1第2章計(jì)算機(jī)中的信息表示數(shù)據(jù)信息指令信息數(shù)值型數(shù)據(jù)非數(shù)值型數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號(hào)的基本依據(jù)2

本章主要內(nèi)容：

2.1數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)的表示

2.2字符的表示

2.3指令信息的表示

32.1.1帶符號(hào)數(shù)的表示1、真值與機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)：在計(jì)算機(jī)中使用的連同數(shù)符一起數(shù)碼化的數(shù)。真值：正負(fù)號(hào)加絕對(duì)值表示的數(shù)值。常用的機(jī)器數(shù)表示形式有原碼、補(bǔ)碼和反碼。例如：設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為8位，有如下真值的原、補(bǔ)、反碼

真值x

[x]原

[x]補(bǔ)

[x]反

11010000110100001101000011010000000000000000000000000-0100000000000000011111111-1101100011011111001111110010

2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示

4無(wú)符號(hào)整數(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)12-72.1.2定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)1、定點(diǎn)數(shù)設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)8位，則一些定點(diǎn)數(shù)的表示范圍如下：分辨率5E浮點(diǎn)數(shù)真值：N=+R×M浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器格式：階碼Ms

EsE1…EkM1

…Mn尾數(shù)階符數(shù)符R：階碼底，隱含約定，與尾數(shù)基數(shù)相同。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(duì)值為12、浮點(diǎn)數(shù)（1）典型浮點(diǎn)數(shù)格式Ms：尾數(shù)的符號(hào)位，也是整個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)位。6（2）表示范圍表示范圍：-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；尾符1位，尾數(shù)9位。階符1位，階碼k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。絕對(duì)值最大浮點(diǎn)負(fù)數(shù)：最大浮點(diǎn)正數(shù)：最小浮點(diǎn)正數(shù)：階碼為最大數(shù)：2

-1k尾數(shù)為絕對(duì)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

-1k1-2-n階碼為最小數(shù)：-2

k尾數(shù)為最小正數(shù)：2-1最小絕對(duì)值：2-337（3）實(shí)用浮點(diǎn)數(shù)格式IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼S尾數(shù)數(shù)符313023220階碼：8位以2為底，階碼=階碼真值+127。尾數(shù)：23位，采用隱含尾數(shù)最高位1的表示方法，實(shí)際尾數(shù)24位，尾數(shù)真值=1+尾數(shù)S：數(shù)符，0正1負(fù)。這種格式的非0浮點(diǎn)數(shù)真值為：（-1）2（1+尾數(shù)）S階碼-1278（3）實(shí)用浮點(diǎn)數(shù)格式例如：試將-（0.11）用IEEE短實(shí)數(shù)浮點(diǎn)格式表示出來(lái)。階碼S尾數(shù)數(shù)符313023220階碼：階碼=階碼真值+127=-1+127=126=（01111110）尾數(shù)：為0.10002解：-（0.11)=-（1+0.1）22-1數(shù)符：為12該浮點(diǎn)代碼為1,01111110,1000階碼8位尾數(shù)23位9

2.2字符的表示

2.2.1

ASCII碼

美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，簡(jiǎn)稱ASCII碼。0~9共10個(gè)數(shù)字字符：30H~39H

26個(gè)大寫英文字母：41H~5AH一些通用符號(hào)和控制符號(hào)

128個(gè)ASCII碼字符包括

通常一個(gè)字符的ASCII碼占用主存一個(gè)字節(jié)單元，字符序列則占用連續(xù)的主存單元。

26個(gè)小寫英文字母：61H~7AH102.2.2

UNICODE編碼

ASCII碼適合英語(yǔ)，但不太適用于其他語(yǔ)言。一些計(jì)算機(jī)公司形成了一個(gè)聯(lián)盟，稱為UNICODE。

UNICODE最基本的思路是將每個(gè)字符和符號(hào)賦予一個(gè)永久、唯一的16位值，即碼點(diǎn)，不再使用多字節(jié)字符和ESC字符序列。將每個(gè)字符長(zhǎng)度固定為16位長(zhǎng)，使軟件的編制簡(jiǎn)單了許多。11

◆

分配了一些碼點(diǎn)給變音符（112）、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)（112）、上下標(biāo)字符（48）、方向字符（48）、算術(shù)運(yùn)算符（256）、幾何圖符（96）和裝飾符號(hào)（192）。

◆

漢語(yǔ)、日語(yǔ)和朝鮮語(yǔ)所需要的符號(hào)。先是1024個(gè)發(fā)音符號(hào)（如片假名和拼音字母），然后是漢語(yǔ)和日語(yǔ)的象形符號(hào)（20992）和朝鮮語(yǔ)的Hangul音節(jié)（11156）。

◆

分配了6400個(gè)碼點(diǎn)供用戶進(jìn)行本地化時(shí)使用。

每個(gè)符號(hào)為16位，UNICODE共有65536個(gè)碼點(diǎn)。整個(gè)碼點(diǎn)空間被劃分為塊，每塊的碼點(diǎn)數(shù)為16的倍數(shù)。碼點(diǎn)分配順序如下：

◆主要字母表都有各自連續(xù)的空間。例如：拉丁語(yǔ)（336個(gè)碼點(diǎn)）、希臘語(yǔ)（144個(gè)碼點(diǎn)）、斯拉夫語(yǔ)（256）。12

2.3指令信息的表示

指令：指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的信息的集合。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2.3.1指令格式指令基本格式

操作碼

地址碼1、指令中的基本信息：操作碼，操作數(shù)地址，操作結(jié)果地址，下一條指令地址操作數(shù)地址和操作結(jié)果地址132、地址結(jié)構(gòu)使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡(jiǎn)化地址結(jié)構(gòu)。（1）三地址指令格式：操作數(shù)地址OPA1A2A3結(jié)果地址下條指令地址功能：轉(zhuǎn)移時(shí)，用轉(zhuǎn)移地址修改PC內(nèi)容。(A1)OP(A2)A3(PC)+nPC14目的地址（2）二地址指令格式：OPA1A2源地址功能：(A1)OP(A2)A1(PC)+nPC雙操作數(shù)：（3）一地址指令格式：OPA隱含約定單操作數(shù)：功能：(AC)OP(A)AC(PC)+nPCOP（A）A(PC)+nPC15（4）零地址指令格式：OP這種指令不含操作數(shù)，有兩種可能：

不需要操作數(shù)的指令；所需操作數(shù)都是隱含指定。（1）固定長(zhǎng)度操作碼各指令操作碼的位置、位數(shù)固定相同。（2）可變長(zhǎng)度操作碼各指令操作碼的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化。3.操作碼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志。16例：指令字長(zhǎng)16位，可含有3、2、1或0個(gè)地址，每個(gè)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17（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01234567815基本操作進(jìn)位移位回送判跳操作數(shù)4、指令長(zhǎng)度（1）變長(zhǎng)指令格式可簡(jiǎn)化控制，常用于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC中。合理利用存儲(chǔ)空間。（2）固定長(zhǎng)度指令格式182.3.2常用尋址方式

指令中以什么方式提供操作數(shù)地址或操作數(shù)，稱為尋址方式。

尋址方式的含義有二個(gè)：一是要表示指令所需的操作數(shù)在何處（如在指令中、寄存器中或主存單元中）；二是要給出獲取操作數(shù)地址的方法。

指令約定尋址方式的方法通常有二種：一種是在指令中設(shè)置專門的尋址字段；另一種是由操作碼隱含約定。19操作碼OP

立即數(shù)1、立即尋址指令直接給出操作數(shù)。定長(zhǎng)格式：變長(zhǎng)格式：基本指令

立即數(shù)數(shù)在指令中，其長(zhǎng)度固定、有限。數(shù)在基本指令之后，其長(zhǎng)度可變。用來(lái)提供常數(shù)、設(shè)置初值等。20OPA

2、直接尋址指令直接給出操作數(shù)地址，根據(jù)該地址可從主存單元中讀取操作數(shù)。尋址過(guò)程可描述為：指令

操作數(shù)S

也可表示為：主存操作數(shù)地址操作數(shù)M213、寄存器尋址指令中給出寄存器號(hào)（也稱寄存器地址），從寄存器中獲取操作數(shù)。尋址過(guò)程可描述為：OPRi

指令

操作數(shù)S也可表示為：寄存器號(hào)操作數(shù)RRi該尋址方式的優(yōu)點(diǎn)：尋址速度快可減少一個(gè)操作數(shù)地址的位數(shù)224、間接尋址指令給出存放操作數(shù)地址的主存單元地址，即操作數(shù)的間接地址。尋址過(guò)程可描述為：指令也可表示為：A1A2...A2

操作數(shù)S...間址單元OPA1

主存...間址單元地址操作數(shù)M操作數(shù)地址M235、寄存器間址操作數(shù)在主存單元中，由指令給出寄存器號(hào)，該寄存器存放操作數(shù)地址。尋址過(guò)程可描述為：指令也可表示為：A...

操作數(shù)SRiOPRi

主存...

寄存器號(hào)操作數(shù)M操作數(shù)地址RA地址指針該尋址方式的優(yōu)點(diǎn)：尋址速度比間址尋址快可減少一個(gè)操作數(shù)地址的位數(shù)246、變址尋址指令給出一個(gè)形式地址，并指定一個(gè)寄存器作為變址寄存器，將變址寄存器內(nèi)容與形式地址相加得到操作數(shù)地址。尋址過(guò)程可描述為：指令也可表示為：A...

操作數(shù)SRiOPRiD主存...N變址寄存器

加法器

變址寄存器號(hào)D+N=操作數(shù)地址變址量NR

形式地址D操作數(shù)M25變址方式的典型用法：將形式地址作為基準(zhǔn)地址，將變址寄存器內(nèi)容作變化量。7、基址尋址指令給出一個(gè)形式地址，并給出基址寄存器號(hào)，基址寄存器內(nèi)容（作為基準(zhǔn)量）與形式地址相加得到操作數(shù)地址。

基址尋址與變址尋址在形成操作數(shù)地址的方法上很相似，但主要應(yīng)用目的不同：變址尋址面向用戶，用于訪問(wèn)字符串、線形表、一維數(shù)組等；基址尋址面向系統(tǒng)，用來(lái)解決程序在主存中重定位的問(wèn)題，以及在有限字長(zhǎng)指令中擴(kuò)大尋址空間等。268、相對(duì)尋址用程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容作為基準(zhǔn)地址，指令中給出的形式地址作為位移量（可正可負(fù)），二者相加后形成操作數(shù)的地址。尋址過(guò)程可描述為：指令A(yù)+dPCOP

dA程序計(jì)數(shù)器

加法器AOPd...

操作數(shù)S...主存...d特點(diǎn)：操作數(shù)地址隨PC內(nèi)容變化而改變，但二者之間的距離不變，可使操作數(shù)與指令在主存中一起移動(dòng)；位移量可正可負(fù)，表示操作數(shù)地址可以在指令地址之后或之前。279、堆棧尋址操作數(shù)存放在主存堆棧中，指令隱含約定由堆棧指針SP寄存器提供堆棧棧頂單元地址，進(jìn)行讀出或?qū)懭?。尋址過(guò)程可描述為：指令棧底SPOPA堆棧指針寄存器...

操作數(shù)S...主存...堆棧是一種按“后進(jìn)先出”存取順序進(jìn)行存取的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在主存中設(shè)置的堆棧區(qū)有二端，作為起點(diǎn)的一端固定稱為棧底；另一端稱為棧頂。對(duì)堆棧的讀出（彈出）或?qū)懭耄▔喝耄┒际菍?duì)棧頂單元進(jìn)行，因此CPU中設(shè)具有加減計(jì)數(shù)功能的SP指示棧頂?shù)奈恢?。棧頂堆?8堆棧自底向上（按地址碼減少的方向）生成壓棧：SP內(nèi)容減1，再壓（存）入數(shù)。先取數(shù)，SP內(nèi)容加1出棧：

主存...（SP）=FF初始化棧頂=棧底

主存...（SP）=FE壓入aa棧頂

主存...（SP）=FE壓入bab棧底棧頂=棧底

主存...（SP）=FE彈出ba29指令中怎樣表達(dá)尋址方式：

（1）操作碼隱含說(shuō)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30（2）指令中設(shè)置專門字段說(shuō)明尋址方式例：某機(jī)指令的每個(gè)地址字段中各設(shè)置一個(gè)3位的尋址方式字段。操作碼OP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312.3.3指令類型按指令功能或操作性質(zhì)對(duì)指令分類。1.數(shù)據(jù)傳送類指令源地址目的地址；且源地址中的數(shù)據(jù)保持不變。數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)需考慮：（1）規(guī)定傳送范圍例：80X86：IBM370：R

M，R

RR

M，R

R，M

M32（2）指明傳送單位例：用操作碼說(shuō)明(VAX-11)：用地址量說(shuō)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）采用的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)。332.輸入/輸出指令各種信息主機(jī)外設(shè)數(shù)據(jù)；控制命令；狀態(tài)。（1）外設(shè)的編址方式I/O接口中寄存器或相當(dāng)部件稱為I/O端口。如何為I/O端口分配地址？34●I/O端口獨(dú)立編址I/O地址空間不占主存地址空間，可與主存地址空間重疊。=1訪問(wèn)存儲(chǔ)器=0訪問(wèn)I/O端口需設(shè)置專門的控制線區(qū)分訪問(wèn)對(duì)象，如為每個(gè)I/O端口分配端口地址；在I/O指令中給出端口地址。M/IO35●I/O端口與主存單元統(tǒng)一編址I/O端口與主存單元使用一個(gè)地址空間，用不同的地址碼來(lái)區(qū)分它們。如將存儲(chǔ)地址空間的低端分配給主存單元，高端分配給I/O端口?！裨O(shè)置專用I/O指令針對(duì)獨(dú)立編址，用I/O指令訪問(wèn)I/O端口。指令中說(shuō)明輸入/輸出操作，并給出端口地址。

（2）I/O指令設(shè)置方式顯式I/O指令36例：80X86的I/O指令

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)37●用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作針對(duì)統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問(wèn)I/O端口。不設(shè)專用I/O指令。例.某機(jī)I/O接口中的寄存器地址為80H，用傳送指令實(shí)現(xiàn)輸入/輸出：

MOV80H，A；將累加器A內(nèi)容輸出到80H端口

MOVA，80H；將80H端口內(nèi)容輸入到累加器A隱式I/O指令38●通過(guò)I/O處理機(jī)進(jìn)行I/O操作CPU執(zhí)行簡(jiǎn)單I/O指令

(啟動(dòng)、停止、查詢、清除)設(shè)置時(shí)需考慮操作數(shù)類型、符號(hào)、進(jìn)制等；運(yùn)算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。兩級(jí)I/O指令包括：加、減、求補(bǔ)、加1、減1、比較等運(yùn)算I/O處理機(jī)執(zhí)行I/O操作指令

(輸入、輸出……)3.算術(shù)運(yùn)算類指令4.邏輯運(yùn)算類指令：與、或、非、異或等運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)操作數(shù)位的設(shè)置、測(cè)試、清除、修改等。有的機(jī)器設(shè)置專門的位操作指令。395.移位操作指令算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位如下圖所示。40控制程序執(zhí)行的順序和選擇執(zhí)行的方向。（1）轉(zhuǎn)移指令6.程序控制類指令（2）子程序調(diào)用指令與返回指令子程序調(diào)用指令：將返回地址壓入堆棧，再轉(zhuǎn)到子程序入口地址無(wú)條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移循環(huán)返回指令：將堆棧中的返回地址彈出，以返回調(diào)用程序41（3）軟中斷指令主要用于程序的調(diào)試和系統(tǒng)功能調(diào)用。如80X86的中斷指令I(lǐng)NTn

。7.串操作指令：串傳送、串比較、串查找等操作主要用于字符信息的處理8.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令：數(shù)值轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換429.堆棧操作指令對(duì)堆棧的主要操作是壓入堆棧和彈出堆棧。10.特權(quán)指令提供給系統(tǒng)軟件使用，一般不直接給普通用戶使用。主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理。如檢測(cè)用戶的訪問(wèn)權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表等。432.3.4PentiumII指令格式PentiumII指令格式中，操作碼字段（OPCODE）是必須的，其他字段則是可選的。其指令格式如下：441、指令前綴部分指令前綴有4種：

第1種包括4條前綴指令：LOCK、REP、REPE、REPNE。

第2種段指定，顯式地指定該指令使用哪個(gè)寄存器。

第3種操作數(shù)長(zhǎng)度指定，用于寄存器數(shù)據(jù)寬度切換。

第4種地址長(zhǎng)度指定，用于存儲(chǔ)器地址寬度切換。452、指令部分指令本身包括以下字段：（1）OPCODE：定義指令類型，寄存器數(shù)據(jù)寬度，及操作結(jié)果存入寄存器還是存儲(chǔ)器。（2）MOD/RM：分3個(gè)字段MOD、REG、RM。REG（3位）：定義一個(gè)寄存器尋址的操作數(shù)。MOD（2位）與RM（3位）：定義另一個(gè)操作數(shù)的尋址方式。包括8個(gè)寄存器尋址和24種存儲(chǔ)器尋址。46（3）SIB當(dāng)MOD/RM=00/100時(shí)，使用SIB以說(shuō)明比例變址尋址方式。（4）DISP如果MOD/RM定義的尋址方式需要