第二章计算机中信息表示

第二章计算机中的信息表示

数据信息控制信息数值型数据非数值型数据指令信息等计数制基础基数（Radix)：是指该进位制中允许选用的基本数码的个数。权(Weight)：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位有关的常数，这个常数叫“位权”。简称“权”，权的大小是以基数为底，数码所在位置的序号为指数的整数次幂。二—十进制转换十—二进制转换BCD码与二进制数补码性质补码没有正零和负零之分

[+0]补

=0.00…0[-0]补

=1.11…1+0.00…1=0.00…0=[+0]补

符号位既表示数值又表示符号[-1]补=1.00…0补码可以取到负方向最值已知[X]补，求[X]原已知[X]补，求[-X]补已知[X]补，求[2X]补，求[4X]补已知[X]补，求[X/2]补，求[X/4]补若[X]补=1.0100

第一节定点表示与浮点表示

2.1.1定点表示法：无符号数定点整数定点小数00000000～111111110～25511111111～01111111原原-127～127补10000000～01111111补

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

-1～(1-2-7)12-7精度精度定点整数典型代码值原码绝对值最大负数-（2n–1）11……11原码绝对值最小负数–110……01原码最小非零正数+100……01原码最大正数2n–101……11补码绝对值最大负数-2n10……00补码绝对值最小负数–111……11补码最小非零正数+100……01补码最大正数2n–101……11原码定点整数表示范围-（2n–1）——（2n–1）补码定点整数表示范围-2n——（2n–1）分辨率1E浮点数真值：N=+R×M阶码Ef

E1

…EmMf

M1

…Mn浮点数机器格式：尾数阶符数符R：阶码底，隐含约定。E：阶码，为定点整数，补码或移码表示。其位数决定数值范围；阶符表示数的大小。M：尾数，为定点小数，原码或补码表示。其位数决定数的精度；数符表示数的正负。尾数规格化：1/2≤M＜1最高有效位绝对值为12.1.2浮点表示法1.格式规格化在浮点运算过程中，为了使尾数的有效数字不至于丢失，要求尾数的最高位为非0数码，也就是要求结果是规格化浮点数。以补码为例，正数规格化后，尾数的形式为：

0.1xx…x

负数规格化后，尾数的形式为：

1.0xx…x方法左规：尾数左移成规格化数右规：尾数右移成规格化数规格化举例当尾数符号位为01或10时需要右规：把尾数连同符号位右移一位、阶码加1。当尾数符号位为11.1或00.0时需要左规：把尾数连同符号位左移一位、阶码减1，直到尾数出现00.1XX…X或11.0XX…X的形式为止。例：若补码尾数为01.0010应若补码尾数为11.1101应右规成00.1001左规成11.01002.表示范围与精度P37阶符1位，阶码m位，补码表示，以2为底；数符1位，尾数n位，补码表示，规格化。最小浮点数：最大浮点数：最小浮点正数：阶码为最大数：2

-1m尾数为绝对值最大的负数：-1尾数为最大数：阶码为最大数：2

-1m1-2-n阶码为最小数：-2

m尾数为最小正数：2-1表示范围：-231～231

(1-2-9)例.某规格化浮点数用补码表示，其中阶码6位，含1位阶符；尾数10位，含1位数符。表示精度：2-33例：字长8位，3位表示阶码，5位表示尾数,只考虑绝对值。则浮点机的表示范围是

2-11*0.0001~211*0.1111即1/128~7.5

同样字长，定点机的表示范围是

0.0000001~0.1111111即1/128~127/128结论：相同字长，浮点数的表示范围远大于定点数

第二节指令信息的表示

指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。本节主要讨论：一般指令格式常用寻址方式面向用户指令类型2.2.1指令格式指令基本格式操作码θ地址码D一个一个或几个1.指令字长定长指令格式变长指令格式便于控制（1）定长操作码各指令θ的位置、位数固定相同。（2）扩展操作码各指令θ的位置、位数不固定，根据需要变化。合理利用存储空间2.操作码结构关键在设置扩展标志。例.指令字长16位，可含有3、2、1或0个地址，每个地址占4位。操作码地址码15~1211~87~43~00000X

Y

Z

1110X

Y

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

11111110

YZ............三地址指令15条二地址指令15条1111

11110000Z

111111111110Z............一地址指令15条1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16条（3）复合型操作码操作码分为几部分，每部分表示一种操作。例.某机算逻指令3.地址结构01234567815基本操作进位移位回送判跳操作数指令中提供的地址数存储单元地址码寄存器编号（1）指令提供地址的方式显地址方式隐地址方式:指令中明显指明地址。:地址隐含约定,不出现在指令中。直接或间接给出（2）地址结构的简化操作数地址●四地址结构指令格式：使用隐地址可以减少指令中的地址数，简化地址结构。θD1D2D3D4结果地址下条指令地址功能：(D1)θ(D2)D3(D4)下条指令用指令计数器PC指示指令地址。●三地址结构指令格式：操作数地址θD1D2D3结果地址下条指令地址功能：转移时，用转移地址修改PC内容。(D1)θ(D2)D3(PC)+1PC源/目的●二地址结构指令格式：θD1D2目的/源功能：(D1)θ(D2)D2/D1(PC)+1PC双操作数：●一地址结构指令格式：θD1隐含约定单操作数：功能：●零地址结构指令格式：(D1)θ(A)A(PC)+1PCθ(D1)D1(PC)+1PCθ

功能：用于堆栈或特殊指令操作。例.ADD；执行前：低SP102046SP3046执行后：高低高2.3.2寻址方式是指寻找操作数地址或操作数的方式。操作码θ立即数S（1）立即寻址指令直接给出操作数。1.常见寻址方式定长格式：变长格式：基本指令

立即数S数在指令中，其长度固定、有限。数在基本指令之后，其长度可变。用来提供常数、设置初值等。操作码θ有效地址D（2）直接寻址指令直接给出操作数地址。存储单元号寄存器号(数在M中)(数在R中)

●

存储器直接寻址（直接寻址）定长格式D的位数有限,限制访存范围变长格式基本指令

DLDHD的位数可覆盖整个存储空间S=（D）操作码θ寄存器号R存储单元号寄存器号(数在M中)(数在M中)●

寄存器直接寻址（寄存器寻址）格式R所占位数少；访问R比访问M快格式S=（R）用于访问固定的存储单元或寄存器。（3）间接寻址指令给出操作数的间接地址。●

存储器间址操作码θ间接地址DD=00300060...0060S...S=((D))M间址单元地址指针操作码θ寄存器号R●

寄存器间址格式R所占位数少；R可提供全字长地址码；修改R内容比修改M内容快。S=((R))指针不变(由指令指定)，指针内容可变，使同一指令可指向不同存储单元，以实现程序的循环、共享，并提供转移地址。R=02M00400040S.........地址指针●变址寻址（4）变址、基址寻址及其变化指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。变址寄存器号S=((RX)+D)格式操作码θRXD形式地址修改量基准地址D的位数有限，若不能提供全字长地址码，会使访存空间受到限制。例.用变址方式访问一组连续区间内的数组元素。D=首址D为存储区首址；(RX)为所访单元距离首址的长度；RX初值为0，每访问一个单元，(RX)+1。n-1...012...D+1D+2D+n-1

...格式（D的位数只需覆盖一个较小的存储区间）●

基址寻址基址寄存器号Rb4K指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。操作码θRbD位移量S=((Rb)+D)基准地址相对于基址的位移M......…...…...Rb4K改变Rb的内容，程序能访问存储空间中任何一个定长区间(4K)。便于访问两维数组中某类指定的元素。4K4KRbM......…...…...RbD=2D=2学生姓名性别性别年龄年龄学生姓名变址与基址的区别：变址：指令提供基准量(不变)，

R提供修改量(可变)；适于处理一维数组。基址：指令提供位移量(不变)，

R提供基准量(可变)；用于扩大有限字长指令的访存空间。S=((RX)+(Rb)+D)格式●

基址加变址变址寄存器号指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。位移量操作码θRXRbD基址寄存器号便于处理两维数组。格式●

相对寻址指令给出位移量，PC内容与位移量之和为有效地址。位移量操作码θPC

±D或隐含指定S=((PC)±D)有效地址相对PC上下浮动,给编程带来方便。格式●

页面寻址指令给出位移量，PC的高位部分与位移量拼接，形成有效地址。位移量操作码θPC

D或隐含指定S=((PC)H，D)例.M为64KB，划分为256页，每页256B。页号页内地址用于页式管理存储系统。寻址速度快，适于组织程序模块，有效利用存储空间。PC0165H7C.........017CHS格式●

堆栈寻址操作码θ堆栈指针SP

SP...S...S=((SP))M0070...栈顶SP既可出现在指令中，也可隐含约定。SP栈顶MS.........低高堆栈向上生成压栈：SP自动减1，再存数。-(SP)，自减型间址。先取数，SP再自动加1。(SP)+，自增型间址。出栈：2.对寻址方式的说明

（1）操作码隐含说明不同寻址方式例.某机指令操作码最高两位00：RR型指令，寄存器-寄存器寻址01：RX型指令，寄存器-变址寻址10：SI型指令，基址-立即寻址11：SS型指令，基址-基址寻址（2）指令中设置专门字段说明寻址方式例.某机指令的每个地址字段中各设置一个3位的寻址方式字段。操作码θ寻址方式R寻址方式R源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3指令类型1.传送指令源地址目的地址数设置时需考虑：（1）规定传送范围例.DJS-100系列：80X86：IBM370：R

MR

M，R

RR

M，R

R，M

M（2）指明传送单位例.用操作码说明(VAX-11)：用地址量说明(80X86)：传送次数由计数器控制MOVB

8MOVAX，BX

(16)MOVW

16MOVL

32MOVAL，BL

(8)MOVEAX，EBX

(32)例.80X86的串传送指令：REP

MOVSW（3）设置寻址方式在寻址方式的设置上几乎不受限制，能比较集中地反映指令系统各种寻址方式的实现。2.输入/输出指令各种信息主机外设设置时需考虑：（1）I/O指令的功能扩展如何用通用I/O指令实现对各种具体设备的控制？●I/O指令中留有扩展余地指令中某些字段编码事先不定义，需要时再约定其含义。●I/O接口中设置控制/状态寄存器用于外设种类、数量不多的场合。（2）主机对外设的寻址方式如何设置控制/状态寄存器是接口设计的关键。寻找I/O接口中的寄存器的方式。主机用输出指令或传送指令将具体设备的控制命令按约定的代码格式送往接口中的控制寄存器，向外设发出命令。外设的状态信息也以某种格式放在接口的状态寄存器中，主机用输入指令或传送指令从状态寄存器中取出有关信息进行查询、分析。I/O端口寻找I/O接口中的寄存器的方式。如何为I/O端口分配地址？●单独编址I/O地址空间不占主存空间，可与主存空间重叠。=1访问存储器=0访问I/O端口需设置标志区分访问对象，如编址到寄存器：为每个寄存器(I/O端口)分配独立的端口地址；

I/O指令中给出端口地址。M/IO●统一编址I/O端口占据部分主存空间。常将存储空间的低端分配给主存单元，高端分配给I/O端口，以示区分。编址到寄存器●设置专用I/O指令针对单独编址，用I/O指令访问I/O端口。指令中说明输入/输出操作，并给出端口地址。

：为每个寄存器(I/O端口)分配总线地址；访问外设时，指令中给出总线地址。（3）I/O指令设置方式显式I/O指令例.80X86I/O指令设置

输入：INAL，n；端口地址(n)AL(直接端口寻址)

INAL，DX；间接端口地址((DX))AL(间接端口寻址)

输出：OUTn，AL；(AL)n(直接端口寻址)

OUTDX，AL；(AL)(DX)(间接端口寻址)主机调用输入机：●用传送指令实现I/O操作针对统一编址，用传送指令访问I/O端口。不设专用I/O指令。例.某机I/O接口中设置控制/状态寄存器CSR,其总线地址为177550(8进制)数据缓冲寄存器DBR，其总线地址为177552隐式I/O指令控制/状态字格式：出错

故障

忙

完成

允许中断

维护

校验

启动151412