Kiến trúc tập lệnh1

Kiến trúc tập lệnh1

Nội dung Xem lại cách thực thi một chương trình Phân loại lệnh trong MIPS Truy cập bộ nhớ trong MIPS Chi tiết về các toán tử Add, sub, etc. Chi tiết về các lệnh chuyển đổi dữ liệu Load, store Chi tiết về các lệnh điều khiển Jump, branch if equal

Thực thi lệnh Today we re going to learn the details!

Thực thi chương trình Bộ xử lý thực thi chương trình như thế nào? 1. Tải lệnh 2. Tìm ra toán tử được sử dụng 3. Tìm ra dữ liệu nào được sử dụng 4. Thực hiện tính toán 5. Tìm lệnh tiếp theo Lặp lại quá trình Bài giảng nhấn mạnh sự thực thi trong bộ xử lý MIPS

Ví dụ: Tập lệnh MIPS Định dạng trường lệnh 3 toán hạng : Complex operation many instructions with temporary values.

Phân loại tập lệnh Toán tử Số học (add, multiply, subtract, divide, ) Logic (and, or, not, xor, ) Dịch chuyển dữ liệu Move (register to register) Load (memory to register) Store (register to memory) Điều khiển dữ liệu Branch (có điều kiện, e.g., <, >, ==) Jump (không điều kiện, e.g., goto)

Bảng tham khảo định dạng lệnh

Tập thanh ghi trong MIPS 32 Thanh ghi đa dụng. Kí hiệu R0 R31 hoặc $0 $31 Các biến phải lưu trên thanh ghi. Một số trường hợp đặc biệt. R0 luôn có giá trị zero (0) R29 là thanh ghi con trỏ ngăn xếp R31 được sử dụng cho thủ tục quay lại địa chỉ Câu hỏi: Tại sao giá trị thanh ghi R0 luôn bằng 0? Trả lời: Luôn cần giá trị 0 trong một chương trình Move: add dest, src, R0 Một số thanh ghi đặc biệt. PC (Program Counter): Thanh ghi lệnh hiện tại HI & LO: lưu kết quả của phép nhân Thanh ghi dấu phẩy động Một số thanh ghi điều khiển (kiểm soát lỗi hoặc trạng thái)

Tổ chức bộ nhớ Bộ nhớ là một mảng 1 chiều lưu trữ dữ liệu Mỗi ô nhớ có kích thước 1 byte (8 bits) Địa chỉ bộ nhớ trong mảng Địa chỉ bộ nhớ được đánh chỉ số trên mảng Máy tính 32 bits, có 2 32 ô nhớ (4GB) Máy tính 64 bit, có 2 64 ô nhớ (16EB) 64-bit x86 lên tới ~48 bits một ô nhớ (4PB).

Dữ liệu: Kiểu và kích thước Các kiểu dữ liệu trong MIPS được định nghĩa là 1 từ Một từ gồm 32 bits = 4 bytes 2 32 bytes = 2 30 words: addresses 0, 4, 8, Câu hỏi: Đâu là 2 bit cuối cùng trong một địa chỉ từ?

Truy nhập alignment (Access alignment) Địa chỉ Alignment : Tạo trên 4 byte (word) ở đường biên (e.g., 0, 4, 8, 12 ) Dữ liệu được lưu trữ ở địa chỉ byte chia hết cho kích thước Địa chỉ Unalignment thì không (e.g., 1, 3, 7, 63) Một số kỹ thuật hỗ trợ truy cập Unaligment (not MIPS) Phần cứng có thể chuyển đổi thành đa truy cập định tuyến (complex) Phần cứng có thể dò được và có phần mềm cố định truy cập không định tuyến (slow) Một số nhược điểm 2 truy cập bộ nhớ cộng gộp tạo ra dữ liệu unaligned Intel cung cấp hỗ trợ thực thi mức cao trên vào năm 2010 (Nehalem)

Processor execution model Bộ xử lý thực thi lệnh theo 2 chế độ sequential và atomic Sequential: Thực thi các lệnh tuần tự Atomic: Thực thi lệnh cùng một lúc Sequential Chương trình : R2 = R1 + R2 then R3 = R1 + R2 Processor may not do: R3 = R1 + R2 then R2 = R1 + R2 wrong result Atomic Chương trình : R2 = R1 + R2 then R3 = R1 + R2 Bộ xử lý phải thực hiện xong tính toán: R2= R1 + R2 trước khi bắt đầu tính R3 = R1 + R2 Processors don t do either of these things (too slow) But it s important that they make it look like they do We ll talk a lot about this when we get to pipelines Question: Why do we care about in order and atomic execution? Answer: Without it we could not understand the program.

Máy tính lưu trữ chương trình Chương trình và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ Các lệnh phải được nạp từ bộ nhớ để thực thi Dữ liệu phải được nạp từ bộ nhớ để tính toán

Ví dụ: Các chỉ thị lệnh Phép toán (Data operations) Số học (add, multiply, subtract, divide, ) Logic (and, or, not, xor, ) Dịch chuyển dữ liệu (Data transfer) Move (register to register) Load (memory to register) Store (register to memory) Rẽ nhánh (Sequencing) Branch (conditional, e.g., <, >, ==) 1. Data operations: add/sub 2. Data transfers: load word/store word 3. Sequencing: Jump (unconditional, e.g., goto) Branch/jump

Chi tiết về các chỉ thị lệnh 1. Program Counter (PC) lưu trữ địa chỉ lệnh. 2. Các lệnh được nạp từ bộ nhớ vào thanh ghi lệnh. 3. Bộ điều khiển giải mã lệnh và báo cho ALU và tệp thanh ghi phải làm gì. 4. ALU thực thi lệnh và kết quả được chuyển lại tệp thanh ghi. 5. Bộ điều khiển cập nhật lại giá trị của PC cho lệnh tiếp theo.

Add/sub example (1 of 2)

Add/sub example (2 of 2) Bộ đếm chương trình (PC) nạp lệnh từ thanh ghi lệnh Control báo cho ALU và thanh ghi dữ liệu (Register File) phải làm gì. ALU ghi kết quả vào Register File.

Thực hành: add/sub f=(g+h) (i+j) R3=f R4=g R5=h R6=i R7=j

Các lệnh dịch chuyển dữ liệu

Chi tiết về dịch chuyển dữ liệu 1. ALU tạo ra địa chỉ 2. Địa chỉ gửi tới thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (Memory Address Register) 3. Kết quả xác định hướng dịch chuyến đi/ đến được lưu trữ trên thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (Memory Data Register) 4. Dữ liệu từ bộ nhớ có thể được ghi lại trên tệp thanh ghi (Register File) hoặc ghi vào bộ nhớ.

Load word example (1 of 2)

Load word example (2 of 2) Sử dụng địa chỉ từ thanh ghi tệp để tải dữ liệu từ bộ nhớ

Load word with offset (độ lệch) Độ lệch được thêm vào địa chỉ như là một phần của các câu lệnh lw/sw

Store word example Để thực hiện lưu trữ cần thông tin: Địa chỉ (từ ALU), dữ liệu (từ thanh ghi)

Bài tập Biến A = 3 Địa chỉ của A = 24 Program: Ghi giá trị 512 vào A Lấy địa chỉ của A trong R5 Lấy giá trị mới của A trong R6 Lưu giá trị R6 vào ô nhớ 5: Mem[R5] R6

Các chỉ thị điều khiển, rẽ nhánh

Các lệnh điều khiển rẽ nhánh Lệnh điều khiển rẽ nhánh Câu lệnh nào được thực thi tiếp theo? Thay đổi luồng điều khiển chương trình control flow Câu lệnh điều kiện trong MIPS bne R0, R1, Label branch if not equal to label beq R3, R4, Label branch if equal to label Example:

Lệnh nhảy không điều kiện Lệnh nhảy không điều kiện: jump j Label jump to label Example:

Chỉ thị rẽ nhánh Change the flow of the program change the Program Counter j jump goto label no matter what bne branch not equal goto label only if registers are not equal Example: if (a==b) c=1; else c=2;

Vòng lặp