第二章計(jì)算機(jī)中信息表示

第二章計(jì)算機(jī)中的信息表示

數(shù)據(jù)信息控制信息數(shù)值型數(shù)據(jù)非數(shù)值型數(shù)據(jù)指令信息等計(jì)數(shù)制基礎(chǔ)基數(shù)（Radix)：是指該進(jìn)位制中允許選用的基本數(shù)碼的個數(shù)。權(quán)(Weight)：每個數(shù)碼所表示的數(shù)值等于該數(shù)碼乘以一個與數(shù)碼所在位有關(guān)的常數(shù)，這個常數(shù)叫“位權(quán)”。簡稱“權(quán)”，權(quán)的大小是以基數(shù)為底，數(shù)碼所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪。二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換十—二進(jìn)制轉(zhuǎn)換BCD碼與二進(jìn)制數(shù)補(bǔ)碼性質(zhì)補(bǔ)碼沒有正零和負(fù)零之分

[+0]補(bǔ)

=0.00…0[-0]補(bǔ)

=1.11…1+0.00…1=0.00…0=[+0]補(bǔ)

符號位既表示數(shù)值又表示符號[-1]補(bǔ)=1.00…0補(bǔ)碼可以取到負(fù)方向最值已知[X]補(bǔ)，求[X]原已知[X]補(bǔ)，求[-X]補(bǔ)已知[X]補(bǔ)，求[2X]補(bǔ)，求[4X]補(bǔ)已知[X]補(bǔ)，求[X/2]補(bǔ)，求[X/4]補(bǔ)若[X]補(bǔ)=1.0100

第一節(jié)定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

2.1.1定點(diǎn)表示法：無符號數(shù)定點(diǎn)整數(shù)定點(diǎn)小數(shù)00000000～111111110～25511111111～01111111原原-127～127補(bǔ)10000000～01111111補(bǔ)

-128～1271.1111111～0.1111111原原-(1-2-7)～(1-2-7)1.0000000～0.1111111補(bǔ)補(bǔ)

-1～(1-2-7)12-7精度精度定點(diǎn)整數(shù)典型代碼值原碼絕對值最大負(fù)數(shù)-（2n–1）11……11原碼絕對值最小負(fù)數(shù)–110……01原碼最小非零正數(shù)+100……01原碼最大正數(shù)2n–101……11補(bǔ)碼絕對值最大負(fù)數(shù)-2n10……00補(bǔ)碼絕對值最小負(fù)數(shù)–111……11補(bǔ)碼最小非零正數(shù)+100……01補(bǔ)碼最大正數(shù)2n–101……11原碼定點(diǎn)整數(shù)表示范圍-（2n–1）——（2n–1）補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)表示范圍-2n——（2n–1）分辨率1E浮點(diǎn)數(shù)真值：N=+R×M階碼Ef

E1

…EmMf

M1

…Mn浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器格式：尾數(shù)階符數(shù)符R：階碼底，隱含約定。E：階碼，為定點(diǎn)整數(shù)，補(bǔ)碼或移碼表示。其位數(shù)決定數(shù)值范圍；階符表示數(shù)的大小。M：尾數(shù)，為定點(diǎn)小數(shù)，原碼或補(bǔ)碼表示。其位數(shù)決定數(shù)的精度；數(shù)符表示數(shù)的正負(fù)。尾數(shù)規(guī)格化：1/2≤M＜1最高有效位絕對值為12.1.2浮點(diǎn)表示法1.格式規(guī)格化在浮點(diǎn)運(yùn)算過程中，為了使尾數(shù)的有效數(shù)字不至于丟失，要求尾數(shù)的最高位為非0數(shù)碼，也就是要求結(jié)果是規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)。以補(bǔ)碼為例，正數(shù)規(guī)格化后，尾數(shù)的形式為：

0.1xx…x

負(fù)數(shù)規(guī)格化后，尾數(shù)的形式為：

1.0xx…x方法左規(guī)：尾數(shù)左移成規(guī)格化數(shù)右規(guī)：尾數(shù)右移成規(guī)格化數(shù)規(guī)格化舉例當(dāng)尾數(shù)符號位為01或10時需要右規(guī)：把尾數(shù)連同符號位右移一位、階碼加1。當(dāng)尾數(shù)符號位為11.1或00.0時需要左規(guī)：把尾數(shù)連同符號位左移一位、階碼減1，直到尾數(shù)出現(xiàn)00.1XX…X或11.0XX…X的形式為止。例：若補(bǔ)碼尾數(shù)為01.0010應(yīng)若補(bǔ)碼尾數(shù)為11.1101應(yīng)右規(guī)成00.1001左規(guī)成11.01002.表示范圍與精度P37階符1位，階碼m位，補(bǔ)碼表示，以2為底；數(shù)符1位，尾數(shù)n位，補(bǔ)碼表示，規(guī)格化。最小浮點(diǎn)數(shù)：最大浮點(diǎn)數(shù)：最小浮點(diǎn)正數(shù)：階碼為最大數(shù)：2

-1m尾數(shù)為絕對值最大的負(fù)數(shù)：-1尾數(shù)為最大數(shù)：階碼為最大數(shù)：2

-1m1-2-n階碼為最小數(shù)：-2

m尾數(shù)為最小正數(shù)：2-1表示范圍：-231～231

(1-2-9)例.某規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)用補(bǔ)碼表示，其中階碼6位，含1位階符；尾數(shù)10位，含1位數(shù)符。表示精度：2-33例：字長8位，3位表示階碼，5位表示尾數(shù),只考慮絕對值。則浮點(diǎn)機(jī)的表示范圍是

2-11*0.0001~211*0.1111即1/128~7.5

同樣字長，定點(diǎn)機(jī)的表示范圍是

0.0000001~0.1111111即1/128~127/128結(jié)論：相同字長，浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍遠(yuǎn)大于定點(diǎn)數(shù)

第二節(jié)指令信息的表示

指令：指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某類操作的信息的集合。本節(jié)主要討論：一般指令格式常用尋址方式面向用戶指令類型2.2.1指令格式指令基本格式操作碼θ地址碼D一個一個或幾個1.指令字長定長指令格式變長指令格式便于控制（1）定長操作碼各指令θ的位置、位數(shù)固定相同。（2）擴(kuò)展操作碼各指令θ的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化。合理利用存儲空間2.操作碼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志。例.指令字長16位，可含有3、2、1或0個地址，每個地址占4位。操作碼地址碼15~1211~87~43~00000X

Y

Z

1110X

Y

Z............11110000YZ

11111110

YZ............三地址指令15條二地址指令15條1111

11110000Z

111111111110Z............一地址指令15條1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16條（3）復(fù)合型操作碼操作碼分為幾部分，每部分表示一種操作。例.某機(jī)算邏指令3.地址結(jié)構(gòu)01234567815基本操作進(jìn)位移位回送判跳操作數(shù)指令中提供的地址數(shù)存儲單元地址碼寄存器編號（1）指令提供地址的方式顯地址方式隱地址方式:指令中明顯指明地址。:地址隱含約定,不出現(xiàn)在指令中。直接或間接給出（2）地址結(jié)構(gòu)的簡化操作數(shù)地址●四地址結(jié)構(gòu)指令格式：使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡化地址結(jié)構(gòu)。θD1D2D3D4結(jié)果地址下條指令地址功能：(D1)θ(D2)D3(D4)下條指令用指令計(jì)數(shù)器PC指示指令地址。●三地址結(jié)構(gòu)指令格式：操作數(shù)地址θD1D2D3結(jié)果地址下條指令地址功能：轉(zhuǎn)移時，用轉(zhuǎn)移地址修改PC內(nèi)容。(D1)θ(D2)D3(PC)+1PC源/目的●二地址結(jié)構(gòu)指令格式：θD1D2目的/源功能：(D1)θ(D2)D2/D1(PC)+1PC雙操作數(shù)：●一地址結(jié)構(gòu)指令格式：θD1隱含約定單操作數(shù)：功能：●零地址結(jié)構(gòu)指令格式：(D1)θ(A)A(PC)+1PCθ(D1)D1(PC)+1PCθ

功能：用于堆?；蛱厥庵噶畈僮?。例.ADD；執(zhí)行前：低SP102046SP3046執(zhí)行后：高低高2.3.2尋址方式是指尋找操作數(shù)地址或操作數(shù)的方式。操作碼θ立即數(shù)S（1）立即尋址指令直接給出操作數(shù)。1.常見尋址方式定長格式：變長格式：基本指令

立即數(shù)S數(shù)在指令中，其長度固定、有限。數(shù)在基本指令之后，其長度可變。用來提供常數(shù)、設(shè)置初值等。操作碼θ有效地址D（2）直接尋址指令直接給出操作數(shù)地址。存儲單元號寄存器號(數(shù)在M中)(數(shù)在R中)

●

存儲器直接尋址（直接尋址）定長格式D的位數(shù)有限,限制訪存范圍變長格式基本指令

DLDHD的位數(shù)可覆蓋整個存儲空間S=（D）操作碼θ寄存器號R存儲單元號寄存器號(數(shù)在M中)(數(shù)在M中)●

寄存器直接尋址（寄存器尋址）格式R所占位數(shù)少；訪問R比訪問M快格式S=（R）用于訪問固定的存儲單元或寄存器。（3）間接尋址指令給出操作數(shù)的間接地址。●

存儲器間址操作碼θ間接地址DD=00300060...0060S...S=((D))M間址單元地址指針操作碼θ寄存器號R●

寄存器間址格式R所占位數(shù)少；R可提供全字長地址碼；修改R內(nèi)容比修改M內(nèi)容快。S=((R))指針不變(由指令指定)，指針內(nèi)容可變，使同一指令可指向不同存儲單元，以實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)、共享，并提供轉(zhuǎn)移地址。R=02M00400040S.........地址指針●變址尋址（4）變址、基址尋址及其變化指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。變址寄存器號S=((RX)+D)格式操作碼θRXD形式地址修改量基準(zhǔn)地址D的位數(shù)有限，若不能提供全字長地址碼，會使訪存空間受到限制。例.用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內(nèi)的數(shù)組元素。D=首址D為存儲區(qū)首址；(RX)為所訪單元距離首址的長度；RX初值為0，每訪問一個單元，(RX)+1。n-1...012...D+1D+2D+n-1

...格式（D的位數(shù)只需覆蓋一個較小的存儲區(qū)間）●

基址尋址基址寄存器號Rb4K指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。操作碼θRbD位移量S=((Rb)+D)基準(zhǔn)地址相對于基址的位移M......…...…...Rb4K改變Rb的內(nèi)容，程序能訪問存儲空間中任何一個定長區(qū)間(4K)。便于訪問兩維數(shù)組中某類指定的元素。4K4KRbM......…...…...RbD=2D=2學(xué)生姓名性別性別年齡年齡學(xué)生姓名變址與基址的區(qū)別：變址：指令提供基準(zhǔn)量(不變)，

R提供修改量(可變)；適于處理一維數(shù)組?；罚褐噶钐峁┪灰屏?不變)，

R提供基準(zhǔn)量(可變)；用于擴(kuò)大有限字長指令的訪存空間。S=((RX)+(Rb)+D)格式●

基址加變址變址寄存器號指令給出兩個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。位移量操作碼θRXRbD基址寄存器號便于處理兩維數(shù)組。格式●

相對尋址指令給出位移量，PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址。位移量操作碼θPC

±D或隱含指定S=((PC)±D)有效地址相對PC上下浮動,給編程帶來方便。格式●

頁面尋址指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼接，形成有效地址。位移量操作碼θPC

D或隱含指定S=((PC)H，D)例.M為64KB，劃分為256頁，每頁256B。頁號頁內(nèi)地址用于頁式管理存儲系統(tǒng)。尋址速度快，適于組織程序模塊，有效利用存儲空間。PC0165H7C.........017CHS格式●

堆棧尋址操作碼θ堆棧指針SP

SP...S...S=((SP))M0070...棧頂SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。SP棧頂MS.........低高堆棧向上生成壓棧：SP自動減1，再存數(shù)。-(SP)，自減型間址。先取數(shù)，SP再自動加1。(SP)+，自增型間址。出棧：2.對尋址方式的說明

（1）操作碼隱含說明不同尋址方式例.某機(jī)指令操作碼最高兩位00：RR型指令，寄存器-寄存器尋址01：RX型指令，寄存器-變址尋址10：SI型指令，基址-立即尋址11：SS型指令，基址-基址尋址（2）指令中設(shè)置專門字段說明尋址方式例.某機(jī)指令的每個地址字段中各設(shè)置一個3位的尋址方式字段。操作碼θ尋址方式R尋址方式R源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3指令類型1.傳送指令源地址目的地址數(shù)設(shè)置時需考慮：（1）規(guī)定傳送范圍例.DJS-100系列：80X86：IBM370：R

MR

M，R

RR

M，R

R，M

M（2）指明傳送單位例.用操作碼說明(VAX-11)：用地址量說明(80X86)：傳送次數(shù)由計(jì)數(shù)器控制MOVB

8MOVAX，BX

(16)MOVW

16MOVL

32MOVAL，BL

(8)MOVEAX，EBX

(32)例.80X86的串傳送指令：REP

MOVSW（3）設(shè)置尋址方式在尋址方式的設(shè)置上幾乎不受限制，能比較集中地反映指令系統(tǒng)各種尋址方式的實(shí)現(xiàn)。2.輸入/輸出指令各種信息主機(jī)外設(shè)設(shè)置時需考慮：（1）I/O指令的功能擴(kuò)展如何用通用I/O指令實(shí)現(xiàn)對各種具體設(shè)備的控制？●I/O指令中留有擴(kuò)展余地指令中某些字段編碼事先不定義，需要時再約定其含義?！馡/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場合。（2）主機(jī)對外設(shè)的尋址方式如何設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器是接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。尋找I/O接口中的寄存器的方式。主機(jī)用輸出指令或傳送指令將具體設(shè)備的控制命令按約定的代碼格式送往接口中的控制寄存器，向外設(shè)發(fā)出命令。外設(shè)的狀態(tài)信息也以某種格式放在接口的狀態(tài)寄存器中，主機(jī)用輸入指令或傳送指令從狀態(tài)寄存器中取出有關(guān)信息進(jìn)行查詢、分析。I/O端口尋找I/O接口中的寄存器的方式。如何為I/O端口分配地址？●單獨(dú)編址I/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重疊。=1訪問存儲器=0訪問I/O端口需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問對象，如編址到寄存器：為每個寄存器(I/O端口)分配獨(dú)立的端口地址；

I/O指令中給出端口地址。M/IO●統(tǒng)一編址I/O端口占據(jù)部分主存空間。常將存儲空間的低端分配給主存單元，高端分配給I/O端口，以示區(qū)分。編址到寄存器●設(shè)置專用I/O指令針對單獨(dú)編址，用I/O指令訪問I/O端口。指令中說明輸入/輸出操作，并給出端口地址。

：為每個寄存器(I/O端口)分配總線地址；訪問外設(shè)時，指令中給出總線地址。（3）I/O指令設(shè)置方式顯式I/O指令例.80X86I/O指令設(shè)置

輸入：INAL，n；端口地址(n)AL(直接端口尋址)

INAL，DX；間接端口地址((DX))AL(間接端口尋址)

輸出：OUTn，AL；(AL)n(直接端口尋址)

OUTDX，AL；(AL)(DX)(間接端口尋址)主機(jī)調(diào)用輸入機(jī)：●用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作針對統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問I/O端口。不設(shè)專用I/O指令。例.某機(jī)I/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器CSR,其總線地址為177550(8進(jìn)制)數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR，其總線地址為177552隱式I/O指令控制/狀態(tài)字格式：出錯

故障

忙

完成

允許中斷

維護(hù)

校驗(yàn)

啟動151412