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1、1,学习目的：学习数值型数据在计算机中的表示及处理 学习指令信息在计算机中的表示要求：掌握数的二进制计算和原码、补码、移码 掌握指令格式、寻址概念、常见指令类型重点：数制转换、补码表示、浮点数表示、指令信息的表示。,第2章 计算机中的信息表示,2,计算机内部有 数据信息 和 控制信息（指令）两大类,第2章 计算机中的信息表示,计算机只能处理二进制数字信息,非数字信息应转换成二进制数字信息才能处理。,3,其中 数据信息 分为：1）数值型数据有确定的值，如二进制数 1011、十进制数 156 等 2）非数值型数据无确定的值，如图形、动画、声音、温度、电流等等。,4,计算机中常用的进位制,基数：允许
2、选用的基本数码的个数位权：不同数位所代表的值，简称权二进制B（0，1）八进制O（0，1，2，3，4，5，6，7）十六进制H（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A,B,C,D,E,F）,数值型数据的表示,5,八进制二进制,十六进制二进制,6,二进制八进制十六进制,每3位二进制用1位八进制数来表示 eg.(001,101,100,111,000.110,110)2=(15470.64)8每4位二进制用1位十六进制数来表示 eg.(0101,1011,1111.1100,1000)2=(5BF.C8)16,思考：八进制十六进制怎么转换？,7,十进制二进制之间的转换,十进制整数二进制整数（除基取
3、余法）十进制小数二进制小数（乘基取整法）二进制十进制（按权相加）,要求掌握二进制数、八进制数、十六进制数、十进制数之间的相互转换。,8,2.1.2 数值型数在机器内的表示 数在机器中表示需满足相应的规则：1.真值与机器码真 值：按数的本来面目，以正负号加绝对值表示。如+1101、-1110机器码：数在计算机中的表示形式，无论数据还 是符号都表可为二进制代码，机器码有：原码、反码、补码、移码、BCD码 等。最高位为符号位，0表示正号，1表示负号。2.定点表示与浮点表示 定点：数的小数点在机器的一个固定位置不变 浮点：小数点可以根据需要浮动,9,原码,X原符号位|X|eg.机器字长8位 真值x x
4、 原+1101 00001101 0 00000000-0 10000000-1101 10001101-0.1010 1.1010000,10,原码,设机器字长n+1位定点小数：-(1-2-n),1-2-n当x为正数x0,1)，x原x 当x为负数x(-1,0，x原1+|x|1-x 120，为符号位（最高位）的权值,11,定点整数:-(2n-1),2n-1当x为正数x0,2n-1，x原 x当x为负数x-(2n-1),0，x原2n+|x|2nx 2n为符号位（最高位）的权值,原码,12,原码性质 P35,（1）+0原0000 0原1000（2）表示的范围（3）数轴,优点：直观，乘除缺点：加减,1
5、3,补码,5624325676132 溢出100，结果3224=76=100+(-24)溢出量100称为模 M mod补码定义为 Mx,14,补码,设机器字长n+1位定点小数：1，1-2-n 当x为正数x0,1)x补x 当x为负数x-1,0)，x补2+x 2-|x|模（溢出量）为2,15,定点整数:-2n,2n-1当x为正数x0,2n），x补 x当x为负数x-2n,0)，x补2n1+x 2n1|x|2n1为模（溢出量）,补码,16,真值、补码转换为补码,eg1.机器字长5位，X110 x原00110 x补00110正数的原码与补码形式相同eg2.机器字长5位，X-110 x原10110 模为2
6、5 100000 x补 25 110 10000011011010,17,负数原码补码,（1）符号位不变，其余各位取反，末位加1 eg x原10000110 11111001 1 x补11111010（2）符号位不变，自低向高位，第一个1以及前面的0保持不变，以后各高位按位变反 eg x原10000110 x补11111010,18,反码：正数反码与原码相同 负数反码为有效数字依原码按位取反，符号位0表示正，1表示负x原xnxn-1xn-2x0 x反xnxn-1xn-2x0 x补xnxn-1xn-2x0 1移码：x移2n+x 补码符号位取反,19,浮点数,以上都为定点数定点整数：小数点在末位定
7、点小数：小数点在符号位之后浮点数类似于科学计数法(P41),20,浮点数机器格式：,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。,最高有效位绝对值为1,（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。,数符为什么在最高位？,21,eg1：P42 例2-31 eg2：P42 例2-32,22,2.表示范围与精度,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
8、位数符。,阶码m+1位(其中阶符1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：,尾数为绝对值最大的负数：,-1,尾数为最大数：,阶码为最大数：,阶码为最小数：,尾数为最小正数：,2-1,表示精度：,2-33,为什么不是 2-n?,23,（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
9、真值为：,24,（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,数符：为1,2,该浮点代码为 1,01111110,100 0,阶码8位,尾数23位,25,字符ASCII,字符表示,计算机中除了数值信息外,还要处理大量非数值信息，如字符、图形图象、汉字等,这些信息也都是用二进 制代码形式表示的。目前使用最广泛的是ASCII(American Standard Code for Information Inte
10、rchange)作为代码表示西文字母。ASCII 由 7 位二进制位编码,可加一位奇偶校验位。一字节表示一个字符,可表128个信息.（P433 附录A）例：A的 ASCII 是65（41H）a 的 ASCII 是97（61H）,26,字符汉字,汉字表示概说（P47）,计算机汉字信息也都是用二进制代码形式表示的。目前国家规定用GB(GB1988 和 GB2312-80)作为 代码表示汉字和其它常用信息符号。GB2312 由 16 位二进制位编码,包含6763个汉字，682个非汉字(标点符号,日文假名及西文字母)。两字节表一个汉字,排成9494矩阵,故称“区位码”例：“中”代码是 0101,011
11、0,0101,0000(5650H)“国”代码是 0011,1001,0111,1010(397AH),27,第3节 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。是指挥计算机工作的一个二进制序列,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,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,28,2、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(很少)格式：,操作数地址,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。,eg：IMUL
12、REG,SRC,IMM SHLD DST,REG,CNT SHRD DST,REG,CNT,29,目的地址,（2）二地址指令格式：,源地址,功能：,双操作数：,（3）一地址指令格式：,隐含约定,单操作数：,功能：,eg:MOV AX，BX,eg:INC AL,30,（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。,31,例：指令字长16位，可含有3、2、1或0个地址，每个地址占4
13、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,32,（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,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,33
14、,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。,34,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：,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。,35,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,
15、操作数S,也可表示为：,主存,36,3、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：,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,37,4、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,.,38,5、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,.,A,
16、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,39,6、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,40,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
17、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。,41,8、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。,42,9、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
18、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,43,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
19、,压入b,a,b,栈底,栈顶=栈底,主存,.,（SP）=FE,弹出b,a,44,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,45,（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。,源地址字段,目的地址字段,3位,3位,46,2.3.3 指令类型 按指令功能或操作性质对指令分类。,1.数据传送类指令,源地址 目的地址；且源地址中的数据保持不变。,数据,设置时需考虑：,（1
20、）规定传送范围,例：,80X86：,IBM370：,R M，,R M，,R R，,47,（2）指明传送单位,例：用操作码说明(VAX-11)：,用地址量说明(80X86)：,MOVB 8,MOV AX，BX(16),MOVW 16,MOVL 32,MOV AL，BL(8),MOV EAX，EBX(32),（3）采用的寻址方式,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。,48,2.输入/输出指令,各种信息,数据；控制命令；状态。,（1）外设的编址方式,I/O接口中寄存器或相当部件称为I/O端口。,如何为I/O端口分配地址？,49,I/O端口独立编址,I/O地址空
21、间不占主存地址空间，可与主存地址空间重叠。,=1 访问存储器=0 访问I/O端口,需设置专门的控制线区分访问对象，如,为每个I/O端口分配端口地址；在I/O指令中给出端口地址。,50,I/O端口与主存单元统一编址,I/O端口与主存单元使用一个地址空间，用不同的地址码来区分它们。如将存储地址空间的低端分配给主存单元，高端分配给I/O端口。,设置专用I/O指令针对独立编址，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。,（2）I/O指令设置方式,显式I/O指令,51,例：80X86的I/O指令,输入：IN AL，n；,端口地址,(直接端口寻址),IN AL，DX；,间接端口
22、地址,(间接端口寻址),输出：OUT n，AL；,(直接端口寻址),OUT DX，AL；,(间接端口寻址),52,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接口中的寄存器地址为80H，用传送指令实现输入/输出：MOV 80H，A；将累加器A内容输出到80H端口 MOV A，80H；将80H端口内容输入到累加器A,隐式I/O指令,53,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),设置时需考虑操作数类型、符号、进制等；运算结束后设置相应状态标志。,两级I/O指令,包括：加、减、求补、加1、减1、比较等
23、运算,I/O处理机执行I/O操作指令(输入、输出),3.算术运算类指令,4.逻辑运算类指令：与、或、非、异或等运算,可实现对操作数位的设置、测试、清除、修改等。有的机器设置专门的位操作指令。,54,5.移位操作指令 算术移位、逻辑移位和循环移位如下图所示。,55,控制程序执行的顺序和选择执行的方向。,（1）转移指令,6.程序控制类指令,（2）子程序调用指令与返回指令,子程序调用指令：将返回地址压入堆栈，再转到子程序入口地址,无条件转移条件转移循环,返回指令：将堆栈中的返回地址弹出，以返回调用程序,56,（3）软中断指令,主要用于程序的调试和系统功能调用。,如80X86的中断指令 INT n。,
24、7.串操作指令：串传送、串比较、串查找等操作主要用于字符信息的处理,8.数据转换指令：数值转换和数据类型转换,57,9.堆栈操作指令对堆栈的主要操作是压入堆栈和弹出堆栈。,10.特权指令提供给系统软件使用，一般不直接给普通用户使用。主要用于系统资源的分配和管理。如检测用户的访问权限、修改虚拟存储器管理的段表等。,58,2.3.4 Pentium II指令格式Pentium II指令格式中，操作码字段（OPCODE）是必须的，其他字段则是可选的。其指令格式如下：,59,1、指令前缀部分,指令前缀有4种：第1种包括4条前缀指令：LOCK、REP、REPE、REPNE。第2种段指定，显式地指定该指令
25、使用哪个寄存器。,第3种操作数长度指定，用于寄存器数据宽度切换。第4种地址长度指定，用于存储器地址宽度切换。,60,2、指令部分,指令本身包括以下字段：（1）OPCODE：定义指令类型，寄存器数据宽度，及操作结果存入寄存器还是存储器。（2）MOD/RM：分3个字段MOD、REG、RM。REG（3位）：定义一个寄存器寻址的操作数。MOD（2位）与RM（3位）：定义另一个操作数的寻址方式。包括8个寄存器寻址和24种存储器寻址。,61,（3）SIB当MOD/RM=00/100时，使用SIB以说明比例变址寻址方式。（4）DISP如果MOD/RM定义的寻址方式需要位移量（即形式地址），由DISP字段给出
26、，可以是8位、16位或32位。（5）IMME如果指令有立即数，由IMME给出，可以是8位、16位或32位。可见，Pentium II的指令格式很复杂，这一是因为要与80X86兼容；二是它的地址和数据扩展到32位。,62,2.4 校验技术,校验的方法是让写入的信息符合某种规律，在读出时检验信息是否符合这一规律，如符合可判定读出信息正确，否则有误。,目前使用的校验方法常采用冗余校验思想，即：,63,1、奇偶校验码,例如：待编有效信息 10110001,编码规则：,奇校验码 101100011,约定校验码中1的个数为奇数/偶数。,偶校验码 101100010,为了快速进行编码写入与读后校验，常采用并
27、行奇偶校验逻辑电路。,64,以偶校验为例，说明其编码与校验过程：,（1）编码 将8位代码D7D0写入时，同时送往校验电路，并将“偶形成”与D7D0一起写入。,（2）校验 读出时，将8位代码与一位校验位同时送入校验电路。如“偶校错”为0，表明代码无奇数个错。,65,2、循环冗余校验码（CRC）,设待编信息为M（X）；约定代码（除数）为G（X），它用来产生余数，称为生成多项式；所产生的余数R（X），就是所配的校验位。,校验码能被某一约定代码除尽；如果除得尽，余数为0，表明读出代码正确；如果除不尽，余数将指明出错位的位置。,（1）校验规律,（2）编码方法,（模2除）,66,、将左移r位的待编有效信息，与余数R（X）作模2加法，拼接为循环冗余校验码。,（模2加）,例：将4位有效信息（1100）编成循环冗余校验码。,，即1100。,，即1100000。,（模2除）,67,（3）校验与纠错,表2-6（7，4）循环码的出错模式G(X)=1011,68,利用余数循环的特点，将出错位移至校验码最高位，变反纠错。以节省硬件。,（4）生成多项式的选取,满足三个条件,出错时，余数不为0。,不同出错位对应不同余数。,余数循环。,可通过查表获得生成多项式。,69,作业,P69：2-14，2-15，2-16，2-19 不抄题目，要有解题过程,
