Bài giảng môn Cấu trúc máy tính - Tổ chức máy tính

TỔ CHỨC MÁY TÍNH MÃ LỆNH Giới thiệu một máy tính cơ bản và cho thấy cách thức hoạt động qua các mệnh đề thanh ghi. Tổ chức máy tính xác định qua các thanh ghi, cấu trúc định thời, điều khiển và tập lệnh. Từ đó cho thấy cách thiết kế máy. Một máy tính đơn giản so với thực tế nhưng đủ để hiểu được qui trình thiết kế. MÃ LỆNH Tổ chức bên trong máy tính được xác định qua một loạt vi tác vụ thực hiện trên dữ liệu thanh ghi. Máy tính đa dụng có khả năng thực hiện nhiều vi tác vụ. Ngoài ra có thể điều khiển nó thực hiện các tác vụ theo yêu cầu. MÃ LỆNH Người dùng điều khiển máy tính thông qua chương trình. Chương trình là tập lệnh xác định các tác vụ, tác tố và trình tự xử lý. Tác vụ thay đổi dữ liệu có thể thay bằng chương trình mới hoặc cùng chương trình nhưng với dữ liệu mới. MÃ LỆNH Lệnh máy là một mã nhị phân xác định dãy vi tác vụ. Mã lệnh cùng với dữ liệu được lưu trong bộ nhớ. Máy tính đọc từng lệnh trong bộ nhớ và đặt vào một thanh ghi điều khiển. Mạch điều khiển diễn dịch mã nhị phân của lệnh và thi hành qua một dãy vi tác vụ. Mỗi máy có một bộ lệnh riêng. MÃ LỆNH Mã lệnh là nhóm bit ra lệnh cho máy thực hiện một tác vụ nào đó. Mã lệnh được phân thành nhiều phần. Phần cơ bản nhất của mã lệnh là mã tác vụ. Đó là nhóm bit xác định các tác vụ như: cộng, trừ, nhân, dịch và bù. Số bit dành cho mã tác vụ tùy theo số tác vụ của máy. Mã tác vụ dài n bit cho 2n tác vụ khác nhau. MÃ LỆNH Xét một máy có 64 tác vụ khác nhau, một trong số đó tác vụ ADD. Mã tác vụ gồm 6 bit với mã 110010 dành cho tác vụ ADD. Khi đơn vị điều khiển giải mã tác vụ này, máy tạo ra các tín hiệu điều khiển đọc một tác tố trong bộ nhớ rồi cộng vào một thanh ghi. MÃ LỆNH Cần nhận rõ quan hệ giữa mã tác vụ và vi tác vụ. Mã tác vụ là một phần của lệnh lưu trong bộ nhớ. Nó là mã nhị phân báo cho máy biết thực hiện một tác vụ nhất định. Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ và diễn giải mã tác vụ. Sau đó phát ra dãy tín hiệu điều khiển khởi động vi tác vụ. MÃ LỆNH Với mỗi mã tác vụ, đơn vị điều khiển phát hành dãy vi tác vụ cần cho phần cứng của tác vụ đó. Vì vậy người ta còn gọi mã tác vụ là vĩ tác vụ vì nó xác định một tập vi tác vụ. Phần mã tác vụ trong mã lệnh xác định tác vụ được thực hiện. Tác vụ này phải được thực hiện với dữ liệu trong thanh ghi hoặc bộ nhớ. MÃ LỆNH Do đó, ngoài mã tác vụ, mã lệnh phải xác định thanh ghi/ từ nhớ chứa tác tố/ kết quả. Từ nhớ trong mã lệnh xác định qua địa chỉ. Một trong 2k thanh ghi xác định bằng mã nhị phân k bit. Có nhiều cách sắp xếp mã nhị phân trong lệnh tùy theo kiến trúc của máy. TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH Tổ chức máy tính đơn giản nhất là có một thanh ghi xử lý và một mã lệnh gồm 2 phần. Phần đầu xác định tác vụ, phần sau xác định địa chỉ. Địa chỉ cho biết nơi chứa tác tố trong bộ nhớ. Tác tố được đọc từ bộ nhớ dùng làm dữ liệu cùng với dữ liệu trong thanh ghi xử lý. TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH Lệnh và dữ liệu lưu riêng. Bộ nhớ có 4096 từ, cần 12bit địa chỉ vì 212 = 4096. Nếu lưu mã lệnh trong từ nhớ 16bit, ta có 4bit cho mã tác vụ và 12bit cho địa chỉ. Máy có một thanh ghi xử lý thường gọi là thanh ghi tích lũy và đặt là AC. TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH Nếu tác vụ trong mã lệnh không cần tác tố trong bộ nhớ thì có thể dùng phần còn lại trong lệnh cho việc khác. Ví dụ các lệnh xóa/ bù/ tăng AC xử lý dữ liệu trên AC không cần tác tố trong bộ nhớ nên các bit từ 0 đến 11 có thể dùng cho tác vụ khác. ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP Khi phần sau của mã lệnh là địa chỉ của tác tố, lệnh gọi là có địa chỉ trực tiếp. Khi phần sau của địa chỉ là địa chỉ của từ nhớ chứa địa chỉ của tác tố, lệnh gọi là có địa chỉ gián tiếp. ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP Hình 7.2 ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP (Hình a) Bit đầu mã tác vụ I cho biết kiểu địa chỉ, 0 là trực tiếp, 1 là gián tiếp. (Hình b) Lệnh tại địa chỉ 32 có kiểu địa chỉ trực tiếp sẽ cộng tác tố tại địa chỉ 457 với AC. (Hình c) Lệnh tại địa chỉ 35 có kiểu địa chỉ gián tiếp sẽ cộng tác tố tại địa chỉ 1350 với AC. Địa chỉ hiệu dụng là địa chỉ tác tố trong lệnh tính toán hoặc địa chỉ đích trong lệnh nhánh. Địa chỉ hiệu dụng (hình b: là 457, hình c: là 1350) TẬP THANH GHI Ngoài thanh ghi AC, máy còn cần một số thanh ghi khác. TẬP THANH GHI Thanh ghi và bộ nhớ máy tính cơ bản TẬP THANH GHI Là các thanh ghi cùng bộ nhớ gồm 4096 từ 16bit. PC chứa địa chỉ lệnh kế tiếp sẽ được thực hiện (có thể là lệnh liền kề hoặc ở nơi khác nếu là lệnh nhánh) IR chứa lệnh được đọc bộ nhớ vào. INPR/OUTR chứa các ký tự đọc viết từ ngoài. Hình7.4 TẬP LỆNH Máy có 3 dạng mã lệnh: - Lệnh tham chiếu bộ nhớ. - Lệnh tham chiếu thanh ghi. - Lệnh nhập – xuất. Tuy chỉ có 3bit dùng làm mã tác vụ (như vậy có 8 lệnh), nhưng các lệnh tham chiếu thanh ghi và nhập xuất dùng 12bit còn lại làm một phần mã tác vụ nên số lệnh sẽ nhiều hơn. TẬP LỆNH Tập lệnh được gọi là đầy đủ nếu có đủ số lệnh cho từng loại sau: - Lệnh số học, luận lý và dịch. - Lệnh chuyển dữ liệu vào ra giữa bộ nhớ và các thanh ghi xử lý. - Lệnh điều khiển chương trình và lệnh kiểm các điều khiển trạng thái. - Lệnh nhập xuất.