Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ: Chương 4 - ThS. Vũ Minh Trí

Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 4: Lập trình hợp ngữ (Phần 1). Nội dung trình bày trong chương này gồm có: Ngôn ngữ lập trình, ngôn ngữ máy (Machine Laguage), instruction, ISA (Instruction Set Architecture), thiết kế ISA, hợp ngữ,... Mời các bạn cùng tham khảo.

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH & HỢP NGỮ ThS Vũ Minh Trí – vmtri@fit.hcmus.edu.vn 04 – Lập trình hợp ngữ (Phần 1) Ngơn ngữ lập trình  Là loại ngơn ngữ nhân tạo (Ví dụ: C/C++) cấu thành yếu tố chính:   Từ vựng: keyword (struct, enum, if, int…)  Ngữ pháp: syntax (if(…){} else{}, do{} while()…) Ngơn ngữ lập trình giúp cho người sử dụng (gọi lập trình viên) diễn đạt mô tả hướng dẫn cho máy tính hoạt động theo ý muốn  Độ phức tạp (trừu tượng) hướng dẫn định thứ bậc ngôn ngữ  Độ phức tạp cao bậc thấp  Ví dụ: C Sharp (C#) ngôn ngữ bậc cao C Nhận xét  Ngôn ngữ mà người dễ hiểu lại ngơn ngữ máy tính “khó hiểu”  Ngơn ngữ bậc cao người dễ hiểu máy tính lại “khó hiểu”  Nhưng máy tính lại nơi cần hiểu nhanh để thực thi muốn  Ngơn ngữ máy (Machine language) If (n>0) { n=-1; } OK ??? If (n>0) { n=-1; } Ngôn ngữ máy (Machine Laguage)  Ngơn ngữ máy cho phép người lập trình đưa hướng dẫn đơn giản mà vi xử lý (CPU) thực  Các hướng dẫn gọi thị / lệnh (instruction) mã máy (machine code)  Mỗi vi xử lý (CPU) có ngơn ngữ riêng, gọi lệnh (instruction set)  Trong dòng vi xử lý (processor family) lệnh gần giống Instruction set Instruction  Là dãy bit chứa yêu cầu mà xử lý CPU (ALU) phải thực  Instruction gồm thành phần:  Mã lệnh (opcode): thao tác cần thực  Thơng tin tốn hạng (operand): đối tượng bị tác động thao tác chứa mã lệnh ISA (Instruction Set Architecture)  Tập lệnh dành cho vi xử lý có kiến trúc tương tự  Một số ISA thơng dụng:  Dịng vi xử lý 80x86 (gọi tắt x86) Intel  IA-16: Dòng xử lý 16 bit (Intel 8086, 80186, 80286)  IA-32: Dòng xử lý 32 bit (Intel 80368 – i386, 80486 – i486, Pentium II, Pentium III …)  IA-64: Dòng xử lý 64 bit (Intel x86-64 Pentium D…)  MIPS: Dùng nhiều hệ thống nhúng (embedded system)  PowerPC IBM Thiết kế ISA: CISC & RISC  Có trường phái thiết kế lệnh:  Complete Instruction Set Computer (CISC): lệnh gồm nhiều lệnh, từ đơn giản đến phức tạp  Reduced Instruction Set Computer (RISC): lệnh gồm lệnh đơn giản  Nên chọn kiểu nào? Tuy nhiên  Không phải muốn / lập trình ngơn ngữ máy q khó hiểu so với ngơn ngữ bình thường người  Nhu cầu cần có phận phiên dịch (interpreter) High-level language (C/C++) OK Interpreter Machine Laguage OK Nhận xét  Trong số trường hợp, việc viết ngôn ngữ cấp “quá cao” trở nên chạy chậm phải phiên dịch nhiều lần để trở thành ngôn ngữ máy  Hợp ngữ (Assembly language) Highest-level language Lower-level language Lower-level language Interpreter Machine Laguage Hợp ngữ 10  Các mã máy số (0 / 1)  Trong ngôn ngữ máy khái niệm biến  thay vào địa ô nhớ, ghi (lưu trữ mã lệnh, liệu)  Để dễ dàng lập trình  dùng ký hiệu mã giả thay cho số biểu diễn địa ô nhớ, tên (label, tên biến, tên chương trình)  Hợp ngữ gần với ngơn ngữ máy lại đủ để người hiểu sử dụng tốt ngơn ngữ máy  Ví dụ: Ghi giá trị vào ghi $4 Ngôn ngữ máy: 00110100 0000100 00000000 00000101 Hợp ngữ : ori $4, $0, Compiler 13  Trình biên dịch ngơn ngữ cấp cao  hợp ngữ  Compiler phụ thuộc vào:  Ngôn  Kiến ngữ cấp cao biên dịch trúc hệ thống phần cứng bên mà chạy  Ví dụ:  Compiler cho C Compiler cho Java  Compiler cho “C on Windows” “C on Linux” Assembler 14  Trình biên dịch hợp ngữ  ngôn ngữ máy  Một vi xử lý (đi kèm lệnh xác định) có nhiều Assembler nhiều nhà cung cấp khác chạy OS khác  Ví dụ: Cùng kiến trúc x86, dùng A86, GAS, TASM, MASM, NASM  Assembly program phụ thuộc vào Assembler mà sử dụng (do mở rộng, đặc điểm khác Assembler) Thảo luận 15  Bản thân Compiler chương trình, biên dịch gì?  Assembler  Sau biên dịch tập tin mã nguồn ngôn ngữ cấp cao thành tập tin mã máy (machine language), để chạy tập tin máy tính?  Linker & Loader Linker 16  Thực tế lập trình, ta dùng nhiều file (header / source) liên kết kèm theo thư viện có sẵn  Cần chương trình Linker để liên kết file sau biên dịch thành mã máy (Object file)  Tập tin thực thi (ví dụ: exe, bat, sh) Q trình tạo file thực thi 17  Khi double click vào tập tin thực thi, cần chương trình tính tốn tải vào memory để CPU xử lý  Loader Quá trình thực thi file máy 18 Ví dụ 19 Mơ hình thực tế 20  Compiler Assembler bỏ qua số trường hợp cụ thể…  Trong thực tế, có số compiler tạo file thực thi nhiều tảng kiến trúc bên khác nhau, gọi cross-platform compiler  Compiler cho Java  Cygwin  Code::Block Studio Quá trình thực thi file máy Java program 21 Hoạt động CPU xử lý lệnh 22  CPU xử lý lệnh qua bước, gọi chu kỳ lệnh:  Nạp lệnh (Fetch): Di chuyển lệnh từ memory vào ghi (register) CPU  Thực thi lệnh (Excute): Giải mã lệnh thực thi thao tác yêu cầu Start Fetch next Instruction Execute Instruction Halt Quá trình nạp lệnh (Fetch cycle) 23  MAR  PC MBR  Memory IR  MBR PC  PC +  Thanh ghi PC (Program Counter)      Thanh ghi MAR (Memory Address Register)   Lưu địa (address) output Address bus Thanh ghi IR (Instruction Register)  • Control Unit di chuyển mã lệnh, có địa PC, vào ghi IR • Mặc định, giá trị ghi PC tăng lượng = chiều dài lệnh Lưu giá trị (value) input / output từ Data bus vừa nạp Thanh ghi MBR (Memory Buffer Register)   Lưu địa (address) lệnh nạp Lưu mã lệnh xử lý tiếp Ví dụ 24 Chương trình x=x+y … CPU PC 00010011 R1 00010000 01000000 00000001 IR ALU CPU RAM … 00010000 01000000 00000001 00001100 01000010 00000001 00010000 00000001 01000000 … x y … Địa Lệnh (Instruction) 00010000 00010011 00010110 … 01000000 01000010 x  R1 R1+y  R1 R1  x … … Quy trình thực thi lệnh (Execute Cycle) 25 • Tính địa lệnh • Nạp lệnh • Giải mã lệnh • Tính địa tốn hạng • Nạp tốn hạng • Thực lệnh • Tính địa toán hạng chứa kết  Các bước lặp lặp lại cho tất lệnh  Quy trình gọi Instruction cycle – vịng lặp xử lý lệnh • Ghi kết Một số câu hỏi 26  Ngơn ngữ lập trình giống khác ngôn ngữ tự nhiên người điểm nào?  Tại cần nhiều loại ngơn ngữ lập trình: C, C++, C#, VB, Java…?  Một chương trình khơng khai báo biến có sử dụng nhớ khơng?  Chương trình thực thi RAM hay CPU?  Tại file exe chạy Windows mà chạy Linux? Homework 27  Sách Petterson & Hennessy: Đọc chương (đọc kỹ 2.12 2.13)  Tài liệu tham khảo: Đọc “08_HP_AppA.pdf” ... ngơn ngữ máy tính “khó hiểu”  Ngơn ngữ bậc cao người dễ hiểu máy tính lại “khó hiểu”  Nhưng máy tính lại nơi cần hiểu nhanh để thực thi muốn  Ngơn ngữ máy (Machine language) If (n>0) { n =-1 ; }... ngôn ngữ máy  Hợp ngữ (Assembly language) Highest-level language Lower-level language Lower-level language Interpreter Machine Laguage Hợp ngữ 10  Các mã máy số (0 / 1)  Trong ngơn ngữ máy khơng... ngữ máy  Ví dụ: Ghi giá trị vào ghi $4 Ngôn ngữ máy: 00110100 0000100 00000000 00000101 Hợp ngữ : ori $4, $0, Lưu ý 11  Vì vi xử lý có cấu trúc ghi tập lệnh (ngơn ngữ) riêng nên lập trình hợp