HỆ THỐNG MÁY TÍNH VÀ NGÔN NGỮ C CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 CHƯƠNG 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 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản Vào năm 1946, John von Neumann đã đưa ra một mô hình máy tính cơ bản để xử lý các chương trình máy tính gồm năm bộ phận cơ bản: - bộ nhớ (memory) - đơn vị xử lý (processing unit) - thiết bị nhập (input) - thiết bị xuất (output) - đơn vị điều khiển (control unit). Chương trình máy tính được chứa trong bộ nhớ của máy tính. Việc điều khiển thứ tự các lệnh cần thực hiện sẽ do đơn vị điều khiển đảm trách. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1 Bộ nhớ (Memory) Tổng quát, với số bit địa chỉ là k, chúng ta có thể biểu diễn được 2k phần tử nhớ.
Với kiến trúc tập lệnh của máy tính LC-3, chúng ta có không gian địa chỉ là 216, và mỗi phần tử dài 16 bit. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1 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). CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1 Bộ nhớ (Memory) Lưu một giá trị vào một ô nhớ: - Ghi địa chỉ của ô nhớ đó vào thanh ghi MAR và giá trị cần lưu vào thanh ghi MDR.
- Tín hiệu Write Enable tích cực. - Khi đó, thông tin đang ở trong thanh ghi MDR sẽ được ghi vào ô nhớ có địa chỉ trong thanh ghi MAR. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.1 Bộ nhớ (Memory) CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.2 Đơn vị xử lý (Processing Unit) Đơn vị xử lý là bộ phận thực sự trong máy tính xử lý thông tin. (chia, căn bậc hai, ….
) Theo mô hình von Neumann bộ phận xử lý chính là đơn vị số học luận lý ALU (Arithmetic Logic Unit) vì nó có thể thực hiện các phép tính số học như cộng, trừ, và các thao tác logic cơ bản như AND, OR, và NOT. Các thao tác mà ALU của LC-3 có thể thực hiện là ADD, AND, và NOT. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.2 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.) CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.2 Đơn vị xử lý (Processing Unit) Ngoài ra, để thực hiện tốt thao tác trong thời gian ngắn nhất, trong đơn vị xử lý còn có một bộ nhớ tạm, đó là tập các thanh ghi, mỗi thanh ghi có cấu trúc như trong mục 3. Kích thước của thanh ghi luôn bằng với kích thước của toán hạng đầu vào của ALU, có nghĩa là mỗi thanh ghi chứa một từ máy.
LC-3 có tám thanh ghi (R0, R1, …, R7), mỗi thanh ghi dài 16 bit. Cấp ISA của SPARC-V9 có 32 thanh ghi (R0, R1, …, R31), mỗi thanh ghi dài 64 bit. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.3 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. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.4 Đơn vị điều khiển (Control Unit) Đơn vị điều khiển cũng như nhạc trưởng của một dàn nhạc, nó có nhiệm vụ làm tất cả các bộ phận khác làm việc với nhau. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.1 Các thành phần cơ bản 4.4 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),. CHƯƠNG 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 đầu mũi tên tô đặc ký hiệu cho các phần tử dữ liệu chạy theo đường truyền tương ứng. Các đầu mũi tên không tô đặc ký hiệu cho các tín hiệu điều khiển dùng để điều khiển các phần tử khác hoạt động. CHƯƠNG 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. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 2.
Xuất/ Nhập (Input/Output) :Gồm bàn phím và màn hình. Để thao tác với bàn phím, ta có hai thanh ghi, thanh ghi dữ liệu KBDR (Keyboard Data Register) giữ mã ASCII của các phím đã được nhấn, và thanh ghi trạng thái KBSR (Keyboard Status Register) lưu thông tin về trạng thái của phím được ấn. Màn hình cũng cần hai thanh ghi để làm việc, thanh ghi DDR (Display Data Register) giữ mã ASCII của cái cần hiển thị, và thanh ghi DSR (Display Status Register) giữ thông tin về trạng thái hoạt động của màn hình. CHƯƠNG 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). CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 4. Đơn vị điều khiển (Control unit) gồm tất cả các phần tử cần thiết để quản lý quá trình đang được máy tính xử lý. Cấu trúc quan trọng nhất là máy trạng thái hữu hạn (Finite state machine), điều khiển tất cả các hoạt động.
Nó hoạt động theo từng bước, từ chu kỳ xung clock này qua chu kỳ xung clock khác(CLK) Thanh ghi IR (instruction register) cũng là một đầu vào của máy trạng thái hữu hạn, để xác định các thao tác cần thực hiện trong quá trình thực thi lệnh LC-3 đang có trong thanh ghi IR. Thanh ghi PC (program counter) cũng là một phần của đơn vị điều khiển, nó theo dõi lệnh kế cần được thực thi sau khi lệnh hiện thời hoàn thành. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.2 Một ví dụ về mô hình von Neumann: LC-3 Chú ý, tất cả đầu ra từ máy trạng thái hữu hạn trong hình 4.3 đều là các tín hiệu điều khiển, nên chúng đều có đầu mũi tên rỗng. Ví dụ, một trong các đầu ra là 2 bit ALUK, dùng để quy định thao tác mà ALU cần thực hiện (add, and, và not) trong chu kỳ xung clock hiện hành.
Đầu ra khác là GateALU, để quyết định việc xuất dữ liệu ra processor bus. CHƯƠNG 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. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.1 Lệnh Đơn vị cơ bản nhất của quá trình xử lý của máy tính là lệnh.
Lệnh gồm hai phần, mã lệnh (opcode) và toán hạng (operand). Với LC-3, mỗi lệnh gồm 16 bit, được đánh số từ trái qua phải từ bit[15] tới bit[0]. Bit[15:12] chứa opcode. Điều này có nghĩa là có tổng cộng 24 mã lệnh khác nhau.
Các bit từ bit[11:0] được dùng để xác định toán hạng. CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4. 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: CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH LC-3 4.3 Quá trình xử lý lệnh 4.2: Lệnh LDR (LD xuất phát từ Load) sẽ vào ô nhớ được xác định, đọc dữ liệu và lưu nó vào thanh ghi.
Lệnh này có hai toán hạng là giá trị đọc được từ ô nhớ và thanh ghi đích.