第02章 計(jì)算機(jī)中的q信息表示

第2章計(jì)算機(jī)中的信，量表示

計(jì)算機(jī)中兩類信息流：數(shù)據(jù)流和控制流

本章考察數(shù)據(jù)信息和控制信息的表示

第2章計(jì)算機(jī)中的信里表示

基本知識(shí)點(diǎn)：

機(jī)器數(shù)的概念；

原碼、補(bǔ)碼、真值之間的轉(zhuǎn)換；

定點(diǎn)和浮點(diǎn)數(shù)的表示、表示范圍；

指令的格式、尋址方式、尋址范圍、操作碼

擴(kuò)展技術(shù)；

指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第2章計(jì)算機(jī)中的信息表示

重點(diǎn)：定點(diǎn)、浮點(diǎn)數(shù)的表示；操作碼擴(kuò)展技

術(shù)；指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

難點(diǎn):浮點(diǎn)數(shù)的IEEE754格式表示，定點(diǎn)和

浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍，浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化問題，

操作碼擴(kuò)展技術(shù)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第2章計(jì)算機(jī)中的信息表示

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

一個(gè)數(shù)值型數(shù)據(jù)的完整表示包含如下幾個(gè)方

面：

,采用何種進(jìn)位計(jì)數(shù)制

?符號(hào)位的處理

?小數(shù)點(diǎn)的處理

?尾數(shù)的處理

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

構(gòu)成進(jìn)位計(jì)數(shù)制的基本要素：

?基數(shù)r

?各數(shù)位的權(quán)值i

工計(jì)算機(jī)中的常用進(jìn)位計(jì)數(shù)制

,二進(jìn)制

?八進(jìn)制

?十六進(jìn)制

?二—十進(jìn)制（BCD碼）

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

2.各種進(jìn)位計(jì)數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

(1)十進(jìn)制整數(shù)一二進(jìn)制整數(shù)

?減權(quán)定位法

,除基取余法

⑵十進(jìn)制小數(shù)一二進(jìn)制小數(shù)

?減權(quán)定位法

-乘除基取整法

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

2.各種進(jìn)位計(jì)數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

⑶二進(jìn)制整數(shù)一十進(jìn)制整數(shù)

?按權(quán)相加法

,逐次乘基相加法

(4)二進(jìn)制小數(shù)T十進(jìn)制小數(shù)

?按權(quán)相加法

?逐次除基相加法

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

真值

用正負(fù)符號(hào)加絕對(duì)值表示數(shù)值

機(jī)器數(shù)

在計(jì)算機(jī)中使用的連同數(shù)符一起數(shù)字化了的

數(shù)

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

?真值一機(jī)器數(shù)要解決的問題

*只能采用二進(jìn)制

*符號(hào)位的數(shù)字化

?小數(shù)點(diǎn)的處理

,數(shù)值部分的數(shù)字化表示

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

1.原碼表示法（符號(hào)■幅值表示法）

約定：

數(shù)碼序列中的最高位為符號(hào)位，符號(hào)位為0

表示該數(shù)為正）為1表示該數(shù)為負(fù)；其余有

效數(shù)值部分則用二進(jìn)制的絕對(duì)值表示。

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

(1)定點(diǎn)數(shù)原碼定義式：

,定點(diǎn)小數(shù)

若定點(diǎn)小數(shù)的原碼序列為

X0.X1X2……Xn,貝

-X1>X>0

原l-X=l+|X|O>X>-1

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

(1)定點(diǎn)數(shù)原碼定義式：

?定點(diǎn)整數(shù)

若定點(diǎn)整數(shù)的原碼序列為

X/n-l……X%,則

2n>X>0

L2n-X=2n+|X|0>X>-2n

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

⑵原碼特點(diǎn)

?數(shù)值0在原碼表示中可以有兩種形式）可稱

為+0與-0,但真值含義相同；

?符號(hào)位不是數(shù)值的一部分，是人為約定“0

正1負(fù)”，不能作為數(shù)值的一部分直接參加運(yùn)

算，需要單獨(dú)處理；

?對(duì)于小數(shù),1>X>-1；對(duì)于整數(shù)2n>X>-2n；

?用絕對(duì)值表示數(shù)值）直觀）乘除運(yùn)算簡(jiǎn)單

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

(1)補(bǔ)碼定義

?通式［X］補(bǔ)=乂+乂(modM)數(shù)X對(duì)模"的補(bǔ)

數(shù)稱作其補(bǔ)碼

若X>0,則模M作為正常溢出量可以舍去。

因而正數(shù)的補(bǔ)碼就是其本身，形式上與原碼

相同。

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

(1)補(bǔ)碼定義

?若定點(diǎn)小數(shù)的補(bǔ)碼序列為x0.X1X2……Xn,貝”

「1X1>X>0

X、L=f

補(bǔ)12+X=2-|X|O>X>-1

?若定點(diǎn)整數(shù)的補(bǔ)碼序列為X/nT……X1X。,則

[X2n>X>0

補(bǔ)I2n+i+X=2n+i—|X|0>X>-2n

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

⑵對(duì)補(bǔ)碼的一種理解方法：

值盒子(valuebox)

盒子的最右端是1(2。)，往左一個(gè)連續(xù)位置其

值加倍，直到最左端，但最左端的值是負(fù)的

-1286432168421

一個(gè)8位置的2的補(bǔ)碼值盒

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

⑵值盒子(valuebox)

-1286432168421

10000011

-128+2+1=-125

］尋二進(jìn)制10000011轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制

-1286432168421

10001000

-120=-128+8

修十進(jìn)制■120轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

⑶由真值、原碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼

?正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同。

?負(fù)數(shù)方法1:變反加1

?負(fù)數(shù)方法2：符號(hào)位不變，尾數(shù)部分自低

位向高位)第一個(gè)1及之后的0維持不變,

其余各位變反。

(4)由補(bǔ)碼表示轉(zhuǎn)換為真值、原碼

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

2.補(bǔ)碼表示法

⑸補(bǔ)碼特點(diǎn)

?最高位表示數(shù)的正負(fù)（0正1負(fù)）；

?能夠化減為加（負(fù)數(shù)映射到正數(shù)域）；

?需要解決負(fù)數(shù)求補(bǔ)的問題；

?數(shù)0只有一種表示；

?表示范圍比原碼稍寬；

?位長(zhǎng)度擴(kuò)展：用符號(hào)位填充

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.2帶符號(hào)數(shù)的表示

3.反碼表示法

?若定點(diǎn)小數(shù)的反碼序列為X0.X/2……Xn,則

兇｛X1>X>O

I2-2-n+XO>X>-1

?若定點(diǎn)整數(shù)的反碼序列為XnXnT……X%,則

「VI_fx2n>X>0

[X]反—I

L2升1-l+x0>X>-2n

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

1.定點(diǎn)表示法

定點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)位置固定不變的數(shù)

定點(diǎn)數(shù)是各種數(shù)據(jù)類型中最簡(jiǎn)單、最基本的

一種數(shù)據(jù)表示，用于表示二進(jìn)制形式具有固

定比例換算的量。

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

1.定點(diǎn)表示法

分類：小數(shù)點(diǎn)固定在最低位右邊的數(shù)稱為定

點(diǎn)整數(shù)；小數(shù)點(diǎn)固定在最高數(shù)據(jù)位的左邊，

稱為定點(diǎn)小數(shù)。定點(diǎn)數(shù)可以表示為帶符號(hào)的

或不帶符號(hào)的數(shù)。

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

1.定點(diǎn)表示法

(1)無符號(hào)定點(diǎn)整數(shù)

設(shè)代碼序列為：XnXn_T……X^o,

典型值真值代碼序列

最大正數(shù)2n+1-11111

非零最小正數(shù)10001

表示范圍：0~2n+J1;分辨率：1

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑵帶符號(hào)定點(diǎn)整數(shù)

設(shè)代碼序列為：XnXn_T……X^o,Xn為符號(hào)位

原碼補(bǔ)碼

典型值

真值代碼序列真值代碼序列

最大正數(shù)2n-l01112n-l0111

非零最小正數(shù)1000110001

絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)-(2n-l)11?…?11-2n1000

絕對(duì)值最小負(fù)數(shù)-11001-11111

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑶帶符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)

設(shè)代碼序列為xo.X2X2……XTXn,X。為符號(hào)位

原碼補(bǔ)碼

典型值

真值代碼序列真值代碼序列

最大正數(shù)1-2-00.1???11l-2n0.1?11

非零最小正數(shù)2-n0,0012-n0.001

絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)1.1-11-11.000

絕對(duì)值最小負(fù)數(shù)-2~n1.001-2~n1.1-11

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

2.浮點(diǎn)表示法

(1)浮點(diǎn)數(shù)格式(原理性)

N=tRExM其中：

N：真值RE：比例因子

E：階碼R：階碼的底

M：尾數(shù)一般采取規(guī)格化的約定

<、j<、>

階碼磐尾數(shù)

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

2.浮點(diǎn)表示法

⑵移碼（增碼）

設(shè)移碼序列為（…XiXo,則

乂移=2m+X-2m<X<2m

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

例：真值、原碼、補(bǔ)碼、移碼對(duì)照

（8位，1位符號(hào)位）

十進(jìn)制真值二進(jìn)制真值原碼補(bǔ)碼移碼

-128-10000000無1000000000000000

-127-01111111111111111000000100000001

???

-1-00000001100000011111111101111111

+0(-0)000000000(1)00000000000000010000000

+100000001000000010000000110000001

???

+12701111111011111110111111111111111

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑶表示范圍與精度

設(shè)浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼山+1位，含一位階符，補(bǔ)碼

表示，以2為底；尾數(shù)n+1位，含一位數(shù)符，補(bǔ)碼

表示，規(guī)格化。

典型值浮點(diǎn)數(shù)代碼真值

最大正數(shù)01-1,0.11-122T(1—2~)

非零最小正數(shù)10…0,0,10…0(2-1)

絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)01-1,1.00-0—2(―1)

絕對(duì)值最小負(fù)數(shù)工0???0,1.10-02-”(—2-1)

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

改變R對(duì)浮點(diǎn)數(shù)特性的影響：

,可表示數(shù)的范圍

隨R的增大而增大

,可表示數(shù)的個(gè)數(shù)（規(guī)格化）

隨R的增大而增加

,數(shù)在數(shù)軸上的分布

R越大越稀疏

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表邙法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

改變R對(duì)浮點(diǎn)數(shù)特性的影響：

,可表示數(shù)的精度

隨R的增大單調(diào)下降

?運(yùn)算中的精度損失

R越大損失越小

?運(yùn)算速度

R越大運(yùn)算速度越快

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

(4)真值與浮點(diǎn)數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

⑸IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

最重要的浮點(diǎn)表示法定義在IEEE754標(biāo)準(zhǔn)中。

開發(fā)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是為了便于程序從一類處理器

遷移到另一類處理器上時(shí)的可移植性，也為

了促進(jìn)研制更為復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算程序。

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑸IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義了32位的單精度和64位的雙精

度兩種格式及80位的擴(kuò)展格式

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑸IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

-單精度浮點(diǎn)數(shù)

Seme取值范圍：

數(shù)'、'"Y'

符8位階碼23位尾數(shù)1254

真值指數(shù)范圍：

真值：（-1），xl.mx2e~127-126+127

注：尾數(shù)用原碼表示

754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)采用：偏移指數(shù)，隱含基數(shù)，隱含小數(shù)點(diǎn)左邊的1的方法

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑸IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

?雙精度浮點(diǎn)數(shù)

seme取值范圍：

數(shù)、r'

符11位階碼52位尾數(shù)1~2046

真值取值范圍：

真值：(-1)5xl.mx2e-1023-1022+1023

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表個(gè)方法

2.1.3數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示

⑸IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

?IEEE754浮點(diǎn)數(shù)的解釋:

Ac全0,加全0:機(jī)器0

Ac全1,勿全0：無窮大

Ac全1,"不全為0:NaN

?￡全0,〃不全為0：反規(guī)格化數(shù)

?此外，規(guī)格化非零浮點(diǎn)數(shù)

2.2子付表ZF

2.2.1ASCH碼

美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(AmericanStandard

CodeForInformationInterchange))簡(jiǎn)

稱ASCH碼。

2.2子付表ZF

2.2.2漢字編碼簡(jiǎn)介

1.漢字內(nèi)碼（用于內(nèi)部處理）

用于漢字信息的存儲(chǔ)、交換、檢索等操作的

機(jī)內(nèi)代碼，一般采用兩個(gè)字節(jié)表示

2,2子付表ZF

2.2.2漢字編碼簡(jiǎn)介

2.漢字輸入碼（用于輸入）

直接使用西文標(biāo)準(zhǔn)鍵盤把漢字輸入到計(jì)算機(jī)。

當(dāng)前采用的方法有：

?區(qū)位碼?拼音碼?字形編碼（五筆字型）

?語音識(shí)別、圖象識(shí)別

3.漢字字模碼（用于輸出）

2.3指令信息的表示

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)編程人員能看見同

一機(jī)器的分界是機(jī)器指令集。

從設(shè)計(jì)者的觀點(diǎn)看，機(jī)器指令集提出了對(duì)CPU

的功能性需求；

從用戶的觀點(diǎn)看，選取機(jī)器語言的用戶必定

要通曉機(jī)器所直接支持的寄存器和存儲(chǔ)器結(jié)

構(gòu)、數(shù)據(jù)類型以及ALU的功能。

2.3指令信息的表示

CPU的操作被它執(zhí)行的指令所確定，這些指令

被稱為機(jī)器指令或計(jì)算機(jī)指令。

CPU可完成的各類功能反映在為CPU定義的各

類指令中。

CPU能執(zhí)行的各種不同指令的集合稱為CPU的

指令集(instructionset),也叫指令系統(tǒng)。

2.3指令信息的表示

在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，指令由一個(gè)位串來表示。相

應(yīng)于指令的各要素，這些位串劃分成幾個(gè)字

段。指令的這種狀況稱為指令格式

(instructionformat)o

一條指令控制實(shí)現(xiàn)一步操作。

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

1.指令中的基本信息

指令中應(yīng)包含的內(nèi)容：

,進(jìn)行何種操作

?數(shù)據(jù)的來源

,結(jié)果的去向

?后繼指令地址I操作碼I地址碼

前者體現(xiàn)為操作碼(operationcode)

后三者體現(xiàn)為地址碼

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

(1)操作碼

指明操作性質(zhì)，是區(qū)別不同指令的依據(jù)

⑵操作數(shù)或操作數(shù)地址

參加運(yùn)算操作的數(shù)據(jù)稱為操作數(shù)。

⑶存放運(yùn)算結(jié)果的地址

指明運(yùn)算結(jié)果的存放位置

(4)后繼指令地址

告知CPU本條指令執(zhí)行完畢后到哪里去取下一

條指令

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

一條指令需要的最大地址數(shù)是多少?

對(duì)于二元運(yùn)算：

?兩個(gè)地址來訪問操作數(shù)

?一個(gè)地址來存放運(yùn)算結(jié)果

,下一條指令的地址

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

(1)四地址指令

OPA1A2A3A4

指令功能：(Al)OP(A2)-A3

A4：后繼指令地址

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

⑵三地址指令

OPAlA2A3

指令功能：(Al)OP(A2)-A3

(PC)+n-PC

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

⑶二地址指令

OPAlA2

指令功能：(Al)OP(A2)-A1

(PC)+n-PC

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

(4)一地址指令OPA

?單操作數(shù)指令

指令功能：OP(A)-A

(PC)+n-PC

?雙操作數(shù)指令

指令功能：(AC)OP(A)-AC

(PC)+n-PC

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

⑸零地址指令|OP

?零操作數(shù)指令

?單操作數(shù)指令

指令功能:OP(AC)-AC

(PC)+n-PC

?隱含指定操作數(shù)來源于堆棧

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

每條指令應(yīng)包含的地址數(shù)目是基本的設(shè)計(jì)決

策。

指令中的地址數(shù)目越少，則指令的長(zhǎng)度越短,

指令也越原始（不需要復(fù)雜的CPU）。另一方

面它又會(huì)使程序的總的指令條數(shù)更多，程序

也更復(fù)雜。

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

為了靈活性和使用多寄存器的能力，大多數(shù)

當(dāng)代計(jì)算機(jī)采用了雙地址和三地址指令的混

合方式。

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

2.指令中的地址結(jié)構(gòu)

對(duì)地址數(shù)目選擇的影響另一個(gè)因素：

地址是引用到存儲(chǔ)器位置還是寄存器的設(shè)計(jì)

考慮。

結(jié)果是：

大多數(shù)CPU設(shè)計(jì)成有多種指令格式

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

3.操作碼結(jié)構(gòu)

操作碼位數(shù)決定了操作類型的多少

(1)固定長(zhǎng)度操作碼

⑵可變長(zhǎng)度操作碼采用操作碼擴(kuò)展技術(shù)，

讓操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加。

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

3.操作碼結(jié)構(gòu)

例：

設(shè)某指令系統(tǒng)指令字長(zhǎng)16位，最多可給出3

個(gè)地址段X、Y、Z,每個(gè)地址段占4位。試給

出一種擴(kuò)展操作碼方案

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

3.操作碼結(jié)構(gòu)

⑶單功能型或復(fù)合型操作碼

?單功能型操作碼操作碼只表示一種操作

含義

?復(fù)合型操作碼將操作碼分組，組合成豐

富的含義

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

4.指令字長(zhǎng)

指令格式的長(zhǎng)度是最基本的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，它

決定了匯編程序員所看到的機(jī)器的靈活程度。

?需要考慮的因素

2.3指令信息的表示

2.3.1指令格式

4.指令字長(zhǎng)

需要考慮的因素：

?在強(qiáng)有力的指令清單和必須節(jié)省空間之間

權(quán)衡

?指令字長(zhǎng)和機(jī)器字長(zhǎng)間的關(guān)系

?指令長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)是字符長(zhǎng)度或定點(diǎn)數(shù)長(zhǎng)度的

整數(shù)倍

(1)固定字長(zhǎng)指令⑵變字長(zhǎng)指令

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

尋址方式：

指令中提供操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

CPU根據(jù)指令約定的尋址方式對(duì)地址字段的

有關(guān)信息作出解釋，以找到操作數(shù)。

操作數(shù)的存放位置：

?主存或虛存

?CPU寄存器

?I/O設(shè)備

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

指令格式中地址字段非常有限，要想有能力

大范圍地訪問主存或虛存，就要采用各種尋

址技術(shù)。這涉及到在尋址范圍和尋址靈活性

之間，以及存儲(chǔ)器引用數(shù)和地址計(jì)算復(fù)雜性

之間的權(quán)衡考慮。

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

1.立即尋址(immediateaddressing)

操作數(shù)在指令中，取出了指令的同時(shí)也就取

出了操作數(shù)

OPA操作數(shù)=A

優(yōu)點(diǎn)：不必為獲取操作數(shù)再次訪問存儲(chǔ)器,

節(jié)省一個(gè)存儲(chǔ)器或Cache周期。

缺點(diǎn)：數(shù)的大小受限于地址字段的長(zhǎng)度

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

2.直接尋址(directaddressing)

指令中直接給出操作數(shù)的地址

OPA主存

>AS

操作數(shù)有效地址EA=A

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，且只進(jìn)行一次存儲(chǔ)器訪問

缺點(diǎn)：有效地址是指令的一部分，不能動(dòng)也

改變；尋址空間有限

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

3.寄存器尋址(registeraddressing)

指令中直接給出操作數(shù)所在的寄存器號(hào)

OPR

操作數(shù)有效地址EA=R

優(yōu)點(diǎn)：指令中僅需要一個(gè)較小的地址字段

無存儲(chǔ)器訪問

指令長(zhǎng)度短

缺點(diǎn)：尋址空間有限

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

4■間接尋址(indirectaddressing)

指令中直接給出操作數(shù)地址的地址

—OP——A―主存

操作數(shù)有效地址EA=(A)

(A)：A中的內(nèi)容s

優(yōu)點(diǎn)：編程靈活

______尋址空間大(2NN：內(nèi)存數(shù)據(jù)線寬度)

缺點(diǎn)：多重存儲(chǔ)器訪問

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

5.寄存器間接尋址(registerindirect

addressing)

指令中直接給出寄存器號(hào)，該寄存器中存放

操作數(shù)地址

主存

OPR

AAS

操作數(shù)有效地址EA=(R)

注：通過多重讀取提供地址的可變性

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

5.寄存器間接尋址

優(yōu)點(diǎn)：尋址空間大，減少地址碼的位數(shù)

缺點(diǎn)：增加一次存儲(chǔ)器訪問

變化：自增型寄存器間接尋址（R）+

自減型寄存器間接尋址-（R）

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

6.變址尋址（indexing）

指令中給出形式地址，該地址與變址寄存器

（顯示或隱式給出）的內(nèi)容相加，作為操作數(shù)

的有效內(nèi)存地址。

主存

操作數(shù)有效地址EA=A+（R）

注：地址域引用一個(gè)主存地址，被引用的寄存器含有該地址的一個(gè)正的偏移量

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

6.變址尋址（indexing）

優(yōu)點(diǎn)：靈活

缺點(diǎn)：復(fù)雜

變化：自動(dòng)變址，每次引用后遞增（減）

操作數(shù)有效地址EA=A+（R）

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

7.基址寄存器尋址(base-registeraddressing)

指令中的形式地址作為偏移量，該地址與基

址寄存器(顯示或隱式給出)的內(nèi)容相加，作

為操作數(shù)的有效內(nèi)存地址。

主存

優(yōu)點(diǎn)：靈活

s缺點(diǎn)：復(fù)雜

操作數(shù)有效地址EA=A+(R)

注：被引用的寄存器含有存儲(chǔ)器地址，地址段含有該地址的偏移量(無符號(hào)整數(shù))

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

8.基址加變址

?前變址(pre-indexing)EA=(A+(R))

?后變址(post-indexing)EA=(A)+(R)

應(yīng)用：

訪問多路轉(zhuǎn)移表、處理二維數(shù)組或表格

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

9.相對(duì)尋址(relativeaddressing)

隱含引用PC中的內(nèi)容作為基準(zhǔn)地址，與指令

中的形式地址(補(bǔ)碼)相加)形成操作數(shù)的有

效地址

主存

操作數(shù)有效地址EA=(PC)+d

特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)程序的浮動(dòng)

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

10.頁面尋址(pageaddressing)

PC高位作為操作數(shù)有效地址的高位，指令中

的形式地址作為操作數(shù)地址的低位。

操作數(shù)有效地址EA=(PC)H+d

特點(diǎn)：

在頁式存儲(chǔ)管理方案中，可快速定位

2.3指令信息的表示

2.3.2常見尋址方式

11.堆棧尋址(stackaddressing)

是一種隱含尋址方式，指令中不需要給出一

個(gè)存儲(chǔ)器引用，而是隱含指示操作發(fā)生在棧

頂。

優(yōu)點(diǎn)：無處儲(chǔ)器訪問

缺點(diǎn)：應(yīng)用有限

尋址方式舉例

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)最具影響的方面是指令集

的設(shè)計(jì)。它影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的諸多方面：

?指令集定義了CPU應(yīng)完成的多數(shù)功能，對(duì)

CPU的實(shí)現(xiàn)有顯著影響

?指令集是程序員控制CPU的方式，因此設(shè)

計(jì)指令集時(shí)必須考慮程序員的要求。

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

在指令集設(shè)計(jì)的最根本出發(fā)點(diǎn)上還存在爭(zhēng)議:

?操作指令表應(yīng)提供多少和什么樣的操作，

操作將是何等復(fù)雜；

?數(shù)據(jù)類型對(duì)幾種數(shù)據(jù)類型完成操作；

?指令格式指令的長(zhǎng)度、地址數(shù)目、各個(gè)字

段的大??；

?寄存器能被指令訪問的CPU寄存器數(shù)據(jù)以

及它們的用途；

?尋址方式指定操作數(shù)地址的產(chǎn)生方式。

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

不同的機(jī)器指令系統(tǒng)各不相同。一個(gè)完善的

指令系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四方面的要求：

,完備性

,有效性

?規(guī)整性

?兼容性

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

不同的機(jī)器指令系統(tǒng)各不相同。一個(gè)完善的

指令系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四方面的要求：

,完備性

是指在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間，對(duì)于任何

可解的問題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令系統(tǒng)直

接提供的指令足夠使用。這是一個(gè)原則性要

求）很難確定一個(gè)完備性的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

,有效性

是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效

率地運(yùn)行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲(chǔ)

空間小、解題速度快。

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

?規(guī)整性

是指指令操作的對(duì)稱性、勻齊性，指令格式

和數(shù)據(jù)格式的一致性。指令操作的對(duì)稱性是

指在運(yùn)算時(shí)，所有寄存（存儲(chǔ)）單元都可同

等對(duì)待，不論哪一個(gè)操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果都可

不受約束地存于任一單元；指令操作的勻齊

性是指一種性質(zhì)的操作可適用于各種數(shù)據(jù)類

型；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性主要指指

令字長(zhǎng)與數(shù)據(jù)字長(zhǎng)有一個(gè)規(guī)整的關(guān)系，便于

程序的加工處理。

2.3指令信息的表示

2.3,3指令的功能和類型

?兼容性

系列機(jī)各機(jī)種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共

同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，

即各機(jī)種上基本軟件可以通用（向上兼容）

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

指令的分類：

1.按指令格式分類

,雙操作數(shù)指令

?單操作數(shù)指令

?轉(zhuǎn)移指令等

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

指令的分類：

2.按操作數(shù)尋址方式分類

?RR型（寄存器-寄存器型）

?RX型（寄存器-變址存儲(chǔ)器型）

?RS型（寄存器-存儲(chǔ)器型）

?SI型（寄存器-立即數(shù)型）

?SS型（存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器寄）

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

3.按指令功能分類

(1)數(shù)據(jù)傳送類指令

設(shè)置傳送類指令應(yīng)說明的問題:

,規(guī)定傳送范圍；

?指明傳送單位；

?設(shè)置尋址方式。

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

3.按指令功能分類

⑵輸入/輸出指令

?設(shè)置專用的I/O指令

?用數(shù)據(jù)傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作

?通過I/O處理機(jī)進(jìn)行I/O操作

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

3.按指令功能分類

⑶算術(shù)邏輯運(yùn)算指令

?算術(shù)運(yùn)算指令

■邏輯運(yùn)算指令與、或、非、異或

?移位指令算術(shù)移位、邏輯移位

2.3指令信息的表示—

2.3.3指令的功能和類型

3.按指令功能分類

(4)程序控制類指令

?轉(zhuǎn)移指令

?轉(zhuǎn)子程序指令與返回指令

?軟中斷指令

2.3指令信息的表示

2.3.3指令的功能和類型

3.按指令功能分類

⑸其他指令

?數(shù)據(jù)處理指令

?面向數(shù)組的指令

?面向操作系統(tǒng)的指令

2.4RISC技術(shù)

2.4.1RISC的產(chǎn)生與發(fā)展

指令的分類：

1.按指令格式分類

,雙操作數(shù)指令

?單操作數(shù)指令

?轉(zhuǎn)移指令等

2.4RISC技術(shù)

2.4.2RISC的主要特征

指令的分類：

1.按指令格式分類

,雙操作數(shù)指令

?單操作數(shù)指令

?轉(zhuǎn)移指令等

2.4RISC技術(shù)

2.4.3RISC和CISC的比較

指令的分類：

1.按指令格式分類

,雙操作數(shù)指令

?單操作數(shù)指令

?轉(zhuǎn)移指令等

2.5指令格式舉例——PDP-11

OptorivStiarcrDesi1mtionOpcodeRSourerOpcock(Mfot

66736XX

Opcotk1FPDestinationSOpcodeDestination6Opct'odderCCC<：

A26106124

7OpcodeROptudc?1OpcodeSounrvDestinationMEW口Adrkess

1331646616

Open加RSourerMtanonAddrtsa

73616

OpcodeFPSourceMemoi*)Addreai

X2616

OpcotfcDominationMemoi,)AddresH

10616

13Opc”加S<ruiveIkstinationAddr團(tuán)1MvnwnAddrtas2

46616M

NumbersbvlowAddsindirbitlength

SuurucandDestinationeachcontaina3-bltaddressingmodefieldanda3-bitregisternumber

FPindicates<nwoffi>urfloating-pointregisters

RIndicatesone<ifthegeneral-purposeregisters

CCistheconditiontockfk?id

2.5指令格式舉例——PowerPC(1)

6hits

BranchLongImmediateAL

BrGitidh加hnlOptions(RBitBranchDtsplnccinetitAL

BrGmdiiMtiMOptionsCRBHllMitrectIhbol^ghLthkutColIMKqteutL

(alBranchinstructIOILS

CRDestB