Chapter 10Instruction Sets:Characteristicsand Functions คณลกษณะและหนาทของชดคำาสง

1 .คณลกษณะของคำาสงภาษาเครอง2 .ชนดของตวถกดำาเนนการ3 .ตวอยาง ชนดของขอมลในเครอง Pentium

และ PowerPC4 .ชนดการทำางานในเครอง Pentium และ

PowerPC5 .ภาษาแอสแซมบล

What is an instruction set?• The complete collection of instructions

that are understood by a CPU• Machine Code• Binary• Usually represented by assembly codes

สรปการทำางานของ CPU ถกกำาหนดโดยคำาสงทกำาลงทำาการประมวลผลอยในขณะนน ซงเรยกวา คำาสงเครอง คำาสงเครองเมอนำามารวมเขาไวดวยกน หรอเมออางกลมคำาสงสำาหรบคอมพวเตอร เรยกวา “ชดคำาสง”

Elements of an Instruction(องคประกอบของชดคำาสง)• Operation code (Op code)

—บอกใหทราบถงงานททำา เชนการบวก หรองาน I/O • Source Operand reference

—แหลงอางองแหลงทมาขอมล การทำางานอาจจะมการอางองถงตวถกดำาเนนการ หรอทบอกแหลงทเกบขอมลทตองนำามาใช

ในการกระทำานน• Result Operand reference

—การอางองแหลงทเกบขอมลเมอมการดำาเนนการ พดงายๆ คอทเกบผลลพธของการทำางาน

• Next Instruction Reference—การอางองคำาสงถดไป เปนการบอกให CPU ทราบตำาแหนงถด

ไปทจะทำางาน

Where have all the Operands gone?(ตวถกดำาเนนการทใชบอกตำาแหนงการอางองแหลงทมาหรอทเกบขอมล อาจจอยในรปแบบน

• Main memory (or virtual memory or cache) หนวยความจำาหลกหรอหนวยความจำาเสมอน

• CPU register ตำาแหนงของการอางองหรอทเกบขอมลคอ Register ทอยภายในตว CPU เอง เชน Ld a,01h

• I/O device ตำาแหนงของอปกรณทใชเกบขอมล หรอแสดงผลลพธของขอมล

Instruction Cycle State Diagram

Instruction Representation• In machine code each instruction has a

unique bit pattern(ใน Computer แตละชดคำาสงจะเรยงกนในรปแบบของ Bit Binary)

• For human consumption (well, programmers anyway) a symbolic representation is used (การทจะอธบายรายละเอยดโดยเลขฐาน 2 นน เปนเรองยากดงนนจงไดเลอกภาษาสญลกษณทงายตอการเขาใจ เชน—e.g. ADD, SUB, LOAD

• Operands can also be represented in this way (ตวถกดำาเนนการกใชคำายอเหมอนกน)—ADD A,B

Simple Instruction Format(รปแบบคำาสงแบบงาย)

Instruction Types

• Data processing คำาสงในการประมวลผลขอมลทางคณตศาสตร

• Data storage (main memory) คำาสงเกยวกบหนวยความจำา

• Data movement (I/O) คำาสงเกยวกบการ I/O• Program flow control คำาสงควบคมลำาดบการ

ประมวลผล

คอมพวเตอรควรมชดคำาสงทชวยใหผใชสามารถประมวลผลงานทตองการได ดงนนชดคำาสงจะตองมมากพอ ทจะใชแปลความหมายภาษา

ระดบสงโดยมากภาษาเครองจงถกแบงเปนประเภทตางๆ ดงน)

เปรยบเทยบคำสงทใชทอยององ Y=(A-B)/(C+D*E)Instruction CommentSUB Y , A, B

YA – BMPY T, D, E

TD EADD T, T, C TT + CDIV Y, Y, T

YY T(a)Three-address

instructionsMOVE Y, A

YASUB Y, B

YY – BMOVE T, D

TDMPY T, E

TT EADD T, C TT + CDIV Y, T

YY T(b) Two-address

instructions

InstructionComment

LOAD D ACDMPY E ACAC EADDC ACAC + CSTOR Y YACLOAD A ACASUB B ACAC –

BDIV Y ACAC

YSTOR Y YAC(c) One-address

instructions

Number of Addresses (a) จำานวนของทอยอางองในคำาสงเครอง• 3 addresses

—Operand 1, Operand 2, Result—a = b + c;—May be a forth - next instruction (usually

implicit)—Not common—Needs very long words to hold everything

Number of Addresses (b)• 2 addresses

—One address doubles as operand and result—a = a + b—Reduces length of instruction—Requires some extra work

– Temporary storage to hold some results

Number of Addresses (c)• 1 address

—Implicit second address—Usually a register (accumulator)—Common on early machines

Number of Addresses (d)• 0 (zero) addresses

—All addresses implicit—Uses a stack—e.g. push a— push b— add— pop c

—c = a + b

How Many Addresses• More addresses ถาใช Address มาก

—More complex (powerful?) instructions (ซบซอน)—More registers (ใช Register มากกวา)

– Inter-register operations are quicker—Fewer instructions per program (ใชชดคำาสงนอยตอ

โปรแกรม)• Fewer addresses ถาใช Address นอย

—Less complex (powerful?) instructions (ซบซอนนอยกวา)

—More instructions per program(ใชชดคำาสงมากกวาตอโปรแกรม)

—Faster fetch/execution of instructions (ประมวลผลเรวกวา)

Design Decisions (1) (การออกแบบชดคำาสงมปจจยไรบาง)• ชดคำาสงจะเปนตวกำาหนดหนาทการทำางานของ CPU จงมผล

โดยตรงตอการออกแบบและสราง CPU ขนมาใชงานและเปนเสมอนเครองมอของ Programmer ทใชควบคมการทำางานของ CPU ดงนนความตองการของ Programmer จะตองถกนำามาใชรวมพจารณาในระหวางออกแบบชดคำาสง

• Operation repertoire—How many ops? CPU ควรจะมฟงกชนการทำางานเปนเทาใด —What can they do? การทำางานแตละอยางควรทำาอะไร—How complex are they? การทำางานมความซบซอนมากเพยงใด

• Data types ชนดของขอมลทนำามาใช• Instruction formats ความยาวของคำาสง

—Length of op code field ความยาวของคำาสง—Number of addresses จำานวนของแอดเดรส

Design Decisions (2)• Registers

—Number of CPU registers available จำานวน Register

—Which operations can be performed on which registers?

• Addressing modes (later…) รปแบบการทำางานทใชกำาหนดชนดของทอยของตวถกดำาเนนการ

• RISC v CISC

Types of Operand ชนดของตวถกดำาเนนการ• Addresses ตำาแหนงทอย• Numbers ตวเลข

—Integer/floating point• Characters ตวอกษร

—ASCII etc.• Logical Data ขอมลตรรกะ

—Bits or flags• (Aside: Is there any difference between numbers and

characters? Ask a C programmer!)

Pentium Data Types• 8 bit Byte• 16 bit word• 32 bit double word• 64 bit quad word• Addressing is by 8 bit unit• A 32 bit double word is read at addresses

divisible by 4

Specific Data Types(ชนดขอมลของ Pentium)• General - arbitrary binary contents• Integer - single binary value• Ordinal - unsigned integer• Unpacked BCD - One digit per byte• Packed BCD - 2 BCD digits per byte• Near Pointer - 32 bit offset within segment• Bit field• Byte String• Floating Point

Pentium Floating Point Data Types

PowerPC Data Types (ชนดขอมลใน cpu Power PC)• 8 (byte), 16 (halfword), 32 (word) and 64

(doubleword) length data types• Some instructions need operand aligned

on 32 bit boundary• Can be big- or little-endian• Fixed point processor recognises:

—Unsigned byte, unsigned halfword, signed halfword, unsigned word, signed word, unsigned doubleword, byte string (<128 bytes)

• Floating point—IEEE 754—Single or double precision

Types of Operation (ชนดของ Opcode)• Data Transfer การเคลอนยายขอมล• Arithmetic การคำานวณทางคณตศาสตร• Logical การคำานวณตรรกะ• Conversion การเปลยนรปขอมล• I/O คำาสง I/O• System Control การควบคมระบบ• Transfer of Control การถายโอนการควบคมการ

ประมวลผล

Data Transfer ในการเคลอนยายจะตองกำาหนดการทำางานซงมองคประกอบดงน

• Specify—Source บอกตำาแหนงของขอมล—Destination บอกตำาแหนงสำาหรบบนทกผลลพธ—Amount of data กำาหนดความยาวของขอมลทเคลอนยาย

• May be different instructions for different movements จะใชชดคำาสงทแตกตางกนในการเคลอนยายขอมลแตละแบบ เชน Reg – Reg หรอ Mem - Mem—e.g. IBM 370

• Or one instruction and different addresses —e.g. VAX คอ VaX จะใชคำาสง Mov คำาสงเดยวในการเคลอนยายขอมลหลายขนาด จงงายในการพฒนาโปรแกรม

Arithmetic(การคำานวณทางคณตศาสตร)

• Computer สวนใหญจะจดใหมคำาสงสำาหรบการคำานวณพนฐานไดแก- Add, Subtract, Multiply, Divide

• Signed Integer• Floating point ?• May include

—Increment (a++)—Decrement (a--)—Negate (-a)

Logical (การคำานวณทางตรรกะ)• คำาสงสำาหรบการจดการขอมลแตละบต• Bitwise operations• AND, OR, NOT• นอกเหนอจากการทำางานกบบตแลวยงจดเตรยมฟงกชน

ในการ shift และ Rotate ดงน

Shift and Rotate Operations

Conversion (การเปลยนรปขอมล)• หมายถงคำาสงทเปลยนรปแบบ หรอคำาสงทำางานกบรป

แบบของขอมลเชน• E.g. Binary to Decimal (คำาสงการเปลยนเลขฐาน

สองเปนฐานสบ)

Input/Output (คำาสงทตดตอกบอปกรณ Input/Output)• May be specific instructions• May be done using data movement

instructions (memory mapped)• May be done by a separate controller

(DMA)

Systems Control(คำาสงสำาหรบการควบคมระบบ)• หมายถงคำาสงทสามารถควบคมระบบการทำางานของ

CPU ได โดยทวไปจะถกสวงนไวในระบบปฏบตการ

• Privileged instructions เปนชดคำาสงพเศษ

Transfer of Control (คำาสงการถายโอนการควบคมการประมวลผล)• หมายถงคำาสงทควบคมการทำางานลำาดบของการประมวล

ผลนนเอง(เปลยนลำาดบการประมวลผล ) เชน• Branch เงอนไขกระโดดเมอเปนไปตามเงอนไข

—e.g. branch to x if result is zero• Skip จะขามคำาสงในลำาดบถดไป

—e.g. increment and skip if zero—ISZ Register1—Branch xxxx—ADD A

• Subroutine call การเรยกใชฟงกชน—c.f. interrupt call

Branch Instruction

Nested Procedure Calls

Use of Stack

สรปตวอยงชนดของ OpcodeType Operation

NameDescription

Data transfer

Move (transfer)StoreLoad (fetch)ExchangeClear (reset)SetPushPop

Transfer word or block from source to destinationTransfer word from processor to memoryTransfer word from memory to processorSwap contents of source and destinationTransfer word of 0s to destinationTransfer word of 1s to destinationTransfer word from source to top of stackTransfer word from top of stack to destination

Arithmetic

AddSubtractMultiplyDivideAbsoluteNegateIncrementDecrement

Compute sum of two operandsCompute difference of two operandsCompute product of two operandsCompute quotient of two operandsReplace operand by its absolute valueChange sign of operandAdd 1 to operandSubtract 1 from operand

สรปตวอยงชนดของ Opcode

Logical

ANDORNOT (Complement)Exclusive-OR

TestCompareSet control variablesShiftRotate

Perform the specified logical operation bitwise

Test specified condition; set flag(s) based on outcomeMake logical or arithmetic comparison of two or more operands; set flag(s) based on outcomeClass of instructions to set controls for protection purposes,interrupt handling, timer control, etc.Left (right) shift operand, introducing constants at endLeft (right) shift operand, with wraparound end

สรปตวอยงชนดของ Opcode

TransferOf control

Jump (branch)Jump conditional

Jump to subroutine

Return

Execute

SkipSkip conditionalHaltWait (hold)

No operation

Unconditional transfer; load PC with specified addressTest specified condition; either load PC with specified address or do nothing, based on conditionPlace current program control information in known location; jump to specified addressReplace contents of PC and other register from known locationFetch operand from specified location and execute as instruction; do not modify PCIncrement PC to skip next instructionTest specified condition; either skip or do nothing based on conditionStop program executionStop program execution; test specified condition repeatedly: resume execution when condition is satisfiedNo operation is performed, but program execution is continued

สรปตวอยงชนดของ Opcode

Input/output

Input (read)

Output (write)

Start I/O

Test I/O

Transfer data from specified I/O port or device to destination(e.g., main memory or processor register)Transfer data from specified source to I/O port or deviceTransfer instructions to I/O processor to initiate I/O operationTransfer status information from I/O system to specified destination

conversion

Translate

Convert

Translate values in a section of memory based on a table of correspondencesConvert the contents of a word from one form to another (e.g., packed decimal to binary)

Byte Order ลำาดบของ Byte• ขอมลใน byte ตางๆ มวธการจดเรยงยงไง โดยทวไปวธ

การจดเรยงจะมดงนคอ— Little Endian— Big Endian

• ตวอยาง มขอมลขนาด 32 Bit (Hex) คอ 12345678 ซงถกเกบในหนวยความจำาทตำาแหนง 184 ในเครองคอมพวเตอร ลกษณะการเกบขอมลสามารถเกบไดสองวธคอ

Byte Order (example)• Address Value (1) Value(2)• 184 12 78• 185 34 56• 186 56 34• 186 78 12 Big Endian Little Endian

Standard…What Standard?• Pentium (80x86), VAX are little-endian• IBM 370, Moterola 680x0 (Mac), and most

RISC are big-endian• Internet is big-endian

—Makes writing Internet programs on PC more awkward!

—WinSock provides htoi and itoh (Host to Internet & Internet to Host) functions to convert