计算机组成原理(2计算机中的信息表示)

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第2章计算机中的信息表示

数据信息（数值型数据、非数值型数据）

的表示、控制信息（指令）的表示

M商流孝

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2.1数值型数据的表示方法

■进位计数制

■带符号数的表示

■带小数点数的表示

后置漪2弘*字

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2.L1进位计数制

■计算机中常用的进位计数制2的—-斛

二进制A=Zak=o,l

八进制/e=&ak=O//…,7

十六进制/?=1仿ak=OL…9,abc,d©f

-相互间的转换

■二一八/十六进制之间转换

非十一十进制之间转换

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二-八/十六进制转换表

二进制00000001001000110100010101100111

十进制01234567

十六进制01234567

二进制10001001101010111100110111101111

十进制89101112131415

十六进制89ABCDEF

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八进制数转换成二进制数——直接对应法

74•13

111100•001011

(74.13)8=(111100.001011)2

二进制转换成八进制数

110010•001101

62<15

(110010.001101)=(62・15)8

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十六进制数转换成二进制数-直接对应法

A1•1C

10100110•00011100

(A6.1C)16=(10100110.00011100)2

二进制数转换成十六进制数

11010101•11101001

D5•E9

(11010101.11101001)2=(。5.石9)16

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非十进制数转换成十进制数

按权相加法

二进制数转换:

(1010.1),=lx23+0x22+1x21+0x2°+lx2-1=(10.5)

乙JlLo

八进制数转换:

2

(406)8=4x8+0x81+6x8°=(262)io

十六进制转换:

321

(2A4£)16=2xl6+Axl6+4X16+Exl6°=(10830)10

■把各个非十进制数按权展开求和即可。

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十进制数转换成非十进制数

0

二进制整数高位

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转换成二进制

例子：27.75

小数0.75

x2整数

部分二进制小数首位

1.50

x2

1.00叱二进制小数末位

结果：(11011.11)2

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转换成八进制

例子:1725.6875

整数部分小数部分

81725,0.6875

8|215XN

55.50005

82Q..........7X8

8324.00004।

Vo.................3

结果：（3275.54）8

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转换成十六进制

例子:12345.671875

整数部分小数部分

「1612345

16177190.671875

X

16|48316

10.750000A

16|30

X16

______03

12.000000

结果：（2

16

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2.L2带符号数的表示

■原码表示法

■反码表示法

■补码表示法

■移码表示法

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原码表示法

[X真值O<X<1

[X]原码=<

11+|X|真值-1<XWO

按照上面的公式的定义，下面的两个数的

真值是什么？

r00000000

10000000

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原码表示法特点

(1)。有两种表示

(2)小数表示范围-lvxvl

整数表示范围-2YXV2n

(3)运算时符号位单独处理

原码其实是一种只有计算机才能使用而

不是让人使用机器数。

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反码表示法

[X真值O<X<1

[X]反码=<

〔2一凶真值-1<X<O

按照上面的公式的定义，下面的两个数的

真值是什么？

00000000

10000000

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补码表示法

内存单元或寄存器单元的存存储位数是固定

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补码的定义

2-|X|-1<X<O

定点小数的补码表示［X］补=］

IX0<X<2n

X0<X<2n

定点整数的补码表示［X］补=<

12用-凶-2n<X<0

通式［X^=M+X(modM)

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补码应用举例

自然丢失

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由真值、原码转换为补码

-正数的补码与原码相同

-负数的补码-原码符号不变，其余取反,

末位加1（请同学们课后自行证明）

-按照定义式手算

-反之亦然

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移码表示法

X移=2m+X-2m<X<2m

移码与补码的表示范围相同，只是在代码形式

上符号位相反而已。

举例：

X=-(128)十进制=-(10000000)二进制

上面的两个数分别是十进制和二进制的真值，

移码为X=27+(-10000000)=00000000

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移码与补码、真值关系表

十进制真值二进制真值补码机器数移码机器数

-128-100000001000000000000000

-1-000000011111111101111111

+1+000000010000000110000001

+127+011111110111111111111111

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2.L3带小数点数的表示

■定点表示法

■无符号数

.定点整数

■定点小数

■浮点表示法

■格式

表示范围与表示精度

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定点表示法

表示范围分辨率

无符号数00000000~111111110—255]

»…r11111111-ouuiu原■127〜127r1

'定点整数V

-128-127J

U0000000#-01111111补

r1.1111111^0.1111111原«27)〜(1・2-7)]

1定点小数

7

11.0000000补-0.1111111补A2'

・1〜(1-2-7).

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浮点表示法

E

1.格式浮点数真值:N=+RXM

•.1

浮点数机器格式:EfE1•••EmMfMiAn

阶符

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。

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浮点表示法（续）

2.表示范围与精度

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。

尾数规格化：1/2*M|vl最高有效位绝对值为1

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浮点表示法（续）

最小浮点数：｛阶码为最大数：2m4

尾数为绝对值最大的负数:

最大浮点数：｛阶码为最大数：2m.i

尾数为最大数：l-2n

最小浮点正数：｛阶码为最小数一2m

尾数为最小正数：2”

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浮点表示法（续）

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。

表示范围：・231〜231（1・2巧

表示精度：2-33

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2.2字符的表示方法

■ASCII码41H4

7位

128种

-汉字编码

汉字输入码

汉字内部码

汉字交换吗

NJ丁

歹!J000001010Oil100101no111

0000NULDLESP0@P、P

0001SOHDC1*!1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

*

1001HTEM)9IY1y

**

1010LFSUB**JZJz

1011VTESC+■9K[k(

1

1100FFFS<L\11

1101CRGS——M]m)

1110SORS•>Ntn/*****/

1111SIUS/?*O—0DEL

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2.3指令信息的表示

指示计算机执行某类操作的信息的集合。

-指令格式

■常用寻址方式

■指令类型

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2.3.1指令格式

指令基本格式

一个或几个

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1.指令字长

定长指令格式便于控制

I变长指令格式合理利用存储空间

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2.操作码结构

(1)定长操作码

各指令9的位置、位数定相同。

(2)扩展操作码

各指令0的位置、位数不定,根据需要

变化。关键在设置扩展标志。

(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1.指令字长16位，可含有3、2、1或0

个地址，每个地址占4位。

操作码典码

15~1287~43~0

0000XY7~

三地址指令15条

1110XYZ

11110000YZ

二地址指令15条

11111110YZ

111111110000Z

一地址指令15条

111111111110Z

1111111111110000

零地址指令16条

1111111111111111

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例2.某机算逻指令

01234567815

基本操作进位移位回送判跳操作数

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3,地址结构

存储单元地址码

指令中提供的地址数＜

寄存器编号

(1)指令提供地址的方式直接或间接给出

显地址方式:指令中明显指明地址。

隐地址方式:地址隐含约定，不出现在指令中O

使用隐地址可以减少指令中的地址数，简化

地址结构。

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3,地址结构(续)

(2)地址结构的简化

•四地址结构指令

格式:eQDrTD2ID3lD4

'--------V--------■

数

地址令地址

功能：(D1)e(D2)—>D3

(D4)下条指令

用指令计数器PC指示指令地址O

・三地址结构指令

格式：格|D1|D2叵

数结果

地址

功能：(D1)0(D2)一D3下条指令地址

(pc)+1—>PC—转移时，用转移

地址修改PC内容。

・二地址结构指令

格式：|第1叫I

源后的目漏/源

功能：(D1)6(D2)-D2/D1

(PC)+1—>PC

・一地址结构指令

格式：I。ID1I隐含约定

功能：双操作数：(D1)0(A)一A，

(PC)+1—>PC

单操作数：o(D1)一D1

(PC)+1—>PC

・零地址结构指令

格式：P

功能：用于堆栈或特殊指令操作

肾穹流）/4孝

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零地址指令举例:ADD；

执行前:执行后:

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2.3.2寻址方式

一寻找操作数地址或操作数的方式

1.常见寻址方式

■立即寻址

■直接寻址

-间接寻址

■变址、基址寻址及其变化

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(1)立即寻址

在

中

数

指

指令直接给出操作数。9

定

长

其B

度\

限

有

「定长格式:操作码。立即数S。

I变长格式:基本指令

数在基本指令之后,

立即数S其长度可变。

用来提供常数、设置初值等。

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（2）直接寻址

指令直接给出操作数地址。

/存储单元号（数在M中）

、寄存器号（数在R中）

・存储器直接寻址（直接寻址）

「定长格式|操作码。有效地址D口的位数有限

限制访存范

i变长格式基本指令

D的位数可覆盖

整个存储空间

S=(D)

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（2）直接寻址（续）

・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

S=(R)

用于访问固定的存储单元或寄存器。

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(3)间接寻址

指令给出操作数的间接地址。

/存储单元号（数在M中）间址单元

、寄存器号（数在M中）

・存储器间址

格式操作码0间接地址D

S=((D))

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(3)间接寻址(续)

•寄存器间址畛止指针M

尚2

格式I作码”寄存器号I

0040

S=((R))0040

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。

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。

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(3)间接寻址(续)

・堆栈寻址M

SP

格式II0070

S=((SP))

堆栈向上生成

压栈：SP自动减1,再存数。

-(SP),自减型间址。

出栈:先取数，SP再自动加1。

(SP)+,自增型间址。

SP既可出现在指令中，也可隐含约定。

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(4)变址、基址寻址及其变化

•变址寻址

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。

格式

变址寄存器号~遍矢地址

S=((RX)+D)

彳凝量基准地址

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例.用变址方式访问一组连续区间内的数组元素。

X址

D为存储区首址;=-

(RX)为所访单元距离D+

D+

址的长度;…

RX初值为0,每访问一D+

个单元，(RX)+1o

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。

•基址寻址

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。

格式

基址寄编号位卷量

S=((Rb)+Q)

基准城址相对展遍址的位移

(D的位数只需覆盖一个较小

的存储区间)

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)o

便于访问两维数组中某类

指定的元素。

D=2

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D=2

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。

•基址加变址

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。

格式

变址寄存於基址畲存器号\位移量

S=((RX)+(Rb)+D)便于处理两维数组。

・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。或吸含指定上移量

格式I一|±有效地址相对PC

上下浮动,给编程

S=((PC)±D)带来方便。

•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。

格式

或益指定飞移量

S=((PC)H,口

、、页号、页内地址

例.M为64KB,划分IPC

为256页，每页256B。10165H

017rH.

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。

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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

r00：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

H1：SS型指令,基址-基址寻址

崔胤漪Z父*冬

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(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。

3位3位

•-----------s/-----A-----S

源地址字段目的地址字段

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2.3.3指令类型

-传送指令

■输入/输出指令

-算术逻辑运算指令

-程序控制指令

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1.传送指令

源地址—目的地址

设置时需考虑：

(1)规定传送范

例.DJSTOO系列：R-M

80X86：R—M,R一R

IBM370：R—M,R<—"R,M'—»M

(2)指明传送单位

例.用操作码说明(VAX71)：OVBMOVWMOVL

81632

用地址量说明(80X86)：ALBL8

MOVAXBX16

EAXEBX32

例.80X86的串传送指令：REP传送次数由

计数器控制

(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。

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2,输入/输出指令

各种信息

主机"—"外设

设置时需考虑：

(D"0指令的功能扩展

(2)主机对外设的寻址方式

(3)I/O指令设置方式

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(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。

用于外设种类、数量不多的场合。

•I/O接口中设置控制/状态寄存器

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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。

如何设置控制/状态寄存器是接口设计的关键。

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(2)主机对外设的寻址方式

寻找I/O接口中的寄存器的方式。

\|/0端口

如何为I/O端口分配地址？

•单独编址

•统一编址

3M组漪7克/孝

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・单独编址

为每个寄存器（I/0端口）分配独立的端

口地址；I/O指令中给由端口地址。

I/O地址空间不占主存空间，可与主存空间重

叠。需设置标志区分访问对象，如

r=1访问存储器

1:0访问I/O端口

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・统一编址

为每个寄存器（I/0端口）分配总线地址；

访问外设时，指令中给出总线地址

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。

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（3）I/O指令设置方式

・设置专用i/o指令-----显式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。

•用传送指令实现I/O操作-----隐式i/o指令

针对统一编址，用传送指令访问I/O端口。

不设专用I/。指令。

•通过I/O处理机进行I/O操作

CPU执行简单I/O指令（启动、停止、查询、清除）

两级I/。指令｛

I/O处理机执行I/O操作指令（输入、输出……）

石商流孝

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例.80X86I/O指令设置

输入：INAL,n；(n)—>AL(直接端口寻址)

端口地址

INAL,DX；((DX))―>AL(间接端口寻址)

间接端口地址

输出：OUTn,AL；(AL)―>n(直接端口寻址)