计算机组成原理 第二节 操作数类型和操作类型 一、操作数类型 机器中常见的操作数类型有：地址、数字、字符、逻辑数据等。 1．地址 地址实际上也可看作是一种数据，在许多情况下要计算操作数的地址。这时，地址可被认为是一个无符号的整数。 2．数字 计算机中常见的数字有：定点数、浮点数和十进制数。 3．字符 在应用计算机时，文本或者字符串也是一种常见的数据类型。由于计算机在处理信息过程中不能以简单的字符形式存储和传送，因此普遍采用ASCII码，它是很重要的一种字符编码。 4．逻辑数据 计算机除了作算术运算外，有时还需作逻辑运算，此时n个0和1的组合不是被看作算术数字，而是看作逻辑数。 二、数据在存储器中的存放方式 通常计算机中的数据存放在存储器或寄存器中，而寄存器的位数便可反映机器字长。一般机器字长可取字节的1、2、4、8倍，这样便于字符处理。在大、中型机器中字长为32位和64位，在微型机中字长从4位、8位逐渐发展到目前的16位和32位。 由于不同的机器数据字长不同，每台机器处理的数据字长也不统一，例如奔腾处理器可处理8(字节)、16(字)、32(双字)、64(四字)； PowerPC可处理8(字节)、16(半字)、32(字)、64(双字)。因此，为了便于硬件实现，通常要求多字节的数据在存储器的存放方式能满足“边界对准”的要求，如下图所示。 存储器 地址 （十进制） 字（地址0） 0 4 8 字（地址4） 字节（地址11） 字节（地址10） 字节（地址9） 字节（地址8） 字节（地址15） 字节（地址14） 字节（地址13） 字节（地址12） 12 16 20 24 28 32 36 半字（地址18） 半字（地址16） 半字（地址22） 半字（地址20） 双字（地址24） 双字 双字（地址32） 双字 图中所示的存储器其存储字长为32位，可按字节、半字、字、双字访问。在对准边界的32位字长的计算机中(如上图(a)所示)，半字地址是2的整数倍，字地址是4的整数倍，双字地址是8的整数倍。当所存数据不能满足此要求时，可填充一个至多个空白字节。而字节的次序有两种，如下图所示， 字地址 0 3 2 1 0 7 6 5 4 4 （a） 0 0 1 2 8 4 5 6 7 4 (b) 其中(a)表示低字节为低地址，(b)表示高字节为低地址。 在数据不对准边界的计算机中，数据(例如一个字)可能在两个存储单中，此时需要访问两次存储器，并对高低字节的位置进行调整后，才能取得一字，下图的阴影部分即属于这种情况。 存储器 地址（十进制） 字（地址2） 半字（地址0） 0 4 8 字节（地址7） 字节（地址6） 字（地址4） 半字（地址10） 半字（地址8） 三、操作类型 不同的机器操作类型也是不同的，但几乎所有的机器都有以下几类通用的操作。 1．数据传送 数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单、存储单与存储单之间的传送。如从源到目的之间的传送、对存储器读(LOAD)和写(STORE)、交换源和目的的内容、置1、清0、进栈、出栈等。 2．算术逻辑操作 这类操作可实现算术运算（加、减、乘、除、增1、减1、取负数即求补）和逻辑运算(与、或、非、异或)；对于低档机而言，一般算术运算只支持最基本的二进制加减、比较、求补等，高档机还能支持浮点运算和十进制运算。 有些机器还具有操作功能，如位测试（测试指定位的值）、位清除(清除指定位)、位求反（对指定位求反）等。 3．移位 移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种。算术移位和逻辑移位分别可实现对有符号数和无符号数乘以2n(左移)或整除2n (右移)的运算。并且移位操作所需时向远比乘除操作执行时间短，因此，移位操作经常被用来代替简单的乘法和除法运算。 4．转移 在多数情况下，计算机是按顺序执行程序的每条指令的，但有时需要改变这种顺序，此刻可采用转移类指令来完成。转移指令按其转移特征又可分为无条件转移、条件转移、跳转、过程调用与返回、陷阱(Trap)等几种。 (1)无条件转移。无条件转移不受任何条件约束，可直接把程序转移到下一条需执行指令的地址。如JMPX其功能是将指令地址无条件转至X。 (2)条件转移。条件转移是根据当前指令的执行结果，来决定是否需转移。若条件满足，则转移；若条件不满足，则继续按顺序执行。一般机器都能提供一些条件码，这些条件码是某些操作的结果。如零标志位(Z)，结果为0，Z＝1；负标志位 (N)，结果为负，N=1；溢出标志位(V)，结果有溢出，V=l；进位标志位(C)，最高位有进位，C=1；奇偶标志位(P)，结果呈偶数，P=1等等。 例如，指令BRO X，表示若结果(有符号数)溢出(V=1)，则指令跳转至X。 (3)调用与返回。在编写程序时，有些具有特定功能的程序段会被反复使用。为避免重复编写，可将这些程序段设定为独立于程序，当需要执行某子程序时，只需用子程序调用指令即可。此外，计算机系统还提供了通用子程序，如申请资源、读写文件、控制外设等等。需要时均可由用户直接调用，不必重新编写。 通常调用指令包括过程调用、系统调用和子程序调用。它可实现从一个程序转移到另一个程序的操作。 调用指令(CALL)一般与返回指令(RETURN)配合使用。CALL用于从当前的程序位置转至于程序的入口；RETURN用于子程序执行完后重新返回到原程序的断点。 需注意几点： ● 子程序可在多处被调用； ● 子程序调用可出现在子程序中，即允许子程序嵌套； ● 每个CALL指令都对应一条RETURN指令。 由于可以在许多处调用子程序，因此，CPU必须记住返回地址，便子程序能准确返回。返回地址可存放在三处： ·寄存器内。机器内设有专用寄存器，专门用于存放返回地址； ·子程序的入口地址内； ·栈顶内。现代计算机都设有堆栈，执行RETURN指令后，便可自动从栈顶内取出应返回的地址。 (4)陷阱(Trap)与陷阱指令。陷阱其实是一种意外事故的中断。如机器在运行中，可能会出现电源电压不稳定、存储器校验出差错、输入输出设备出现了故障、用户使用未被定义的指令、除数出现为0、运算结果溢出以及特权指令等种种意外事件，致使计算机不能正常工作。此刻必须及时采取措施，否则将影响整个系统正常运行。因此，一旦出现意外故障，计算机就发出陷阱信号，暂停当前程序的执行，转入故障处理程序进行相应的故障处理。 计算机的陷阱指令一般不提供给用户直接使用，而作为隐指令(即指令系统中不提供的指令)，在出现意外故障时，由CPU自动产生并执行。也有的机器设置供用户使用的陷阱指令或“访管”指令，利用它完成系统调用和程序请求。如IBM PC(Intel 8086)的软中断INT TYPE(TYPE是8位常数，表示中断类型)，其实就是直接提供给用户使用的陷阱指令，用来完成系统调用。 5．输入输出 对于I/O单独编址的计算机而言，通常设有输入输出指令，它完成从外设中的寄存器读入一个数据到CPU的寄存器内，或将数据从CPU的寄存器输出至某外设的寄存器中。 6．其他 其他包括等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等等。 为了适应计算机的信息管理、数据处理及办公自动化等领域的应用，有的计算机还设有非数值处理指令。如字符串传送、字符串比较、字符串查询及字符串转换等。 在多用户、多任务的计算机系统中，还设有特权指令，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件，用户是不能使用的。 在有些大型或巨型机中，还设有向量指令，可对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。在多处理器系统中还配有专门的多处理机指令。
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