計(jì)算機(jī)組成原理(2計(jì)算機(jī)中的信息表示)

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第2章計(jì)算機(jī)中的信息表示

數(shù)據(jù)信息（數(shù)值型數(shù)據(jù)、非數(shù)值型數(shù)據(jù)）

的表示、控制信息（指令）的表示

M商流孝

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2.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

■進(jìn)位計(jì)數(shù)制

■帶符號(hào)數(shù)的表示

■帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)的表示

后置漪2弘*字

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2.L1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

■計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制2的—-斛

二進(jìn)制A=Zak=o,l

八進(jìn)制/e=&ak=O//…,7

十六進(jìn)制/?=1仿ak=OL…9,abc,d?f

-相互間的轉(zhuǎn)換

■二一八/十六進(jìn)制之間轉(zhuǎn)換

非十一十進(jìn)制之間轉(zhuǎn)換

M穹流7/2孝

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二-八/十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換表

二進(jìn)制00000001001000110100010101100111

十進(jìn)制01234567

十六進(jìn)制01234567

二進(jìn)制10001001101010111100110111101111

十進(jìn)制89101112131415

十六進(jìn)制89ABCDEF

M穹流7/2孝

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八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)——直接對(duì)應(yīng)法

74?13

111100?001011

(74.13)8=(111100.001011)2

二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)

110010?001101

62<15

(110010.001101)=(62?15)8

后置漪2弘*字

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十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)-直接對(duì)應(yīng)法

A1?1C

10100110?00011100

(A6.1C)16=(10100110.00011100)2

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)

11010101?11101001

D5?E9

(11010101.11101001)2=(。5.石9)16

后置漪2弘*字

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非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

按權(quán)相加法

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換:

(1010.1),=lx23+0x22+1x21+0x2°+lx2-1=(10.5)

乙JlLo

八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換:

2

(406)8=4x8+0x81+6x8°=(262)io

十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換:

321

(2A4￡)16=2xl6+Axl6+4X16+Exl6°=(10830)10

■把各個(gè)非十進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開求和即可。

后置漪2弘*字

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十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成非十進(jìn)制數(shù)

0

二進(jìn)制整數(shù)高位

后置漪2弘*字

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轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制

例子：27.75

小數(shù)0.75

x2整數(shù)

部分二進(jìn)制小數(shù)首位

1.50

x2

1.00叱二進(jìn)制小數(shù)末位

結(jié)果：(11011.11)2

穹流7/2孝

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轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制

例子:1725.6875

整數(shù)部分小數(shù)部分

81725,0.6875

8|215XN

55.50005

82Q..........7X8

8324.00004?

Vo.................3

結(jié)果：（3275.54）8

后置漪2弘*字

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轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制

例子:12345.671875

整數(shù)部分小數(shù)部分

「1612345

16177190.671875

X

16|48316

10.750000A

16|30

X16

______03

12.000000

結(jié)果：（2

16

后置漪2弘*字

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2.L2帶符號(hào)數(shù)的表示

■原碼表示法

■反碼表示法

■補(bǔ)碼表示法

■移碼表示法

M商流孝

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原碼表示法

[X真值O<X<1

[X]原碼=<

11+|X|真值-1<XWO

按照上面的公式的定義，下面的兩個(gè)數(shù)的

真值是什么？

r00000000

10000000

M穹漪N//孝

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原碼表示法特點(diǎn)

(1)。有兩種表示

(2)小數(shù)表示范圍-lvxvl

整數(shù)表示范圍-2YXV2n

(3)運(yùn)算時(shí)符號(hào)位單獨(dú)處理

原碼其實(shí)是一種只有計(jì)算機(jī)才能使用而

不是讓人使用機(jī)器數(shù)。

后置漪2弘*字

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反碼表示法

[X真值O<X<1

[X]反碼=<

〔2一兇真值-1<X<O

按照上面的公式的定義，下面的兩個(gè)數(shù)的

真值是什么？

00000000

10000000

后置漪2弘*字

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補(bǔ)碼表示法

內(nèi)存單元或寄存器單元的存存儲(chǔ)位數(shù)是固定

后置漪2弘*字

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補(bǔ)碼的定義

2-|X|-1<X<O

定點(diǎn)小數(shù)的補(bǔ)碼表示［X］補(bǔ)=］

IX0<X<2n

X0<X<2n

定點(diǎn)整數(shù)的補(bǔ)碼表示［X］補(bǔ)=<

12用-兇-2n<X<0

通式［X^=M+X(modM)

后置漪2弘*字

?HARBINENGINEERINGUNIVERSITY

補(bǔ)碼應(yīng)用舉例

自然丟失

后置漪2弘*字

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由真值、原碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼

-正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同

-負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼-原碼符號(hào)不變，其余取反,

末位加1（請(qǐng)同學(xué)們課后自行證明）

-按照定義式手算

-反之亦然

后置漪2弘*字

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移碼表示法

X移=2m+X-2m<X<2m

移碼與補(bǔ)碼的表示范圍相同，只是在代碼形式

上符號(hào)位相反而已。

舉例：

X=-(128)十進(jìn)制=-(10000000)二進(jìn)制

上面的兩個(gè)數(shù)分別是十進(jìn)制和二進(jìn)制的真值，

移碼為X=27+(-10000000)=00000000

后置漪2弘*字

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移碼與補(bǔ)碼、真值關(guān)系表

十進(jìn)制真值二進(jìn)制真值補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)移碼機(jī)器數(shù)

-128-100000001000000000000000

-1-000000011111111101111111

+1+000000010000000110000001

+127+011111110111111111111111

穹濠7//孝

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2.L3帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)的表示

■定點(diǎn)表示法

■無符號(hào)數(shù)

.定點(diǎn)整數(shù)

■定點(diǎn)小數(shù)

■浮點(diǎn)表示法

■格式

表示范圍與表示精度

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定點(diǎn)表示法

表示范圍分辨率

無符號(hào)數(shù)00000000~111111110—255]

?…r11111111-ouuiu原■127?127r1

'定點(diǎn)整數(shù)V

-128-127J

U0000000#-01111111補(bǔ)

r1.1111111^0.1111111原?27)?(1?2-7)]

1定點(diǎn)小數(shù)

7

11.0000000補(bǔ)-0.1111111補(bǔ)A2'

?1?(1-2-7).

?后置漪2弘*字

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浮點(diǎn)表示法

E

1.格式浮點(diǎn)數(shù)真值:N=+RXM

?.1

浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器格式:EfE1???EmMfMiAn

階符

R：階碼底，隱含約定。

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)。

石商流7/9孝

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浮點(diǎn)表示法（續(xù)）

2.表示范圍與精度

階符1位，階碼m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。

尾數(shù)規(guī)格化：1/2*M|vl最高有效位絕對(duì)值為1

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浮點(diǎn)表示法（續(xù)）

最小浮點(diǎn)數(shù)：｛階碼為最大數(shù)：2m4

尾數(shù)為絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù):

最大浮點(diǎn)數(shù)：｛階碼為最大數(shù)：2m.i

尾數(shù)為最大數(shù)：l-2n

最小浮點(diǎn)正數(shù)：｛階碼為最小數(shù)一2m

尾數(shù)為最小正數(shù)：2”

后置漪2弘*字

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浮點(diǎn)表示法（續(xù)）

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；尾數(shù)10位，含1位數(shù)符。

表示范圍：?231?231（1?2巧

表示精度：2-33

后置漪2弘*字

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2.2字符的表示方法

■ASCII碼41H4

7位

128種

-漢字編碼

漢字輸入碼

漢字內(nèi)部碼

漢字交換嗎

NJ丁

歹!J000001010Oil100101no111

0000NULDLESP0@P、P

0001SOHDC1*!1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

*

1001HTEM)9IY1y

**

1010LFSUB**JZJz

1011VTESC+■9K[k(

1

1100FFFS<L\11

1101CRGS——M]m)

1110SORS?>Ntn/*****/

1111SIUS/?*O—0DEL

力商演孝

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2.3指令信息的表示

指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某類操作的信息的集合。

-指令格式

■常用尋址方式

■指令類型

后置漪2弘*字

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2.3.1指令格式

指令基本格式

一個(gè)或幾個(gè)

后置漪2弘*字

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1.指令字長(zhǎng)

定長(zhǎng)指令格式便于控制

I變長(zhǎng)指令格式合理利用存儲(chǔ)空間

后置漪2弘*字

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2.操作碼結(jié)構(gòu)

(1)定長(zhǎng)操作碼

各指令9的位置、位數(shù)定相同。

(2)擴(kuò)展操作碼

各指令0的位置、位數(shù)不定,根據(jù)需要

變化。關(guān)鍵在設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志。

(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1.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。

操作碼典碼

15~1287~43~0

0000XY7~

三地址指令15條

1110XYZ

11110000YZ

二地址指令15條

11111110YZ

111111110000Z

一地址指令15條

111111111110Z

1111111111110000

零地址指令16條

1111111111111111

M商流孝

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例2.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)

后置漪2弘*字

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3,地址結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)單元地址碼

指令中提供的地址數(shù)＜

寄存器編號(hào)

(1)指令提供地址的方式直接或間接給出

顯地址方式:指令中明顯指明地址。

隱地址方式:地址隱含約定，不出現(xiàn)在指令中O

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)。

后置漪2弘*字

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3,地址結(jié)構(gòu)(續(xù))

(2)地址結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

?四地址結(jié)構(gòu)指令

格式:eQDrTD2ID3lD4

'--------V--------■

數(shù)

地址令地址

功能：(D1)e(D2)—>D3

(D4)下條指令

用指令計(jì)數(shù)器PC指示指令地址O

?三地址結(jié)構(gòu)指令

格式：格|D1|D2叵

數(shù)結(jié)果

地址

功能：(D1)0(D2)一D3下條指令地址

(pc)+1—>PC—轉(zhuǎn)移時(shí)，用轉(zhuǎn)移

地址修改PC內(nèi)容。

?二地址結(jié)構(gòu)指令

格式：|第1叫I

源后的目漏/源

功能：(D1)6(D2)-D2/D1

(PC)+1—>PC

?一地址結(jié)構(gòu)指令

格式：I。ID1I隱含約定

功能：雙操作數(shù)：(D1)0(A)一A，

(PC)+1—>PC

單操作數(shù)：o(D1)一D1

(PC)+1—>PC

?零地址結(jié)構(gòu)指令

格式：P

功能：用于堆?；蛱厥庵噶畈僮?/p>

腎穹流）/4孝

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零地址指令舉例:ADD；

執(zhí)行前:執(zhí)行后:

M穹流7/2孝

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2.3.2尋址方式

一尋找操作數(shù)地址或操作數(shù)的方式

1.常見尋址方式

■立即尋址

■直接尋址

-間接尋址

■變址、基址尋址及其變化

后置漪2弘*字

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(1)立即尋址

在

中

數(shù)

指

指令直接給出操作數(shù)。9

定

長(zhǎng)

其B

度\

限

有

「定長(zhǎng)格式:操作碼。立即數(shù)S。

I變長(zhǎng)格式:基本指令

數(shù)在基本指令之后,

立即數(shù)S其長(zhǎng)度可變。

用來提供常數(shù)、設(shè)置初值等。

后置漪2弘*字

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（2）直接尋址

指令直接給出操作數(shù)地址。

/存儲(chǔ)單元號(hào)（數(shù)在M中）

、寄存器號(hào)（數(shù)在R中）

?存儲(chǔ)器直接尋址（直接尋址）

「定長(zhǎng)格式|操作碼。有效地址D口的位數(shù)有限

限制訪存范

i變長(zhǎng)格式基本指令

D的位數(shù)可覆蓋

整個(gè)存儲(chǔ)空間

S=(D)

M穹渣孝

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（2）直接尋址（續(xù)）

?寄存器直接尋址（寄存器尋址）

格式R所占位數(shù)少；

訪問R比訪問M快

S=(R)

用于訪問固定的存儲(chǔ)單元或寄存器。

M穹流7/2孝

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(3)間接尋址

指令給出操作數(shù)的間接地址。

/存儲(chǔ)單元號(hào)（數(shù)在M中）間址單元

、寄存器號(hào)（數(shù)在M中）

?存儲(chǔ)器間址

格式操作碼0間接地址D

S=((D))

M商流孝

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(3)間接尋址(續(xù))

?寄存器間址畛止指針M

尚2

格式I作碼”寄存器號(hào)I

0040

S=((R))0040

R所占位數(shù)少；R可提供全字長(zhǎng)地址碼;

修改R內(nèi)容比修改M內(nèi)容快。

指針不變(由指令指定)，指針內(nèi)容可變，使同一指

令可指向不同存儲(chǔ)單元，以實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)、共享,

并提供轉(zhuǎn)移地址。

后置漪2弘*字

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(3)間接尋址(續(xù))

?堆棧尋址M

SP

格式II0070

S=((SP))

堆棧向上生成

壓棧：SP自動(dòng)減1,再存數(shù)。

-(SP),自減型間址。

出棧:先取數(shù)，SP再自動(dòng)加1。

(SP)+,自增型間址。

SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。

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(4)變址、基址尋址及其變化

?變址尋址

指令給出一個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存

器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。

格式

變址寄存器號(hào)~遍矢地址

S=((RX)+D)

彳凝量基準(zhǔn)地址

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例.用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內(nèi)的數(shù)組元素。

X址

D為存儲(chǔ)區(qū)首址;=-

(RX)為所訪單元距離D+

D+

址的長(zhǎng)度;…

RX初值為0,每訪問一D+

個(gè)單元，(RX)+1o

D的位數(shù)有限，若不能提供全字長(zhǎng)地址碼，會(huì)使

訪存空間受到限制。

?基址尋址

指令給出一個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存

器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。

格式

基址寄編號(hào)位卷量

S=((Rb)+Q)

基準(zhǔn)城址相對(duì)展遍址的位移

(D的位數(shù)只需覆蓋一個(gè)較小

的存儲(chǔ)區(qū)間)

改變Rb的內(nèi)容，程序能訪問

存儲(chǔ)空間中任何一個(gè)定長(zhǎng)區(qū)

間(4K)o

便于訪問兩維數(shù)組中某類

指定的元素。

D=2

變址與基址的區(qū)別：

,變址：指令提供基準(zhǔn)量（不變），

R提供修改量（可變）；適D=2

于處理一維數(shù)組。

、基址：指令提供位移量（不變），

R提供基準(zhǔn)量（可變）；用

于擴(kuò)大有限字長(zhǎng)指令的訪

存空間。

?基址加變址

指令給出兩個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存

器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。

格式

變址寄存於基址畬存器號(hào)\位移量

S=((RX)+(Rb)+D)便于處理兩維數(shù)組。

?相對(duì)尋址

指令給出位移量，PC內(nèi)容與位移量之和為有

效地址。或吸含指定上移量

格式I一|±有效地址相對(duì)PC

上下浮動(dòng),給編程

S=((PC)±D)帶來方便。

?頁(yè)面尋址

指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼

接，形成有效地址。

格式

或益指定飛移量

S=((PC)H,口

、、頁(yè)號(hào)、頁(yè)內(nèi)地址

例.M為64KB,劃分IPC

為256頁(yè)，每頁(yè)256B。10165H

017rH.

用于頁(yè)式管理存儲(chǔ)系統(tǒng)。

尋址速度快，適于組織程序模塊,

有效利用存儲(chǔ)空間。

后置漪2弘*字

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2.對(duì)尋址方式的說明

(1)操作碼隱含說明不同尋址方式

例.某機(jī)指令操作碼最高兩位

r00：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

H1：SS型指令,基址-基址尋址

崔胤漪Z父*冬

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(2)指令中設(shè)置專門字段說明尋址方式

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。

3位3位

?-----------s/-----A-----S

源地址字段目的地址字段

M穹流7/2孝

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2.3.3指令類型

-傳送指令

■輸入/輸出指令

-算術(shù)邏輯運(yùn)算指令

-程序控制指令

后置漪2弘*字

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1.傳送指令

源地址—目的地址

設(shè)置時(shí)需考慮：

(1)規(guī)定傳送范

例.DJSTOO系列：R-M

80X86：R—M,R一R

IBM370：R—M,R<—"R,M'—?M

(2)指明傳送單位

例.用操作碼說明(VAX71)：OVBMOVWMOVL

81632

用地址量說明(80X86)：ALBL8

MOVAXBX16

EAXEBX32

例.80X86的串傳送指令：REP傳送次數(shù)由

計(jì)數(shù)器控制

(3)設(shè)置尋址方式

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)。

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2,輸入/輸出指令

各種信息

主機(jī)"—"外設(shè)

設(shè)置時(shí)需考慮：

(D"0指令的功能擴(kuò)展

(2)主機(jī)對(duì)外設(shè)的尋址方式

(3)I/O指令設(shè)置方式

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(1)I/O指令的功能擴(kuò)展

如何用通用I/O指令實(shí)現(xiàn)對(duì)各種具體設(shè)備的控制?

?I/O指令中留有擴(kuò)展余地

指令中某些字段編碼事先不定義，需要時(shí)再

約定其含義。

用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場(chǎng)合。

?I/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器

后置漪2弘*字

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主機(jī)用輸出指令或傳送指令將具體設(shè)備的控制命令

按約定的代碼格式送往接口中的控制寄存器，向外

設(shè)發(fā)出命令。

外設(shè)的狀態(tài)信息也以某種格式放在接口的狀態(tài)寄存

器中，主機(jī)用輸入指令或傳送指令從狀態(tài)寄存器中

取出有關(guān)信息進(jìn)行查詢、分析。

如何設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器是接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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(2)主機(jī)對(duì)外設(shè)的尋址方式

尋找I/O接口中的寄存器的方式。

\|/0端口

如何為I/O端口分配地址？

?單獨(dú)編址

?統(tǒng)一編址

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?單獨(dú)編址

為每個(gè)寄存器（I/0端口）分配獨(dú)立的端

口地址；I/O指令中給由端口地址。

I/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重

疊。需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問對(duì)象，如

r=1訪問存儲(chǔ)器

1:0訪問I/O端口

崔胤漪Z父*冬

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?統(tǒng)一編址

為每個(gè)寄存器（I/0端口）分配總線地址；

訪問外設(shè)時(shí)，指令中給出總線地址

I/O端口占據(jù)部分主存空間。

常將存儲(chǔ)空間的低端分配給主存單元，高端

分配給I/O端口，以示區(qū)分。

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（3）I/O指令設(shè)置方式

?設(shè)置專用i/o指令-----顯式I/O指令

針對(duì)單獨(dú)編址，用I/O指令訪問I/O端口。

指令中說明輸入/輸出操作，并給出端口地址。

?用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作-----隱式i/o指令

針對(duì)統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問I/O端口。

不設(shè)專用I/。指令。

?通過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）

兩級(jí)I/。指令｛

I/O處理機(jī)執(zhí)行I/O操作指令（輸入、輸出……）

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例.80X86I/O指令設(shè)置

輸入：INAL,n；(n)—>AL(直接端口尋址)

端口地址

INAL,DX；((DX))―>AL(間接端口尋址)

間接端口地址

輸出：OUTn,AL；(AL)―>n(直接端口尋址)