计算机组成原理罗克露

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1、第二章 计算机中的信息表示 数据信息控制信息数值型数据 非数值型数据 指令信息等第一节 数据信息的表示 2.1.1 表示数据的大小二进制、八进制、十六进制、二-十进制 2.1.2 表示数据的符号 原码、补码、反码2.1.3 表示小数点 定点、浮点1. 定点表示法无符号数定点整数定点小数00000000 11111111（0） （255）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、-2-7)类型 E 浮点数真值：N = + R M 阶码Ef E1 Em Mf M1 Mn浮点数机器格式：尾数阶符数符 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。尾数规格化：1/2 M 1最高有效位绝对值为12. 浮点表示法3. 浮点表示范围表示范围：-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位数符。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。最小浮点数：最

3、大浮点数：最小浮点正数：阶码为最大数： 2 -1m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 -1m1-2-n阶码为最小数：-2 m尾数为最小正数：2-1表示精度： 2-33第二节 指令信息的表示 指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。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 2.2.1 指令格式指令基本格式操作码 地址码 D一个一个或几个1. 指令字长定长指令格式变长指令格式便于控制（1） 定长操作码各指令的位置、位数固定相同。（2）扩展操作码各指令的位置、位数不固定，根据需要变化。合理利用存储空间2. 操作码结构关键在设置扩展标志。例. 指令字长16位，可

4、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 00000 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（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3. 地址结构0 1 2 3 4 5 6 7 8 15 基本操作 进位 移位 回送 判跳 操作数指令中提供的地址

5、数存储单元地址码 寄存器编号 （1）指令提供地址的方式显地址方式隐地址方式:指令中明显指明地址。:地址隐含约定,不出现在指令中。直接或间接给出（2） 地址结构的简化操作数 地址 四地址结构指令格式：使用隐地址可以减少指令中的地址数，简化 地址结构。 D1 D2 D3 D4结果 地址下条指 令地址功能： (D1)(D2) D3 (D4) 下条指令用指令计数器PC指示指令地址 。三地址结构指令格式：操作数 地址 D1 D2 D3 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。(D1)(D2) D3 (PC) + 1 PC源/目的二地址结构指令格式： D1 D2 目的/源功能：

6、(D1)(D2) D2/D1 (PC) + 1 PC双操作数：一地址结构指令格式： D1 隐含约定单操作数 ：功能：零地址结构指令格式：(D1)(A) A (PC) + 1 PC (D1) D1 (PC) + 1 PC 功能：用于堆栈或特殊指令操作。例.ADD；执行前：低SP10 20 46SP30 46执行后：高低高2.2.2 寻址方式是指寻找操作数地址或操作数的方式。操作码 立即数S（1） 立即寻址指令直接给出操作数。1. 常见寻址方式定长格式：变长格式：基本指令 立即数S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。操作码 有效地址D （2

7、） 直接寻址指令直接给出操作数地址。存储单元号 寄存器号(数在M中) (数在R中) 存储器直接寻址 （直接寻址）定长格式D的位数有限, 限制访存范围 变长格式 基本指令 DLDHD的位数可覆盖 整个存储空间S =（D）操作码 寄存器号R 存储单元号 寄存器号(数在M中) (数在M中) 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快格式S =（R） 用于访问固定的存储单元或寄存器。（3）间接寻址 指令给出操作数的间接地址。 存储器间址操作码 间接地址D D=00300060.0060 S.S =(D)M间址单元地址指针操作码 寄存器号R 寄存器间址格式R所占位数少；R可提供全

8、字长地址码； 修改R内容比修改M内容快。格式S =(R)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。 堆栈寻址操作码 堆栈指针SP SP.S.S =(SP)MR=02M0040 0040 S. .地址指针0070.栈顶格式SP既可出现在指令中，也可隐含约定。 变址寻址（4）变址、基址寻址及其变化SP栈顶MS.低高堆栈向上生成压栈：SP自动减1，再存数。 -(SP)，自减型间址。 先取数，SP再自动加1。 (SP)+，自增型间址。出栈：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。操作码 RX D D的位

9、数有限，若不能提供全字长地址码，会使 访存空间受到限制。变址寄存器号例. 用变址方式访问一组连续区间内的数组元素。S =(RX)+ D)D=首址D为存储区首址； (RX)为所访单元距离 首址的长度； RX初值为0，每访问一 个单元，(RX)+1。格式操作码 RX D 形式地址修改量基准地址n-1.0 1 2.D+1D+2D+n-1.格式（D的位数只需覆盖一个较小 的存储区间） 基址寻址基址寄存器号Rb4K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。操作码 Rb D 位移量 S =(Rb)+ D)基准地址 相对于基址的位移M.Rb4K改变Rb的内容，程序能访问 存储空间

10、中任何一个定长区 间(4K)。便于访问两维数组中某类 指定的元素。4K4KRbM.RbD=2D=2学生姓名性别性别年龄年龄学生姓名变址与基址的区别：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。S =(RX)+(Rb)+ D)格式 基址加变址变址寄存器号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。位移量操作码 RX Rb D 基址寄存器号便于处理两维数组。格式 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。位移量操作码 PC D 或隐含指定S =(

11、PC)D)有效地址相对 PC上下浮动,给 编程带来方便 。格式 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。位移量操作码 PC D 或隐含指定 S =(PC)H，D)例. M为64KB，划分 为256页，每页256B 。页号页内地址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。PC 0165H7C.017CHS2. 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（2）指令中设置

12、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 寻址方式 R 寻址方式 R 源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3 指令类型1.传送指令源地址 目的地址数设置时需考虑：（1）规定传送范围例. DJS-100系列：80X86：IBM370：R M R M ，R R R M ，R R ，M M（2）指明传送单位例. 用操作码说明(VAX-11)：用地址量说明(80X86)：传送次数由 计数器控制MOVB8MOV AX，BX MOVW16MOVL32 MOV AL，BL MOV EAX，EBX 例. 80X86的串传送指令：REP MOVSW（3）设置寻址方

13、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。8 16 322.输入/输出指令各种信息 主机 外设 设置时需考虑： （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。 I/O接口中设置控制/状态寄存器用于外设种类、数量不多的场合。（2）主机对外设的寻址方式如何设置控制/状态寄存器是接口设计的关键。寻找I/O接口中的寄存器的方式。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

14、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。I/O端口寻找I/O接口中的寄存器的方式。如何为I/O端口分配地址？ 单独编址I/O地址空间不占主存空间，可与主存空间重叠。=1 访问存储器 =0 访问I/O端口需设置标志区分访问对象，如编址到寄存器：为每个寄存器(I/O端口)分配独立的端口地址；I/O指令中给出端口地址。M/IO 统一编址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。编址到寄存器 设置专用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。：为每个寄存器(I/O端口)分配总线地址；访问外设时，指令中给出总线地址。（3）I/O指令设置方式 显式I/O指令例. 80X86I/O指令设置输入：IN AL，n；端口地址(n) AL(直接端口寻址)IN AL，DX；间接端口地址(DX) AL(间接端口寻址)输出：OUT n，AL；(AL) n(直接端口寻址)OUT DX，AL； (AL) (DX)(间接端口寻址)主机调用输入机： 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