi chương trình.

(macroarchitecture) cho tương phản với kiến trúc ở mức 1

đã được gọi là vi kiến trúc (microarchitecture) Gọi máy

mức 2 là Mac-1.

MOVE và các chỉ thị khác của mức máy thông thường (máy mức 2) sẽ được gọi là vĩ chỉ thị.

4.3.2 Vấn đề đánh địa chỉ bộ nhớ chính và

bộ nhớ ngăn xếp

 Sự cần thiết phải có stack:

 Sử dụng cho các biến cục bộ của các chương trình con

 Cần tổ chức theo kiểu LIFO (Last In First Out).

 Cần một con trỏ đỉnh stack - SP (Stack Pointer).

 2 thao tác quan trọng nhất là PUSH và POP

 PUSH X: dịch con trỏ stack rồi đặt X vào bộ nhớ tại vị trí lúc này được trỏ bởi SP.

 POP Y: chứa phần tử ở trên cùng của stack vào Y rồi dịch con trỏ.

2 Tại mức máy thông thường chúng ta sử dụng 3 thanh ghi là:

 PC (Program Counter): con trỏ lệnh, trỏ tới lệnh sắp được thực hiện

 SP (Stack Pointer): được sử dụng cho các thao tác với bộ nhớ stack

 AC (ACcumulator): cho các thao tác với bộ nhớ (vận chuyển dữ liệu,

để tính toán số học )

vị trí của dữ liệu (toán hạng, chỉ thị của chương trình).

4.3.2 Vấn đề đánh địa chỉ bộ nhớ chính và

bộ nhớ ngăn xếp

 Các chỉ thị mode địa chỉ trực tiếp: có chứa một địa chỉ bộ nhớ

12 bit, đánh được địa chỉ của toàn bộ 4096 từ trong bộ nhớ

Những chỉ thị như vậy cần phải có để truy cập các biến toàn cục.

 Các chỉ thị mode gián tiếp: (12 bit) cho phép người lập trình tính

địa chỉ nhớ, đặt nó vào trong thanh ghi AC, sau đó đọc hoặc ghi word đã được đánh địa chỉ Dạng đánh địa chỉ này rất phổ biến và thường được dùng để truy cập các phần tử của mảng.

 Các chỉ thị mode cục bộ: (có thể <= 12 bit) chỉ ra một vị trí

tương đối (độ dịch hay offset) so với SP và được dùng để truy cập các biến cục bộ

4.3.2 Vấn đề đánh địa chỉ bộ nhớ chính và

bộ nhớ ngăn xếp

 LODD, STOD, ADDD, SUBD: sd mode địa chỉ trực tiếp

 LODL, STOL, AD, DL, SUBL sd mode địa chỉ cục bộ

 JUMP: chỉ thị nhảy không điều kiện

 JPOS, JZER, JNEG, JNZE: nhảy có điều kiện

 LOCO: nạp 1 hằng số 12 bit vào AC

 PSHI: đẩy word có địa chỉ nằm trong AC lên stack

 POPI: Lấy 1 word ra khỏi stack và chứa nó vào một word của bộ nhớ có địa chỉ nằm trong AC

 SWAP: hoán vị nội dung AC và SP

 INSP, DESP: thay đổi SP một lượng đã biết trong lúc biên dịch

 Call: gọi thủ tục sau khi đã cất địa chỉ trở về vào stack

4.3.3 Tập vĩ chỉ thị

Mã nhị phân (Binary) (Mnemonic) Ký hiệu Thực hiện Giải thích

4.3.3 Tập vĩ chỉ thị

Mã nhị phân (Binary) (Mnemonic) Ký hiệu Thực hiện Giải thích

1100xxxxxxxxxxxx JNEG Jump negative if ac < 0 then pc:=x 1101xxxxxxxxxxxx JNZE Jump nonzero if ac <> 0 then pc:=x

4.3.3 Tập vĩ chỉ thị

Mã nhị phân (Binary) (Mnemonic Ký hiệu

)

Thực hiện Giải thích

1110xxxxxxxxxxxx CALL Call procedure sp:=sp-1; m[sp]:=pc; pc:=x

1111000000000000 PSHI Push indirect sp:=sp-1; m[sp]:=m[ac]

1111001000000000 POPI Pop indirect m[ac]:=m[sp]; sp:=sp+1

1111010000000000 PUSH Push onto stack sp:=sp-1; m[sp]:=ac

1111011000000000 POP Pop from stack ac:=m[sp]; sp:=sp+1

4.4.1 Ngôn ngữ Vi assembly

 Để chỉ rõ việc sử dụng các chức năng 0, 1, 2 và 3

của ALU, chúng ta viết:

ac:=a+ac a:=band(ir,smask) ;# band = "Boolean and“ ac:=a

a:=inv(a) ;# inv = “invert”

 Các thao tác dịch trái và dịch phải có thể được ký

hiệu là lshift và rshift, như:

tir:=lshift(tir+tir)

C O N D

A L U

S H

M B R

M A R

R D

W R

E N

C C B A

A D D R

Mar := pc; rd 0 0 2 0 0 1 1 0 0 0 0 0 00

Rd 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 00

ir := mbr 1 0 2 0 0 0 0 0 1 3 0 0 00

pc := pc+1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 6 0 00

Mar := ir; mbr := ac; wr 0 0 2 0 1 1 0 1 0 0 3 1 00

alu := tir; if n then goto 15 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 4 15

ac := inv (mbr) 1 0 3 0 0 0 0 0 1 1 0 0 00

tir := lshift (tir); if n then goto 25 0 1 2 2 0 0 0 0 1 4 0 4 25

alu := ac; if z then goto 22 0 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 22

ac :=band(ir, amask); goto 0 0 3 1 0 0 0 0 0 1 1 8 3 00

sp := sp + (-1); rd 0 0 0 0 0 0 1 0 1 2 2 7 00

tir := lshift(ir+ir); if n then goto

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

 Giống mọi chương trình thông dịch, vi chương trình của chúng ta có một vòng lặp chính:

 Lấy chỉ thị về (fetch): bắt đầu từ dòng 0

 Giải mã (decode): dòng 2-5 (đây là một trong các nhánh)

 Thi hành (execute): dòng 6-8 (đây là một trong các nhánh, thực hiện LODD)

0: mar := pc; rd; {main loop Fetch an Instruction}

1: pc := pc+1; rd; {increment pc, and keep on reading}

2: ir := mbr; if n then goto 28; {save, if opcode = 1xxx.12x then goto 28}

3: tir :=lshift(ir+ir); if n then goto 19; {if opcode = 01xx.12x then goto 19 else next line}

4: tir := lshift(tir); if n then goto 11; {000x or 001x?}

5: alu := tir; if n then goto 9; {0000 or 0001?}

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

0: mar := pc; rd; {main loop Fetch an Instruction}

1: pc := pc+1; rd; {increment pc, and keep on reading} 2: ir := mbr; if n then goto 28; {save, if opcode = 1xxx.12x then goto 28}

3: tir :=lshift(ir+ir); if n then goto 19; {if opcode = 01xx.12x then goto 19 else

next line}

4: tir := lshift(tir); if n then goto 11; {000x or 001x?}

5: alu := tir; if n then goto 9; {0000 or 0001?}

{ ↓ opcode = 0001.12x - STOD - ↓ }

9: mar := ir; mbr := ac; wr; {STOD: mar := operand add, and write}

10: wr; goto 0; {keep on writing, going to fetch a next instruction}

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

0: mar := pc; rd; {main loop Fetch an Instruction}

1: pc := pc+1; rd; {increment pc, and keep on reading} 2: ir := mbr; if n then goto 28; {save, if opcode = 1xxx.12x then goto 28} 3: tir :=lshift(ir+ir); if n then goto 19; {if opcode = 01xx.12x then goto 19

else next line}

4: tir := lshift(tir); if n then goto 11; {000x or 001x?}

{ ↓ opcode = 001x.12x - ADDD or SUBD - ↓ }

11: alu := tir; if n then goto 15; {0010 or 0011?}

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

0: mar := pc; rd; {main loop Fetch an Instruction}

1: pc := pc+1; rd; {increment pc, and keep on reading}2: ir := mbr; if n then goto 28; {save, if opcode = 1xxx.12x then goto 28}

3: tir :=lshift(ir+ir); if n then goto 19; {if opcode = 01xx.12x then goto 19 else next line}4: tir := lshift(tir); if n then goto 11; {000x or 001x?}

{↓opcode = 001x.12x - ADDD or SUBD -↓}

11: alu := tir; if n then goto 15; {0010 or 0011?}

{↓opcode = 0011.12x - SUBD -↓}

15: mar := ir; rd; {SUBD: mar := operand add, and read}

16: ac := ac + 1; rd; {keep on reading while executing ac := ac+1}

17: a := inv(mbr); {Note: x - y = x + 1 + not y}

18: ac := ac + a; goto 0; {ac := ac+not.m[x] + 1; going to fetch a next instruction}

4.4.2 Thí dụ về một vi chương trình

0: mar := pc; rd; {main loop Fetch an Instruction}

1: pc := pc+1; rd; {increment pc, and keep on reading} 2: ir := mbr; if n then goto 28; {save, if opcode = 1xxx.12x then goto 28}

3: tir :=lshift(ir+ir); if n then goto 19; {if opcode = 01xx.12x then goto 19

else next line}

{ ↓ opcode = 01xx.12x - ↓ }

19: tir := lshift(tir); if n then goto 25; {if opcode = 011x.12x then goto 25 else next line}

20: alu := tir; if n then goto 23; {if opcode = 0101.12x then goto 23 else next line}

{ ↓ opcode = 0100.12x - JPOS - ↓ }

21: alu := ac; if n then goto 0 {JPOS: if ac < 0 then going to jump}

22: pc := band(ir, amask); goto 0; {calc add to jump, and perform the jump}

{ ↑ - JPOS - ↑ }