第3版第2章计算机中的信息表示

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,2,章 计算机中的信息表示,数据信息,指令信息,数值型数据,非数值型数据,产生控制信号的基本依据,1,本章主要内容：,2.1 数据型数据的表示,2.2 字符的表示,2.3 指令信息的表示,2,2.1.1,带符号数的表示,1、,真值与机器数,机器数：,在计算机中使用的连同数符一起数码化的数。,真值：,正负号加绝对值表示的数值。,常用的机器数表示形式有,原码、补码和反码,。,例如：设机器字长为8位，有如下真值的原、补、反码,真值x,x,原,x,补,x,反,1101,00001101,00001101,00001101,0,00000000,00000000,00000000,-0,10000000,00000000,11111111,-1101,10001101,11110011,11110010,2.1 数值型数据的表示,3,无符号整数,定点整数,定点小数,0000000011111111,0255,11111111 01111111,原,原,-127,127,补,10000000 01111111,补,-128,127,1.1111111 0.1111111,原,原,-(1-2,-7,),(1-2,-7,),1.0000000 0.1111111,补,补,-1,(1-2,-7,),1,2,-7,2.1.2,定点数与浮点数,1、,定点数,设机器字长8位，则一些定点数的表示范围如下：,分辨率,4,E,浮点数真值：N=,+,R M,浮点数机器格式：,阶码,Ms,Es E,1,E,k,M,1,M,n,尾数,阶符,数符,R：阶码底，隐含约定，与尾数基数相同。,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1,2、,浮点数,（1）典型浮点数格式,Ms：尾数的符号位，也是整个浮点数的符号位。,5,（2）,表示范围,表示范围：,-2,31,2,31,(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；尾符1位，尾数9位。,阶符1位，阶码,k,位，补码表示，以2为底；,数符1位，尾数,n,位，补码表示，规格化。,绝对值最大浮点负数,：,最大浮点正数,：,最小浮点正数,：,阶码为最大数：,2,-1,k,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,-1,k,1-2,-n,阶码为最小数：,-2,k,尾数为最小正数：,2,-1,最小绝对值：,2,-33,6,（3）,实用浮点数格式,IEEE754标准的32位浮点数格式为：,阶码,S,尾数,数符,31 30 23 22 0,阶码：8位以2为底，阶码=阶码真值+127。,尾数：23位，采用隐含尾数最高位1的表示方法，,实际尾数24位，尾数真值=1+尾数,S：数符，0正1负。,这种格式的非0浮点数真值为：,（-1）,2 （1+尾数）,S,阶码-127,7,（3）,实用浮点数格式,例如：试将-（0.11）用IEEE短实数浮点格式表示出来。,阶码,S,尾数,数符,31 30 23 22 0,阶码：阶码=阶码真值+127=-1+127=126=（01111110）,尾数：为 0.100,0,2,解：-（0.11)=-（1+0.1）,2,2,-1,数符：为1,2,该浮点代码为 1,01111110,100,0,阶码8位,尾数23位,8,2.2 字符的表示,2.2.1,ASCII,码,美国国家信息交换标准代码，简称,ASCII码。,09共10个数字字符：30H39H,26个大写英文字母：41H5AH,一些,通用符号和控制符号,128个,ASCII,码字符包括,通常一个字符的,ASCII,码占用主存一个字节单元，字符序列则占用连续的主存单元。,26个小写英文字母：61H7AH,9,2.2.2,UNICODE编码,ASCII码适合英语，但不太适用于其他语言。一些计算机公司形成了一个联盟，称为UNICODE。,UNICODE最基本的思路是将每个字符和符号赋予一个永久、唯一的16位值，即码点，不再使用多字节字符和ESC字符序列。将每个字符长度固定为16位长，使软件的编制简单了许多。,10,分配了一些码点给变音符（112）、标点符号（112）、上下标字符（48）、方向字符（48）、算术运算符（256）、几何图符（96）和装饰符号（192）。,汉语、日语和朝鲜语所需要的符号。先是1 024个发音符号（如片假名和拼音字母），然后是汉语和日语的象形符号（20 992）和朝鲜语的Hangul音节（11 156）。,分配了6 400个码点供用户进行本地化时使用。,每个符号为16位，UNICODE共有 65 536个码点。整个码点空间被划分为块，每块的码点数为16的倍数。码点分配顺序如下：,主要字母表都有各自连续的空间。例如：拉丁语（336个码点）、希腊语（144个码点）、斯拉夫语（256）。,11,2.3 指令信息的表示,指令：指示计算机执行某种操作的信息的集合。,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,2.3.1,指令格式,指令基本格式,操作码,地址码,1、,指令中的基本信息：,操作码，操作数地址，操作结果地址，,下一条指令地址,操作数地址和操作结果地址,12,2、地址结构,使用,隐地址,可以减少指令中的地址数，,简化,地址结构,。,（1）三地址指令,格式：,操作数地址,OP A1 A2 A3,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。,(A1),OP,(A2)A3,(PC)+n PC,13,目的地址,（2）二地址指令,格式：,OP A1 A2,源地址,功能：,(A1)OP(A2)A1,(PC)+n PC,双操作数：,（3）一地址指令,格式：,OP A,隐含约定,单操作数：,功能：,(AC)OP(A)AC,(PC)+n PC,OP（A）A,(PC)+n PC,14,（4）零地址指令,格式：,OP,这种指令不含操作数，有两种可能：,不需要操作数的指令；,所需操作数都是隐含指定。,（,1）固定长度操作码,各指令,操作码的位置、位数固定相同。,（2）可变长度操作码,各指令,操作码的位置、位数不固定，根据需要,变化。,3.操作码结构,关键在设置扩展标志。,15,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 12 11 8 7 4 3 0,0000,X,Y,Z,1110,X,Y,Z,.,.,.,.,1111,0000,Y Z,1111,1110,Y Z,.,.,.,.,三地址指令,15,条,二地址指令,15,条,1111,1111,0000,Z,1111 1111,1110,Z,.,.,.,.,一地址指令,15,条,1111,1111,1111,0000,1111 1111,1111,1111,.,.,.,.,零地址指令,16,条,16,（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,0 1 2 3 4 5 6 7 8 15,基本操作 进位 移位 回送 判跳 操作数,4、指令长度,（1）变长指令格式,可简化控制，常用于精简指令系统计算机RISC中。,合理利用存储空间。,（2）固定长度指令格式,17,2.3.2,常用,寻址方式,指令中以什么方式提供操作数地址或操作数，称为寻址方式。,寻址方式的含义有二个：一是要表示指令所需的操作数在何处（如在指令中、寄存器中或主存单元中）；二是要给出获取操作数地址的方法。,指令约定寻址方式的方法通常有二种：一种是在指令中设置专门的寻址字段；另一种是由操作码隐含约定。,18,操作码,OP,立即数,1、立即寻址,指令直接给出操作数。,定长格式：,变长格式：,基本指令,立即数,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。,19,OP,A,2、直接寻址,指令直接给出操作数地址，根据该地址可从主存单元中读取操作数。寻址过程可描述为：,指令,操作数S,也可表示为：,主存,操作数地址,操作数,M,20,3、寄存器寻址,指令中给出寄存器号（也称寄存器地址），从寄存器中获取操作数。寻址过程可描述为：,OP,Ri,指令,操作数S,也可表示为：,寄存器号,操作数,R,Ri,该寻址方式的优点,：,寻址速度快,可减少一个操作数地址的位数,21,4、间接寻址,指令给出存放操作数地址的主存单元地址，即操作数的间接地址。寻址过程可描述为：,指令,也可表示为：,A1,A2,.,A2,操作数S,.,间址单元,OP,A1,主存,.,间址单元地址,操作数,M,操作数地址,M,22,5、,寄存器间址,操作数在主存单元中，由指令给出寄存器号，该寄存器存放操作数地址。寻址过程可描述为：,指令,也可表示为：,A,.,操作数S,Ri,OP,Ri,主存,.,寄存器号,操作数,M,操作数地址,R,A,地址指针,该寻址方式的优点,：,寻址速度比间址寻址快,可减少一个操作数地址的位数,23,6、,变址寻址,指令给出一个形式地址，并指定一个寄存器作为变址寄存器，将变址寄存器内容与形式地址相加得到操作数地址。寻址过程可描述为：,指令,也可表示为：,A,.,操作数S,Ri,OP,Ri,D,主存,.,N,变址寄存器,加法器,变址寄存器号,D+N=操作数地址,变址量N,R,形式地址D,操作数,M,24,变址方式的典型用法：将形式地址作为基准地址，将变址寄存器内容作变化量。,7、,基址寻址,指令给出一个形式地址，并给出基址寄存器号，基址寄存器内容（作为基准量）与形式地址相加得到操作数地址。,基址寻址与变址寻址在形成操作数地址的方法上很相似，但主要应用目的不同：,变址寻址面向用户，用于访问字符串、线形表、一维数组等；,基址寻址面向系统，用来解决程序在主存中重定位的问题，以及在有限字长指令中扩大寻址空间等。,25,8、,相对寻址,用程序计数器PC的内容作为基准地址，指令中给出的形式地址作为位移量（可正可负），二者相加后形成操作数的地址。寻址过程可描述为：,指令,A+d,PC,OP,d,A,程序计数器,加法器,A,OP d,.,操作数S,.,主存,.,d,特点,：,操作数地址随PC内容变化而改变，但二者之间的距离不变，可使操作数与指令在主存中一起移动；,位移量可正可负，表示操作数地址可以在指令地址之后或之前。,26,9、,堆栈寻址,操作数存放在主存堆栈中，指令隐含约定由堆栈指针SP寄存器提供堆栈栈顶单元地址，进行读出或写入。寻址过程可描述为：,指令,栈底,SP,OP,A,堆栈指针寄存器,.,操作数S,.,主存,.,堆栈是一种按“后进先出”存取顺序进行存取的存储结构。在主存中设置的堆栈区有二端，作为起点的一端固定称为,栈底,；另一端称为,栈顶,。对堆栈的读出（弹出）或写入（压入）都是对栈顶单元进行，因此CPU中设具有加减计数功能的SP指示栈顶的位置。,栈顶,堆栈,27,堆栈自底向上（按地址码减少的方向）生成,压栈：,SP内容减1，再压（存）入数。,先取数，,SP内容加1,出栈：,主存,.,（SP）,=FF,初始化,栈顶=栈底,主存,.,（SP）=FE,压入a,a,栈顶,主存,.,（SP）=FE,压入b,a,b,栈底,栈顶=栈底,主存,.,（SP）=FE,弹出b,a,28,指令中怎样表达寻址方式：,（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,29,（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,OP 寻址方式,R,寻址方式,R,源地