计算机组成原理2信息表示-罗克露.ppt

主要知识点 计算机中数据信息表示的方法 计算机中指令信息的表示方法 第二章计算机中的信息表示 重点 数的补码表示 定点数 浮点数的表示 指令的格式 寻址方式 难点 浮点数的表示 指令的寻址方式 2 1数据型数据的表示方法 2 1 1带符号数的表示 0 机器数与真值的概念 有符号的数在计算机中表示时 通常用 0 表示正数 1 表示负数 称为 符号数码化 在机器中使用的连同数符一起数码化的数 称机器数 用正 负号加绝对值表示的数值 称真值 例如 设机器字长为8位 数X1的真值为 1001110 其对应的机器数就是01001110数X2的真值为 1001110 其对应的机器数就是11001110 定点小数的原码定义为 1 原码表示法设某定点小数真值为X 数值部分为n位 其对应的原码序列 机器数 为X0 X1X2 Xn 设某定点整数真值为X 数值部分为n位 其对应的原码序列 机器数 为X0X1X2 Xn 定点整数的原码定义为 2 补码表示法设某定点小数真值为X 数值部分为n位 其对应的补码序列 机器数 为X0 X1X2 X 定点小数的补码定义为 定点整数的补码定义为 设某定点整数真值为X 数值部分为n位 其对应的补码序列 机器数 为X0X1X2 Xn 3 移码的表示设某定点整数真值为X 数值部分为n位 X移 2n X 2n X 2n 移码的特点 1 正数的移码符号位为1 负数的符号位为0 2 同一个数 它的移码和补码表示时数值部分相同符号 符号位相反 可表示为X移 2n X补 原码的特点 1 原码对0的表示有 0 0之分 2 原码的符号位X0不能和数值部分一起参加运算 补码的特点 1 补码对0的表示是唯一的 2 补码的符号位可以和数值部分一起参加运算 3 相同字长的机器数 补码比原码多表示一个数 定点小数可以表示 1 定点整数可以表示 2n 2 1 2定点表示与浮点表示1 定点表示法代码序列为X0X1X2X3 XnX0是符号位 1 定点小数的机器数格式为 约定小数点位置 2 定点整数的机器数格式为 约定小数点位置 定点数的表示范围 以定点整数为例 机器字长为n 1位 其中符号位1位 数值部分n位 2 浮点表示法设浮点数的真值N RE M E 阶码 M 尾数 1 浮点数的表示格式 阶符阶码值数符尾数值 2 浮点数的规格化原码规格化形式 正数为 0 1XX X负数为 1 1XX X补码规格化形式 正数为 0 1XX X负数为 1 0XX X 浮点数的典型值 2 2字符表示 2 2 1ASCII码 略 2 2 2汉字编码简介 略 2 3指令信息的表示2 3 1指令格式指令的基本格式 OP Operationcode AD Address1 指令字长 1 定字长指令格式 如NOVA机 所有指令均16位字长 2 可变字长指令格式 通常以字节为单位 有一字节 二字节 三字节 长度的指令 如8086微处理机采用的是1 6字节的可变字长指令形式 操作码OP 地址码AD 2 操作码格式 1 定长操作码操作码的位数和位置是固定不变的 称定长操作码 定长操作码常用于大 中型计算机中 例IBM 370中型计算机 VAX 11超级小型计算机的所有指令操作码的长度均是8位 一个字节 2 扩展操作码 可变长操作码 不同的指令操作码的位数可以变化 称可变长操作码 采用扩展操作码可以有效地压缩指令的平均长度 适用于小型 微型计算机 使用频度高的指令 采用较短的操作码 使用频度低的指令 采用较长的操作码 使得指令系统的操作码平均长度得到压缩 例 某指令系统的指令字长16位 有三种指令格式 三地址 二地址 一地址 每个地址码4位 采用扩展操作码表示的指令格式如下 OP A1 A2 A3 指令格式 指令功能 A1 OP A2 A3 PC nPC 3 地址结构 1 三地址指令 OP A1 A2 指令格式 指令功能 A1 OP A2 A1 PC nPC 2 二地址指令 OP A1 指令格式 指令功能 1 单操作数时 OP A1 A12 双操作数时 AC OP A1 AC 3 一地址指令 注 AC为累加器 是隐含给出的 例 X Y Z是存放三个操作数的存储单元地址 分别用三地址 二地址 一地址结构的指令实现 X Y Z的程序段 并分析比较 见下图 OP 指令格式 指令功能 1 单操作数时 操作数隐含在累加器AC中或2 操作数隐含约定在堆栈的顶部 4 零地址指令 4 指令格式举例 1 IBM 370的指令格式IBM 370是大型计算机 采用的是定长操作码 指令的高8位作为操作码 根据操作数的不同来源 指令分为5类 RR型 寄存器 寄存器 RX型 寄存器 变址存储器 RS型 寄存器 存储器 SI型 存储器 立即数 SS型 存储器 存储器器 见下图 IBM 370指令格式 2 PDP 11的指令格式PDP 11是小型计算机 采用的是扩展操作码 指令操作码基本长度4位 扩展后 形成7位操作码 10位操作码 及8位操作码 12位操作码 共有5种类型 见下图 2 3 2寻址方式1 基本概念可以存放操作数的存储形式 CPU中的寄存器 主存储器 堆栈 外存储器 什么叫 寻址方式 指令中如何提供操作数或操作数地址的方式称 寻址方式 形式地址 A 指令中地址码字段给出的内容 有效地址 E 实际存放操作数的单元地址 寻址单位 用一个有效地址访问存储器所取出的操作数的长度 按寻址单位分 字节寻址 字寻址 位寻址 页寻址 2 常见寻址方式 1 立即寻址形式地址A就是操作数Data本身 称立即数 寻址过程可表示为 Data A 2 直接寻址形式地址A就是有效地址E 寻址过程可表示为 E A Data E A 存储器 直接寻址方式 3 间接寻址形式地址A是存放有效地址E的单元的地址 寻址过程可表示为 E A Data E A 存储器 间接寻址 4 变址寻址设Rx为变址寄存器 形式地址为A 变址寻址过程可表示为 E Rx A Data E Rx A 变址寻址 6 基址寻址设RB为变址寄存器 形式地址为A 变址寻址过程可表示为 E RB A Data E RB A 5 相对寻址设PC为程序计数器 形式地址为A 相对寻址过程可表示为 E PC A Data E PC A 7 基址加变址寻址E RX RB A Data E RX RB A 8 页面寻址E PC H A 说明 现行指令地址的高位段作为有效地址的高位段 形式地址作为有效地址的低位段 二者拼接形成有效地址 9 堆栈寻址a 堆栈的存取规则 LIFO或FILOb 堆栈的硬件设置 C 堆栈的工作方式 a 向上生成方式 设SP是堆栈指针 AC是累加器压栈操作 SP SP AC SP 出栈操作 SP AC SP 1SP b 向下生成方式 8086CPU的堆栈操作举例 2 3 3指令的功能与类型1 概述 1 CISC与RISC的概念CISC 复杂指令系统计算机RISC 简单指令系统计算机 2 指令的分类方法 按指令的格式分类 双操作数指令 单操作数指令 按操作数寻址方式分类例如IBM370机将指令分为 RR型 RX型 RS型 SI型 SS型 按指令的功能分类 适合用户使用的一种分类方法 2 传送类指令 设置传送类指令时 通常应注意3个问题 1 规定传送范围 有以下3类 寄存器 寄存器 寄存器 存储器 存储器 寄存器 存储器 存储器 I O接口寄存器 CPU寄存器 2 指明传送单位 通常有以下几类字节 Byte 字 Word 长字 LongWord 例 VAX 11计算机中 指令MOVB 字节传送指令MOVW 字传送指令MOVL 长字传送 80386计算机中 MOVAL BL 字节传送MOVAX BX 字传送MOVEAX EBX 长字传送 3 设置寻址方式 3 输入 输出指令 也称I O指令 1 外围设备的编址方式 1 外围设备单独编址法又分两种 编址到设备 即每一个设备一个地址 设备号 编址到寄存器级2 与主存统一编址法 编址到寄存器级将外围设备接口中的有关寄存器作为一个主存单元 分配一个地址 2 I O指令设置方式1 设置专用的I O指令对于单独编址法 计算机的指令系统中必须设置专用的I O指令 例8086计算机中的I O指令 输入指令格式 IN寄存器号 输入端口号例 INAL 127 127是一个8位的输入端口号 输出指令格式 OUT输出端口号 寄存器号例 OUT80H AL 80H是一个8位的输出端口号 2 用访问主存的指令实现I O操作例PDP 11 VAX 11等计算机采用这种方式 4 算术逻辑运算类指令 1 算术运算指令主要有 ADD 加 SUB 减 INC 加1 DEC 减1 NEG 求补 及MUL 乘 DIV 除 2 逻辑运算指令主要有 AND 与 OR 或 XOR 异或 NOT 非 等 3 移位操作指令算术左移 SAL 相当于乘以2 算术右移 SAR 相当于除以2 循环左移 ROL循环右移 ROR 4 程序控制类指令 1 无条件转移指令指令格式 JMPn n是转移地址 2 条件转移指令例8086计算机中的条件转移指令主要有 JZ 为零转 JNZ 不为零转 JC 有进位转 JNC 没有进位转 JS 为负转 JNS 不为负转 JO 有溢出转 JNO 没有溢出转 3 子程序调用指令指令格式 CALLn n是子程序入口地址 4 子程序返回指令RET RISC技术RISC设计思想的特点 1 指令系统大多选取使用频度高的简单指令 大多指令单周期完成 2 采用LOAD STORE结构 只有取数 存数指令访问存储器 3 采用固定的指令格式 较少的指令数和寻址方式 4 采用硬布线控制逻辑 以硬布线控制为主 不用或少用微程序控制 5 采用面向寄存器的结构 6 采用多级指令流水线结构 7 特别注重采用编译优化技术 减少程序执行时间