Khoa KH & KT Máy tính pdf

Khoa KH & KT Máy tính Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Phạm Tường ng Nguyễn Quốc Hải Tuấn Tài liệu tham khảo “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L Hennessy & David A Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 Chương Kiến trúc Máy tính - Chap 04 4.1 Dẫn nhập Máy tính biểu diễn thơng tin dạng nhị phân Các đại lượng số đếm biểu diễn dạng nhị phân Một số câu hỏi thường gặp • • • • Cách biểu diễn số đếm máy tính ? Các giới hạn biểu diễn số đếm ? Cách tính tốn số nhị phân ? Số thực ? v.v Nội dung chương bao gồm • • • • Biểu diễn số đếm máy tính Các giải thuật tính tốn Phần cứng thực giải thuật tính tốn Nhóm lệnh tính tốn Kiến trúc Máy tính - Chap 04 4.2 Số ngun có dấu khơng dấu MIPS biểu diễn số ngun theo từ (word) có kích thước 32 bit Td biểu diễn giá trị 10112 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1011 • Bit trọng số thấp (least significant bit) nằm bên phải • Bit trọng số cao (most significant bit) nằm bên trái Tầm vực giá trị biểu diễn số nguyên khơng dấu • Nhỏ , lớn 232 – (4.294.967.295) 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 Các bit khơng có nghĩa bit nằm bên trái số đếm Kiến trúc Máy tính - Chap 04 MIPS biểu diễn số nguyên âm theo bù • Bit dấu (sign bit) bit nằm phía trái • Tầm vực giá trị biểu diễn từ - 2(32-1) 2(32-1) -1 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 Vấn đề mở rộng dấu (sign extension) • Td biểu diễn giá trị -5 toán hạng bit 1111 1011 toán hạng 16 bit 1111 1111 1111 1011 toán hạng 32 bit 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011 • Lưu ý bit khơng có nghĩa ? Các lệnh liên quan đến số ngun có dấu khơng dấu • lb lbu , slt sltu , slti sltiu Kiến trúc Máy tính - Chap 04 4.3 Cộng trừ Cộng trừ nhị phân theo số bù Kết phép cộng/trừ vượt giới hạn biểu diễn ? • Tràn bit (carry) • Tràn dấu (overflow) • Điều kiện gây tràn dấu • Xử lý tràn ? Phép toán A B Kết A + B ≥ ≥ < A + B < < ≥ A - B ≥ < < A - B < ≥ ≥ Các lệnh số học • Cộng/trừ số nguyên có dấu add , addi , sub sinh ngoại lệ (exception) thơng báo đến điều khiển • Cộng/trừ số nguyên không dấu addu , addiu , subu Thanh ghi EPC (exception program counter) chứa địa câu lệnh sinh ngoại lệ • Lệnh mfc0 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 reg , $epc (move from system control) Phân tích đoạn chương trình sau addu $t0 , $t1 , $t2 xor $t3 , $t1 , $t2 slt $t3 , $t3 , $zero bne $t3 , $zero , No_overflow xor $t3 , $t0 , $t1 slt $t3 , $t3 , $zero bne $t3 , $zero , Overflow Kiến trúc Máy tính - Chap 04 Phân tích đoạn chương trình sau addu $t0 , $t1 , $t2 nor $t3 , $t1 , $zero sltu $t3 , $t3 , $t2 bne $t3 , $zero , Overflow Kiến trúc Máy tính - Chap 04 4.4 Các phép toán luận lý Các phép toán luận lý • and , andi • or , ori Các lệnh dịch (shift) • Dịch luận lý (logical shift) sll rd , rt , shamt srl rd , rt , shamt • Dịch số học (arithmetic shift) sra rd , rt , shamt sllv rd , rt , rs srlv rd , rt , rs srav rd , rt , rs Dạng thức lệnh dịch trái luận lý • Td sll $t2 , $s0 , 0 16 10 op rs rt rd shamt funct Kiến trúc Máy tính - Chap 04 10 Mạch nhân dạng • Sơ đồ khối • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 04 18 Mạch nhân dạng • Sơ đồ khối • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 04 19 Nhân số ngun có dấu • Nhân phần trị tuyệt đối, sau xác định dấu cho tích số • Giải thuật Booth: ai-1 Thực chuỗi bit số nhân 0 Khơng làm Cộng thêm số bị nhân Trừ số bị nhân 1 Khơng làm Nhân tập lệnh MIPS • Tích số giá trị 64 bit chứa cặp ghi hi lo • Lệnh nhân mult rs , rt multu rs , rt • Lệnh chuyển liệu tích số mfhi rd mflo rd Kiến trúc Máy tính - Chap 04 20 4.7 Mạch chia Phép toán chia Số bị chia (Dividend) 10010102 - 1000 10 101 1011 - 1000 Số dư (Remainder) 10002 Số chia (Divisor) 10012 Thương số (Quotient) 10 Hiện thực • Bằng chương trình dựa phép tốn cộng/trừ • Bằng mạch phần cứng Kiến trúc Máy tính - Chap 04 21 Mạch chia dạng • Sơ đồ khối • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 04 22 Mạch chia dạng • Sơ đồ mạch • Giải thuật ? • Minh họa Mạch chia dạng • Sơ đồ mạch Kiến trúc Máy tính - Chap 04 23 Mạch chia dạng (tt) • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 04 24 Chia số ngun có dấu • Chia phần trị tuyệt đối, sau xác định dấu cho thương số Chia tập lệnh MIPS • Sử dụng ghi hi để chứa số dư lo để chứa thương số • Lệnh chia div rs , rt divu rs , rt • Lệnh chuyển liệu thương số số dư mfhi rd mflo rd Kiến trúc Máy tính - Chap 04 25 4.8 Số thực dấu chấm động Biểu diễn số thực • Cơng thức tng quỏt (-1)Sign ì Significand ì 2Exponent ã Dng thc 32 bit b31 b30 b23 b22 s exponent significand 1bit bits B0 23 bits • Dạng thức 64 bit b63 b62 b52 b51 s exponent significand 1bit 11 bits b0 52 bits Kiến trúc Máy tính - Chap 04 26 MIPS biểu diễn số thực dấu chấm động theo chuẩn IEEE 754 Chuẩn IEEE 754 ã Cụng thc (-1)Sign ì (1 + Significand) ì 2(Exponent – Bias) • Phần significand biểu diễn giá trị có độ lớn nằm từ đến • Phần bias exponent 127 • Thí dụ Biểu diễn dạng IEEE 754 giá trị -0.75 ? • Thí dụ Xác định giá trị thập phân số thực dấu chấm động 32-bit sau 10000001 0100000000000000000000000000 ? Kiến trúc Máy tính - Chap 04 27 Cộng số thực • Giải thuật • Minh họa (cơ số 10) 9.999 × 101 + 1.610 × 10-1 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 28 Nhân số thực • Gii thut ã Minh (c s 10) 1.110 ì 1010 × 9.200 × 10-5 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 29 Lệnh số thực MIPS • MIPS có coprocessor để tính tốn số thực 32-bit (single) lẫn 64-bit (double) • Các ghi số thực (32 bit) l $f0 ữ $f31 ã ghi 32-bit dùng để chứa giá trị double • Lệnh cộng add.s fd , fs , ft add.d fd , fs , ft • Lệnh trừ sub.s fd , fs , ft sub.d fd , fs , ft • Lệnh nhân mul.s fd , fs , ft mul.d fd , fs , ft Kiến trúc Máy tính - Chap 04 30 Lệnh số thực MIPS (tt) • Lệnh chia div.s div.d fd , fs , ft fd , fs , ft • Lệnh so sánh fs , ft fs , ft lt le bclt bclf lwcl swcl Với cond • Lệnh rẽ nhánh c.cond.s c.cond.d eq neq ft , address ft , address gt ge • Lệnh Load/Store Kiến trúc Máy tính - Chap 04 31 Bài tập “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 4.12 , 4.13 , 4.20 4.23 , 4.24 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 32 ... Kiến trúc Máy tính - Chap 04 16 Mạch nhân dạng • Sơ đồ kh? ??i • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 04 17 Mạch nhân dạng • Sơ đồ kh? ??i • Giải thuật • Minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap... approach”, John L Hennessy & David A Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 04 Chương Kiến trúc Máy tính - Chap 04 4.1 Dẫn nhập Máy tính biểu diễn thơng... biểu diễn số đếm máy tính ? Các giới hạn biểu diễn số đếm ? Cách tính tốn số nhị phân ? Số thực ? v.v Nội dung chương bao gồm • • • • Biểu diễn số đếm máy tính Các giải thuật tính tốn Phần cứng