Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer organization)

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer organization) trình bày những nội dung chính sau: Kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính, cấu trúc từ trên xuống máy tính và kết nối, bộ nhớ cache, bộ nhớ trong, đầu vào/đầu ra, máy tính số học, lệnh máy tính: đặc điểm và chức năng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 01&02 TỔNG QUAN SỰ GIỚI THIỆU 1.1 Kiến trúc máy tính tổ chức máy tính  Kiến trúc máy tính đề cập đến thuộc tính hệ thống hiển thị cho lập trình viên, nói cách khác , thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực hợp lý chương trình  Ví dụ , Hướng dẫn , số lượng bit sử dụng cho liệu đại diện , chế I/O , kỹ thuật giải  Một vấn đề thiết kế kiến trúc cho máy tính có hướng dẫn  tổ chức máy tính dùng để đơn vị hoạt động mối liên kết họ mà nhận chi tiết kỹ thuật kiến trúc làm tính thực  Ví dụ thuộc tính tổ chức bao gồm  Các chi tiết phần cứng rõ ràng lập trình viên , chẳng hạn tín hiệu điều khiển ; giao diện máy tính thiết bị ngoại vi ; công nghệ nhớ sử dụng  Trong lịch sử , hôm , phân biệt kiến trúc tổ chức điều quan trọng  Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp gia đình mơ hình máy tính, tất có kiến trúc tương tự với khác biệt tổ chức  Do , mơ hình khác gia đình có đặc điểm giá hiệu suất khác  Một kiến trúc đặc biệt kéo dài nhiều năm bao gồm số mơ hình máy tính khác , tổ chức thay đổi với thay đổi công nghệ  kiến trúc IBM System / 370 Kiến trúc lần giới thiệu vào năm 1970 bao gồm số mơ hình  Trong năm qua , IBM giới thiệu nhiều mẫu với công nghệ cải tiến để thay mơ hình cũ , cung cấp tốc độ lớn , chi phí thấp , hai.Những mơ hình giữ lại kiến trúc giống  Tất gia đình Intel x86 chia sẻ kiến trúc giống 1.2 Cấu trúc Chức  Cấu trúc  cách thức mà thành phần liên quan đến  Chức  hoạt động thành phần cá nhân phần cấu trúc  Hệ thống máy tính mơ tả từ xuống Chúng ta bắt đầu với thành phần máy tính , mơ tả cấu trúc chức , tiến tới lớp thấp hệ thống phân cấp       hình.1.1 chức máy tính Chức  Xử lí liệu  lưu trữ liệu  di chuyển liệu  Điều khiển Xử lí liệu  Các liệu có nhiều hình thức , loạt yêu cầu xử lí rộng Tuy nhiên , thấy có vài phương pháp loại xử lý liệu lưu trữ liệu  Đó điều cần thiết mà cửa hàng máy tính liệu Ngay máy tính xử lý liệu nhanh chóng (ví dụ , liệu vào xử lý , kết lập tức) , máy tính tạm thời phải lưu trữ mẩu liệu làm việc lúc Như , có chức lưu trữ liệu ngắn hạn  Quan trọng khơng , máy tính thực chức lưu trữ liệu lâu dài File liệu lưu trữ máy tính để thu hồi cập nhật di chuyển liệu  Các máy tính phải có khả di chuyển liệu thân giới bên ngồi  mơi trường hoạt động máy tính bao gồm thiết bị phục vụ hai nguồn đích liệu  Khi nhận liệu giao cho thiết bị kết nối trực tiếp với máy tính , trình gọi đầu vào - đầu ( I / O ) , thiết bị gọi thiết bị ngoại vi  Khi liệu di chuyển khoảng cách dài hơn, từ thiết bị từ xa , q trình gọi truyền thơng liệu Điều khiển  Cuối , phải có kiểm sốt ba chức Lúc đó, kiểm sốt thực cá nhân ( những) người cung cấp máy tính với hướng dẫn  Trong máy tính, đơn vị kiểm sốt quản lý nguồn tài nguyên máy tính tổ chức hợp hiệu suất phận chức để đáp ứng với lệnh Cấu trúc  Các máy tính tương tác số thời trang với mơi trường bên ngồi  Nói chung , tất mối liên hệ với mơi trường bên ngồi phân loại thiết bị ngoại vi đường dây thông tin liên lạc   hình 1.2 Máy tính  Cấu trúc bên máy tính riêng , thể hình 1.3 bốn thành phần cấu trúc  đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) : Điều khiển hoạt động máy tính thực chức xử lý liệu ; thường gọi đơn giản xử lý  Bộ nhớ : Lưu trữ liệu  I / O : Di chuyển liệu máy tính mơi trường bên ngồi  Hệ thống kết nối: Một số chế cung cấp cho truyền thông CPU , nhớ , I / O Một ví dụ phổ biến hệ thống kết nối phương tiện hệ thống Bus, bao gồm số tiến dây mà tất thành phần khác đính kèm Có thể có nhiều thành phần nói Theo truyền thống , có xử lý Trong năm gần , có gia tăng sử dụng nhiều xử lý máy tính hình 1.3 máy tính : Cơ cấu Top-Level Thú vị số các thành phần phức tạp CPU thành phần cấu trúc sau :  Control unit : Điều khiển hoạt động CPU  Số học logic đơn vị ( ALU ) : Thực chức xử lý liệu máy tính  Registers : Cung cấp lưu trữ nội CPU  CPU interconnection(CPU kết nối): Một số chế cung cấp cho truyền thông thiết bị điều khiển , ALU , Registers 2.sự phát triển Máy tính Hiệu suất 2.1 Tóm tắt lịch sử máy tính  Tóm tắt lịch sử máy tính Thế hệ đầu tiên: ống chân khơng  ENIAC : Các ENIAC (Electronic Numerical Integrator máy tính ) , thiết kế xây dựng Đại học Pennsylvania , mục đích chung điện tử máy tính kỹ thuật số giới  Dự án phản ứng với nhu cầu Hoa Kỳ Thế chiến II  John Mauchly John Eckert  Bắt đầu năm 1943 hoàn thành năm 1946 Quá muộn cho nỗ lực chiến tranh  Được sử dụng năm 1955  Thập phân ( nhị phân )  20 ắc quy 10 chữ số  Lập trình tay cách  chuyển mạch cắm cáp rút  18.000 ống chân không  30  15.000 feet vuông  tiêu thụ điện 140 kW  5000 bổ sung lần  thứ hai  von Neumann / Turing  chương trình làm thay đổi cho ENIAC vô tẻ nhạt  Một máy tính nhận hướng dẫn cách đọc chúng từ nhớ chương trình thiết lập thay đổi cách thiết lập giá trị phần nhớ  Ý tưởng , biết đến khái niệm lưu trữ chương trình  Ấn phẩm ý tưởng đề nghị năm 1945, von Neumann cho máy tính mới, EDVAC (Electronic Discrete máy tính biến )  Alan Turing phát triển ý tưởng thời điểm  Năm 1946 , von Neumann đồng nghiệp ông bắt đầu thiết kế máy tính chương trình lưu trữ , gọi máy tính IAS , Viện Princeton nghiên cứu cao cấp  Các máy tính IAS , khơng hồn thành năm 1952, nguyên mẫu tất máy tính mục đích chung sau  Nó bao gồm  Một nhớ , lưu trữ liệu hướng dẫn  Một số học logic đơn vị ( ALU ) có khả hoạt động liệu nhị phân  Một đơn vị kiểm sốt, dịch lệnh nhớ làm cho chúng thực thi  Đầu vào đầu ( I / O ) thiết bị điều hành đơn vị kiểm soát      hình 2.1 Cấu trúc máy tính IAS Với trường hợp ngoại lệ hoi , tất máy tính ngày có cấu trúc chung giống chức gọi máy von Neumann Bộ nhớ IAS bao gồm 1.000 địa điểm lưu trữ , gọi từ nhớ, gồm 40 chữ số nhị phân (bit ) Cả hai liệu hướng dẫn lưu trữ Các số biểu diễn dạng nhị phân , lệnh mã nhị phân Mỗi số đại diện bit dấu giá trị 39 -bit Một chữ chứa hai hướng dẫn 20 -bit , với dẫn bao gồm mã hoạt động - bit ( opcode ) xác định hoạt động thực địa chỉ(address) 12 -bit định từ nhớ ( số 0-999 ) hình 2.2 Định dạng thẻ nhớ IAS hình 2.3 Cấu trúc mở rộng máy tính IAS  Hình 2.3 cho thấy hai Control unit ALU chứa địa điểm lưu trữ, gọi ghi , xác định sau :  Bộ nhớ đệm đăng ký ( MBR ) : Chứa từ lưu trữ nhớ gửi đến đơn vị I / O , sử dụng để nhận lời từ nhớ từ đơn vị I / O  địa nhớ đăng ký ( MAR ) : Chỉ định địa nhớ từ viết từ đọc vào MBR  Hướng dẫn thị ( IR ) : Chứa lệnh mã máy -bit thực thi  đăng ký dẫn đệm ( IBR ) : có nhiệm vụ giữ tạm thời hướng dẫntừ bên phải từ nhớ  Chương trình truy cập (PC ) : Chứa địa lệnh đôi lấy từ nhớ  Accumulator ( AC ) multiplier quotient( MQ ) : có việc làm để giữ tạm thời toán hạng kết hoạt động ALU Ví dụ, kết phép nhân hai số 40 - bit số 80 - bit; quan trọng 40 bit lưu trữ AC đáng kể MQ Máy tính thương mại       Những năm 1950 chứng kiến đời ngành công nghiệp máy tính với hai cơng ty, Sperry IBM, thống trị thị trường Năm 1947, Eckert Mauchly thành lập-Mauchly Eckert Computer Corporation để sản xuất máy tính thương mại  máy thành công họ UNIVAC I (Universal Automatic Computer), ủy quyền Cục điều tra dân số cho năm 1950 tính tốn  Tổng cơng ty máy tính Eckert-Mauchly trở thành phầnbộ phận UNIVAC Sperry-Rand Corporation, mà vào để xây dựng loạt máy kế nhiệm IBM, nhà sản xuất lớn thiết bị chế biến đục lỗ thẻ, chuyển giao điện tử máy tính lưu trữ chương trình nó, 701, năm 1953 701 thiết kế chủ yếu cho ứng dụng khoa học Năm 1955, IBM giới thiệu sản phẩm đồng hành 702, có số tính phần cứng phù hợp cho ứng dụng kinh doanh Đây người chuỗi dài 700/7000 máy tính thành lập IBM nhà sản xuất máy tính thống trị áp đảo hế hệ thứ hai: Transitor     Sự thay đổi lớn máy tính điện tử đến với thay ống chân khơng bóng bán dẫn Các bóng bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, nhiệt so với ống chân không, sử dụng cách ống chân khơng để xây dựng máy tính Khơng giống ống chân khơng, mà đòi hỏi phải có dây, kim loại, viên thủy tinh, chân khơng, bóng bán dẫn thiết bị trạng thái rắn, làm từ silicon Các bóng bán dẫn phát minh Bell Labs vào năm 1947 đến năm 1950 đưa cách mạng điện tử   cuối năm 1950,Tuy nhiên, máy tính bán dẫn hồn tồn thương mại có sẵn Việc sử dụng bóng bán dẫn xác định hệ máy tính thứ hai Nó chấp nhận rộng rãi để phân loại máy tính thành hệ dựa cơng nghệ phần cứng hình 2.4 Các hệ máy tính  Mỗi hệ đặc trưng hiệu xử lý cao hơn, dung lượng nhớ lớn hơn, kích thước nhỏ so với trước  Nhưng có thay đổi khác  Thế hệ thứ hai xuất loại phức tạp đơn vị số học logic đơn vị kiểm sốt  Việc sử dụng ngơn ngữ lập trình cao cấp, cung cấp phần mềm hệ thống với máy tính  Thế hệ thứ hai đáng ý cho xuất Tổng công ty Thiết bị kỹ thuật số (DEC) DEC thành lập vào năm 1957, năm đó, mẫu máy tính nó, PDP-1  Máy tính cơng ty bắt đầu tượng máy tính mini trở nên bật hệ thứ ba Thế hệ thứ ba: Mạch tích hợp          đầu tiên, bóng bán dẫn khép kín gọi thành phần rời rạc Trong suốt năm 1950 đầu năm 1960, thiết bị điện tử sáng tác chủ yếu thành phần rời rạc - bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, thành phần riêng biệt sản xuất riêng biệt, đóng gói thùng chứa riêng họ, hàn nối với bảng mạch, mà sau cài đặt máy tính, dao động, thiết bị điện tử khác Những yêu cầu sống bắt đầu để tạo vấn đề ngành công nghiệp máy tính máy tính hệ thứ hai đầu chứa khoảng 10.000 transistor Con số lên đến hàng trăm ngàn, làm cho việc sản xuất máy hơn, mạnh mẽ ngày khó khăn Năm 1958 đến thành tích mà cách mạng điện tử bắt đầu kỷ nguyên vi điện tử: phát minh mạch tích hợp Nó mạch tích hợp định nghĩa hệ thứ ba máy tính Các mạch tích hợp cho thấy rằng thành phần bóng bán dẫn, điện trở, dây dẫn chế tạo từ chất bán dẫn silicon Nó đơn phần mở rộng nghệ thuật trạng thái rắn để chế tạo toàn mạch mảnh nhỏ silicon lắp ráp thành phần rời rạc làm từ miếng silicon riêng biệt vào mạch Nhiều bóng bán dẫn sản xuất lúc wafer silicon đơn Quan trọng không kém, transistor kết nối với trình kim để tạo thành mạch hình 2.5 Mối quan hệ Wafer, Chip Cổng Các hệ sau   Ngoài hệ thứ ba có đồng ý chung vào việc xác định hệ máy tính Hình 2.4 cho thấy có số hệ sau này, dựa tiến cơng nghệ mạch tích hợp  Với đời hội nhập quy mô lớn (LSI), 1000 thành phần đặt chip mạch tích hợp tích hợp quy mô lớn (VLSI) đạt 10.000 thành phần chip, nhập siêu quy mô lớn (ULSI) chip chứa nhiều triệu linh kiện BỘ NHỚ BÁN DẪN  Ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp cho máy tính xây dựng vi xử lý (đơn vị điều khiển số học logic đơn vị) chip mạch tích hợp Nhưng tìm thấy cơng nghệ tương tự sử dụng để xây dựng nhớ  Trong năm 1950 1960, hầu hết nhớ máy tính xây dựng từ vân nhỏ vật liệu sắt từ  Mỗi khoảng 1/16 inch vòng diameter khoảng xâu thành chuỗi lên lưới  nam châm, vòng (gọi lõi) đại diện cho một; nói theo cách khác, đứng cho số không  nhớ từ lõi nhanh; phần triệu giây để đọc bit lưu trữ nhớ  Sau đó, vào năm 1970, Fairchild sản xuất nhớ bán dẫn tương đối dung lượng  Chip này, kích thước lõi nhất, giữ 256 bit nhớ  nhanh nhiều so với lõi, có 70 phần triệu giây để đọc bit  Kể từ năm 1970, nhớ bán dẫn thông qua 13 hệ:  1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M, 64M, 256M, 1G, 4G, và, văn này, bit 16G chip  Mỗi hệ cung cấp gấp bốn lần mật độ lưu trữ hệ trước, kèm theo giảm chi phí cho bit giảm thời gian truy cập Bộ vi xử lý   Cũng mật độ yếu tố chip nhớ tiếp tục tăng lên, đó, có mật độ yếu tố chip vi xử lý Thời gian trơi qua, ngày có nhiều yếu tố đặt chip,   chip cần thiết để xây dựng vi xử lý máy tính Một bước đột phá đạt năm 1971, Intel phát triển 4004 4004 chip để chứa tất thành phần CPU chip nhất: Các vi xử lý sinh hình 2.6 Sự phát triển Bộ vi xử lý Intel 2.2Thiết kế cho hiệu suất (Tham khảo)  Cân hiệu suất  Bộ vi xử lý tăng tốc  Memory tăng công suất  nhớ tốc độ chậm lại phía sau tốc độ xử lý hình 2.7 Logic and Memory Performance Gap Chương 03 cấu trúc từ xuống máy tính Kết nối NHỮNG ĐIỂM CHÍNH   Các thành phần hệ thống máy tính lớn (bộ xử lý, nhớ chính, module I / O) cần phải kết nối với để trao đổi liệu tín hiệu điều khiển  Các phương tiện phổ biến kết nối sử dụng hệ thống Bus chia sẻ bao gồm nhiều dòng  Trong hệ thống đại, có thường hệ thống phân cấp Bus để nâng cao hiệu suất yếu tố thiết kế cho Bus bao gồm  Arbitration (cho dù cho phép để gửi tín hiệu tuyến xe buýt kiểm soát trực thuộc Trung ương thời trang phân phối);  Timing (cho dù tín hiệu bus đồng hóa với đồng hồ trung tâm gửi không đồng dựa việc truyền tải gần nhất);  Và độ rộng (số lượng dòng địa số dòng liệu) 3.1 thành phần máy tính    Hầu tất mẫu thiết kế máy tính đại dựa khái niệm phát triển John von Neumann Viện nghiên cứu cao cấp Princeton Thiết kế gọi kiến trúc von Neumann dựa ba khái niệm chính:  Dữ liệu hướng dẫn lưu trữ nhớ đọc-ghi đơn  Các nội dung nhớ địa vị trí, mà khơng quan tâm đến loại liệu chứa  Thực xảy cách (trừ có sửa đổi) từ hướng dẫn Khái niệm chương trình  Có nhóm nhỏ thành phần logic kết hợp nhiều cách khác để lưu trữ liệu nhị phân thực phép tính số học logic hoạt động liệu  Nếu có tính tốn cụ thể thực  cấu hình thành phần logic thiết kế đặc biệt cho việc tính tốn xây dựng  Chúng ta nghĩ q trình kết nối thành phần khác cấu hình 7.4 Interrupt-Driven I/O      Trong trường hợp này, xử lý đọc liệu từ I / O module lưu trữ nhớ Sau khơi phục lại bối cảnh chương trình làm việc (hoặc số chương trình khác) tiếp tục thực Hình 7.4b cho thấy việc sử dụng ngắt I/O để đọc khối liệu Interrupt I / O hiệu so với chương trình I / O bỏ qua việc chờ đợi vơ ích Tuy nhiên, làm gián đoạn I / O tiêu tốn nhiều thời gian xử lý  liệu mà từ nhớ đến module I/O từ module I / O nhớ phải qua xử lý từ trạng thái chương trình (PSW) đếm chương trình (PC) Hình 7,6 xử lý Interrupt đơn giản 7.5 Truy cập nhớ trực tiếp      Interrupt -driven I / O, hiệu chương trình I / O, đòi hỏi can thiệp tích cực vi xử lý để truyền liệu nhớ module I / O, truyền liệu phải qua đường thông qua xử lý Như vậy, hai hình thức I / O bị hai nhược điểm cố hữu:  Tốc độ truyền I / O giới hạn tốc độ mà xử lý kiểm tra phục vụ thiết bị  Các xử lý gắn việc quản lý truyền I / O; số lệnh phải thực chuyển giao cho I / O DMA liên quan đến Module bổ sung vào bus hệ thống Các Module DMA Hình 7.10 có khả bắt chước xử lý thực tế, lấy quyền kiểm soát hệ thống từ vi xử lý Nó cần phải làm điều để truyền liệu đến từ nhớ bus hệ thống Vì mục đích này,  Các Module DMA phải sử dụng bus khơng cần xử lý ,  phải buộc xử lý đình hoạt động tạm thời         Hình 7.11 Sơ đồ khối DMA điển hình Khi xử lý muốn đọc viết khối liệu, truyền lệnh cho Module DMA, cách gửi đến module DMA thông tin sau:  Việc đọc viết yêu cầu, sử dụng dòng điều khiển đọc viết  Địa thiết bị I / O tham gia  Các vị trí bắt đầu nhớ để đọc từ hay ghi, lưu trữ Module DMA tập địa Số lượng từ đọc hay viết, lần thơng qua dòng liệu lưu trữ ghi đếm liệu Bộ xử lý sau tiếp tục với cơng việc khác Nó giao I / O hoạt động cho mô-đun DMA Các Module DMA chuyển toàn khối liệu, từ thời điểm, trực tiếp vào nhớ, mà không qua xử lý Khi việc chuyển đổi hồn tất, Module DMA gửi tín hiệu ngắt để xử lý Do đó, vi xử lý có liên quan đầu cuối việc chuyển giao (hình 7.4c) Các chế DMA cấu hình theo nhiều cách khác Một số khả thể hình 7.13  Trong ví dụ  tất module chia sẻ bus hệ thống  Các Module DMA, hoạt động xử lý thay thế, sử dụng chương trình I / O để trao đổi liệu nhớ module I / O thơng qua DMA  Cấu hình này, khơng tốn kém, rõ ràng khơng hiệu Như với chương trình I / O, lần chuyển từ tiêu thụ hai chu kỳ bus xử lý kiểm soát  Trong hai trường hợp (Hình 7.13b, c),  Các bus hệ thống module DMA chia sẻ với vi xử lý nhớ sử dụng module DMA để trao đổi liệu với nhớ  Việc trao đổi liệu DMA I / O diễn bus hệ thống Chương 09 máy tính số học điểm    Hai mối quan tâm cho số học máy tính cách mà số đại diện (định dạng nhị phân) thuật toán sử dụng cho phép tính số học (cộng, trừ, nhân, chia) Hai cân nhắc áp dụng hai để nguyên dấu chấm động số học số dấu chấm động thể số (significand) nhân với số (cơ sở) nâng số quyền lực số nguyên (số mũ) Số dấu chấm động điểm sử dụng để đại diện cho số lớn nhỏ Hầu hết vi xử lý thực tiêu chuẩn IEEE 754 đại diện cho dấu chấm động dấu chấm động số học IEEE 754 định nghĩa hai phiên 32-bit định dạng 64-bit 9.1 Arithmetic and Logic Unit (ALU)     ALU phần máy tính mà thực phép tính số học logic hoạt động liệu Tất yếu tố khác đơn vị máy tính hệ thống kiểm sốt, ghi, nhớ, I/O-đang có chủ yếu để đưa liệu vào ALU cho xử lý sau để lấy kết trở Một ALU và, thực sự, tất linh kiện điện tử máy tính dựa việc sử dụng thiết bị kỹ thuật số logic đơn giản mà lưu trữ số nhị phân thực hoạt động logic Boolean đơn giản Hình 9.1 cho thấy, điều kiện chung, làm ALU kết nối với phần lại xử lý  Dữ liệu đưa cho ALU ghi kết hoạt động lưu ghi  Những ghi địa điểm lưu trữ tạm thời vi xử lý kết nối đường dẫn tín hiệu tới ALU  ALU thiết lập cờ kết hoạt động  Các giá trị cờ lưu trữ ghi vi xử lý Hình 9.1 Đầu vào đầu ALU  Ví dụ, cờ lỗi tràn thiết lập để kết tính tốn vượt q độ dài ghi vào lưu trữ  Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển hoạt động ALU chuyển động liệu vào ALU 9.2 Biểu diễn số nguyên 9.2.1 phương pháp Biểu diễn dấu lượng         Trong hệ thống số nhị phân, số lượng tùy ý biểu diễn với chữ số không một, dấu trừ, chu kì, chấm số -1101,01012 = -13,312510 Đối với mục đích lưu trữ xử lý máy tính, nhiên, ta khơng có lợi ích từ dấu trừ chu kì Chỉ số nhị phân (0 1) sử dụng để đại diện cho số Nếu giới hạn cho số nguyên không âm, biểu diễn đơn giản  Một 8-bit từ đại diện cho số từ đến 255, có 00000000 = 00000001 = 10000000 = 128 11111111 = 255 Nói chung, n-bit chuỗi số nhị phân an-1an-2… a1a0 hiểu số nguyên không dấu A, giá trị Có số quy ước thường sử dụng để đại diện cho số nguyên âm số dương, tất liên quan đến việc xử lý đáng ý (ngoài bên trái) bit từ bit dấu  Nếu bit dấu 0, số dương; bit dấu 1, số âm Các hình thức đơn giản biểu diễn mà sử dụng dấu hiệu đại diện dấu độ lớn  Trong từ n-bit, bìa phải n-1 bit giữ tầm quan trọng số nguyên + 18 = 00010010 - 18 = 10010010 (dấu độ lớn) Các trường hợp tổng quát thể sau: vấn đề:  Cần phải xem xét hai dấu độ lớn số học  Hai đại diện số không (0 -0) 9.2.2 Biểu diễn bù    Trong tài liệu, bù hay thường dùng 2's Giống dấu lượng, biểu diễn bù sử dụng bit quan trọng bit dấu, làm cho dễ dàng để kiểm tra xem số nguyên dương hay âm Bảng 9.1 điểm bật đặc điểm biểu diễn bù số học Bảng 9.1 Đặc điểm biểu diễn Bù số học  Hãy xem xét số nguyên n-bit, A, biểu diễn bù  Nếu A dương, bit dấu, an-1 số khơng  Các bit lại đại diện cho độ lớn số kiểu dấu độ lớn:     Bây giờ, số A âm (A n  Trong dấu lượng, điều dễ dàng thực: cần di chuyển bit dấu đến vị trí tận bên trái điền vào với số không  Thủ tục không làm việc cho bù cho số nguyên âm  Thay vào đó, quy tắc cho bù cho số nguyên để di chuyển bit dấu đến vị trí tận bên trái điền vào bit dấu  Đối với số dương, điền vào với số không, cho số âm, điền vào với số Điều gọi mở rộng dấu 9.3 Số nguyên 9.3.1 Đối   Trong biểu diễn dấu lượng, quy tắc cho việc hình thành đối số nguyên đơn giản là: đảo ngược bit dấu Trong ký hiệu bổ sung bù 2, đối số nguyên hình thành với nguyên tắc sau đây:  Lấy bù Boolean bit số nguyên (bao gồm bit dấu) tức là, thiết lập 1-0 0-1  Xử lý kết số nguyên nhị phân không dấu, cộng thêm trình hai bước gọi hoạt động bù hai, lấy bù số nguyên hai  Theo mặc định, đối đối số nó:  Phương trình (9.2) diễn giải chuỗi n bit số nhị phân số nguyên bù A, giá trị  Bây thành bổ sung Bitwise, an-1an-2…a0 kết số nguyên không dấu, cộng thêm Cuối cùng, giải thích kết chuỗi n bit số nhị phân bù số nguyên B, giá trị  Bây giờ, muốn A = B, có nghĩa A + B =  9.3.2 Cộng trừ    Ngoài ra, bù minh họa hình 9.3 cộng tiếp tục, hai số số nguyên không dấu  Nếu kết phép toán dương, ta nhận số dương dạng số bù 2, giống hình thức dùng phần dương số nguyên  Nếu kết phép toán số âm có số âm hình thức bù Lưu ý rằng, số trường hợp, có bit thực vượt phần cuối từ bỏ qua 9.3.2 Cộng trừ Hình 9.3 cộng số Biểu diễn số bù  Trên phép cộng, kết lớn kích thước từ sử dụng Tình trạng gọi tràn  Khi tràn xảy ra, AACLU phải báo hiệu thực tế để khơng có tính tốn tìm kết sai  Để phát tràn, quan sát quy tắc sau :  Nếu hai số thêm vào, hai dương hay âm cả, sau tràn xảy kết có dấu ngược lại  Quy tắc trừ : Để trừ số (số trừ) từ số khác (số bị trừ), dùng bù (đối) số trừ cộng vào số bị trừ  Như vậy, phép trừ thực Ngoài ra, minh họa hình 9.4  Hai ví dụ cuối chứng minh quy tắc tràn áp dụng Hình 9.4 Phép trừ số Biểu diễn Bù 2(M - S) Hình 9.6 Sơ đồ khối phần cứng phép cộng phép trừ Hình 9.5 Mơ tả hình học Số ngun bù Chương 10 Lệnh máy tính: Đặc điểm chức NHỮNG ĐIỂM CHÍNH  Các yếu tố thiết yếu lệnh máy tính opcode, quy định hoạt động thực hiện; mã nguồn tham chiếu tốn hạng đích , quy định địa điểm đầu vào đầu cho hoạt động; tham chiếu hướng dẫn tiếp theo, mà thường tiềm ẩn  Opcodes định hoạt động loại chung sau đây: hoạt động số học logic ; di chuyển liệu hai ghi, ghi nhớ, hai vị trí nhớ; I/O; kiểm sốt  tham chiếu toán hạng định ghi nhớ vị trí liệu tốn hạng Các loại liệu địa chỉ, số, ký tự, liệu hợp lý 10.1 Đặc điểm Lệnh máy tính 10.1.1 Các yếu tố Lệnh Máy    Các hoạt động vi xử lý xác định lệnh thực hiện, gọi lệnh máy lệnh máy tính Các thu thập lệnh khác mà vi xử lý thực gọi tập lệnh xử lý Các yếu tố Lệnh Máy  mã hoạt động: Xác định hoạt động thực (ví dụ, ADD, I / O)  Các hoạt động quy định mã nhị phân, gọi mã hoạt động, mã máy Hình 10.1 Sơ đồ chu kỳ Lệnh   Mã nguồn toán hạng tham chiếu: Các hoạt động bao gồm nhiều tốn hạng mã nguồn tức tốn hạng đầu vào cho hoạt động  Kết tham chiếu toán hạng: Các hoạt động tạo kết  tham chiếu lệnh tiếp theo: Điều nói với xử lý nơi để lấy lệnh sau thực lệnh hoàn tất  Địa lệnh để lấy địa thực hay địa ảo, tùy thuộc vào kiến trúc Mã nguồn kết tốn hạng bốn lĩnh vực:  Bộ nhớ hay ảo: Như với tham chiếu lệnh tiếp theo, địa nhớ hay ảo phải cung cấp  Thanh ghi: Với trường hợp ngoại lệ hoi, xử lý có chứa nhiều    ghi mà tham chiếu lệnh máy  Nếu có ghi tồn tham chiếu đến ẩn  Nếu có nhiều ghi tồn tại, sau ghi gán tên số, thị phải có số mà ghi mong muốn  thi hành: Các giá trị toán hạng chứa lĩnh vực lệnh thực thi  thiết bị I / O : Các lệnh phải ghi rõ module I / O thiết bị cho hoạt động Đó khó khăn cho lập trình viên cho người đọc hướng dẫn để giải với biểu diễn nhị phân lệnh máy Vì vậy, trở thành thực tế phổ biến để dùng biểu diễn tượng trưng lệnh máy Opcodes đại diện chữ viết tắt, tên dễ nhớ, mà hoạt động 10.1.2 Biểu diễn Lệnh             Trong máy tính, lệnh đại diện dãy bit Các lệnh chia thành nhóm, tương ứng với yếu tố cấu thành lệnh Một ví dụ đơn giản dạng lệnh thể hình 10.2 Hình 10.2 Một dạng Lệnh đơn giản Với hầu hết tập lệnh, có nhiều dạng sử dụng Trong thời gian thực lệnh, lệnh đọc vào ghi lệnh (IR) xử lý Các vi xử lý phải có khả giải nén liệu từ loại lệnh khác để thực hoạt động cần thiết Đó khó khăn cho lập trình viên cho người đọc hướng dẫn để giải với biểu diễn nhị phân lệnh máy Vì vậy, trở thành thực tế phổ biến để dùng biểu diễn tượng trưng lệnh máy Opcodes đại diện chữ viết tắt, tên dễ nhớ, mà hoạt động Ví dụ thường gặp bao gồm ADD cộng SUB trừ MUL Nhân DIV Chia LOAD tải liệu từ nhớ STOR cửa hàng liệu nhớ Phép toán đại diện tượng trưng Ví dụ, lệnh ADD R, Y có nghĩa cộng thêm giá trị chứa vị trí liệu Y đến nội dung ghi R Một ví dụ điều sử dụng cho tập lệnh IAS, Bảng 2.1 10.1.3 Các kiểu lệnh  Hãy xem xét lệnh ngơn ngữ cấp cao thể ngơn ngữ BASIC hay FORTRAN Ví dụ, X=X+Y  câu thị cho máy tính để cộng thêm giá trị lưu trữ Y với giá trị lưu trữ X đặt kết X  Làm điều thực với lệnh máy?  Chúng ta giả sử biến X Y tương ứng với vị trí 513 514  Nếu giả định tập hợp đơn giản lệnh máy, hoạt động thực với ba lệnh:  Load ghi với nội dung vị trí nhớ 513  cộng nội dung vị trí nhớ 514 vào ghi  Lưu trữ nội dung ghi nhớ vị trí 513  Như thấy, lệnh BASIC đơn yêu cầu ba lệnh máy  Đây điển hình mối quan hệ ngôn ngữ cấp cao ngôn ngữ máy  Một ngôn ngữ cấp cao diễn tả hoạt động hình thức đại số ngắn gọn, sử dụng biến  Một ngôn ngữ máy thể hoạt động hình thức liên quan đến việc di chuyển liệu vào ghi  Một máy tính cần phải có tập hợp lệnh cho phép người sử dụng để xây dựng công việc xử lý liệu  Một cách khác xem xem xét khả ngơn ngữ lập trình cấp cao Bất kỳ chương trình viết ngơn ngữ cấp cao phải dịch sang ngôn ngữ máy thực thi  Như vậy, lệnh máy phải đủ để thể lệnh từ ngôn ngữ cấp cao      lưu ý với điều này, phân loại loại lệnh sau: xử lý liệu: xử lí lệnh số học logic Lưu trữ liệu: Di chuyển liệu vào khỏi vị trí ghi nhớ di chuyển liệu: I / O hướng dẫn Control: Kiểm tra phân nhánh lệnh 10.1.4 Số Địa         Một cách truyền thống mô tả kiến trúc vi xử lý xét số lượng địa chứa lệnh số lượng tối đa địa người cần thị gì?  Hầu tất số học logic hoạt động hai: nguyên phân (một toán nguồn) nhị phân (hai toán hạng nguồn)  Các kết tính tốn phải lưu trữ, cho thấy địa thứ ba, xác định tốn hạng đích  Cuối cùng, sau hồn thành lệnh, lệnh phải lấy địa cần thiết dòng suy luận cho thấy lệnh plausibly yêu cầu để chứa bốn tham chiếu địa chỉ:  hai tốn hạng nguồn  tốn hạng đích,  địa lệnh Trong hầu hết kiến trúc, hầu hết lệnh có một, hai, ba địa toán hạng, với địa lệnh tiềm ẩn (thu từ chương trình truy cập) Hầu hết kiến trúc có lệnh chun dụng với nhiều tốn hạng Hình 10.3 so sánh điển hình, lệnh hai ba địa sử dụng để tính Y = (A - B) / [C + (D'E)] định dạng lệnh ba địa khơng phổ biến chúng cần dạng lệnh tương đối dài để giữ ba tham chiếu địa Với lệnh hai địa chỉ, cho hoạt động nhị phân, địa phải làm hai nhiệm vụ toán hạng kết  Các định dạng hai địa làm giảm u cầu khơng gian mà đưa số rối loạn          Để tránh làm thay đổi giá trị toán hạng, lệnh MOVE sử dụng để di chuyển giá trị để kết vị trí tạm thời trước thực hoạt động Đơn giản lệnh địa Để hoạt động, địa thứ hai phải ngầm định Điều phổ biến máy trước đó, với địa ngầm định ghi xử lý gọi accumulator (AC) accumulator có chứa tốn hạng sử dụng để lưu trữ kết thực tế, làm việc số lệnh khơng địa lệnh không địa áp dụng cho tổ chức nhớ đặc biệt, gọi chồng Một stack thiết lập vị trí cuối-vào-đầu-ra Stack vị trí biết, thường xuyên, hai thành tố hàng đầu ghi xử lý nhiều địa  lệnh phức tạp  ghi nhiều  hoạt động liên ghi nhanh  lệnh cho chương trình địa  lệnh phức tạp  lệnh chi tiết cho chương trình  lấy / thực lệnh Nhanh 10.2 Các loại Phép toán  lệnh máy hoạt động liệu Các thuộc tính quan trọng liệu  địa  đánh số  Ký tự  liệu logic 10.2.1.số        Tất ngôn ngữ máy bao gồm loại liệu số Ngay xử lý liệu nonnumeric, có nhu cầu cho số để hoạt động đếm, lĩnh vực chiều rộng, vv Một khác biệt quan trọng số sử dụng toán học thông thường số lưu trữ máy tính hạn chế Do đó, lập trình viên phải đối mặt với hiểu biết hậu việc làm tròn, tràn, tràn ngược Ba loại liệu số phổ biến máy tính:  số nguyên nhị phân nhị phân điểm cố định  điểm chấm động nhị phân  số thập phân Mặc dù tất hoạt động máy tính nội tự nhiên nhị phân , người dùng tương tác hệ thống với số thập phân Vì thế, có điều cần thiết để chuyển đổi từ thập phân sang nhị phân đầu vào từ nhị phân sang thập phân đầu 10.2.2 Ký tự   Hiện nay, mã ký tự thường sử dụng nhiều tham chiếu Quốc tế Alphabet (IRA), gọi Hoa Kỳ Bộ luật American Standard cho trao đổi thông tin (ASCII) Một mã sử dụng để mã hóa ký tự Mã Binary Coded Decimal Interchange Extended(EBCDIC) EBCDIC sử dụng máy tính lớn IBM Nó mã 8-bit 10.2.3 liệu logic    Thông thường, từ đơn vị địa khác (byte, halfword, vv) xử lý đơn vị liệu Đó đơi hữu ích, nhiên, để xem xét đơn vị n-bit bao gồm chuỗi n 1-bit liệu, bit có giá trị Khi liệu xem cách này, họ coi liệu logic Có hai thuận lợi cho nhìn bit -oriented  Đầu tiên, đơi lưu trữ mảng Boolean mục liệu nhị phân, mục đưa vào có giá trị (đúng) (false)  Thứ hai, có trường hợp muốn thao tác bit mục liệu  Ví dụ, dấu chấm động thực phần mềm, cần để dịch chuyển bit quan trọng số hoạt động ... người cung cấp máy tính với hướng dẫn  Trong máy tính, đơn vị kiểm sốt quản lý nguồn tài ngun máy tính tổ chức hợp hiệu suất phận chức để đáp ứng với lệnh Cấu trúc  Các máy tính tương tác... thống máy tính có chứa số bus khác đường thành phần cấp độ khác hệ thống phân cấp hệ thống máy tính Bus kết nối thành phần máy tính lớn (bộ xử lý, nhớ, I / O) gọi Bus hệ thống Các cấu trúc máy tính. .. thống với máy tính  Thế hệ thứ hai đáng ý cho xuất Tổng công ty Thiết bị kỹ thuật số (DEC) DEC thành lập vào năm 1957, năm đó, mẫu máy tính nó, PDP-1  Máy tính cơng ty bắt đầu tượng máy tính mini