计算机组成原理4.2指令寻址方式

4.2.1指令寻址和数据寻址

4.2.1.1指令寻址：

顺序寻址： 取出指令后PC指向下一条需执行指令的地址。

1)顺序寻址：

定长指令字结构寻址：
假设指令字长 = 存储字长 = 16bit = 2Byte，且主存按字编址。则每次取出指令后PC + 1；若主存按字节编址，意味着每条指令都会占两个地址，则每次取出指令后PC + 2。

变长指令字结构寻址：指令字长 = 存储字长 = 16bit，主存按字节编址。假设相同颜色的是同一条指令。

假设从0开始，CPU无法判断指令长度，因此CPU会每次先读入一个字，并区分按字节编址还是按字编址，使得程序计数器PC + “一个指令长度”，本次叙述的是按字节编址，因此PC + 4，若按字编址，PC + 2。操作码被包含在第一个字，CPU根据操作码判断读取指令是几地址指令，由此确定指令占用多少字节，并继续读取后续。

2)跳跃寻址：

下一条指令的地址码不由程序计数器指出，而是由本条指令给出下条指令地址码的计算方式。
定长指令字结构寻址，指令字长 = 存储字长 = 16bit，主存按字编址。意味着每条指令占用一个字，两个字节；变长指令字结构寻址，与顺序寻址中变长指令字结构的情况可类比，不一一赘述，主存按字节编址的情况与顺序须知可以类比得出，也不赘述。

如上图，仍然假设CPU从0开始读入指令，从0～2都是顺序寻址，此时，执行完指令2时，PC指向的是指令3，接下来，CPU读入指令3，PC + 1，PC指向4，CPU执行指令3，指令3是JMP，无条件跳转指令，跳转到7，此时PC重新指向，指向7。

4.2.1.2 数据寻址：

确定本条指令的地址码指向的真实地址，是指如何在指令中表示一操作数的地址，与跳跃寻址并不相同。由于数据寻址的方式较多，为了便于区别，会在指令字的形式地址前面设置几个bit作为寻址方式位，这几位是寻址特征。每个形式地址前面都会有一个寻址方式位。

4.2.2 数据寻址的方式

一地址指令：

二地址指令：

介绍十种数据寻址方式，由于10 < 16 = 2⁴，因此十种情况用4个bit表示足以。假设指令字长 = 机器字长 = 存储字长，假设操作数是3。

4.2.2.1 直接寻址

指令字中的形式地址A就是操作数3的真实地址EA，CPU根据形式地址去主存中相应地址找到数据3并将其放入ACC中进行计算。取指令，执行指令一共访问主存两次。直接寻址过程简单，但操作数的地址范围有限，且操作数地址发生变化时指令需要再修改。

4.2.2.2 间接寻址

指令的形式地址码A指向主存中某个有效地址EA，EA中存储着操作数的真实地址，可以用EA = (A)来表示，其中(A)表示地址A所指向的主存单元里的数据，取指令访问存储一次，执行指令访问存储两次一共三次。间接寻址扩大了寻址范围，便于编写汇编程序，但是由于需要多次访存，因此执行指令速度会慢。 间接寻址可以多层“套娃”，间接寻址可以与C语言中的一级指针、二级指针、多级指针类比理解。

4.2.2.3 寄存器寻址

指令中的形式地址码R_i指向某个编号为R_i的寄存器寄存器中存放操作数，取指令访存一次，执行指令不需要访存。寄存器寻址执行指令不需要访存，因此执行速度快，支持向量或者矩阵运算，但由于价格昂贵，寄存器个数有限。

4.2.2.4 寄存器间接寻址

指令中R_i指向某个编号为R_i的寄存器，寄存器中存放操作数在主存中的真实地址EA，EA = (R_I),取指令访存一次，执行指令访存一次共两次。寄存器间接寻址比一般间接寻址更快。

4.2.2.5 隐含寻址

如两个操作数的运算，一个操作数的地址存放在指令的形式地址码A中，另一个操作数B在ACC中，操作数B被指令隐含在ACC中。缩短了指令长度，但需要增加存储操作数或者隐含操作数地址的硬件。

4.2.2.6 立即寻址

指令的形式地址码就是操作数本身，一般用补码表示，#表示立即寻址特征。取指令访存一次，执行指令不访存，指令执行时间短，但形式地址码的位数限制了操作数的表示范围。

4.2.2.7 基址寻址指令中形式地址码A加上基址寄存器中的内容就是操作数的有效地之EA，EA = (BR) + A，如上图，CPU中的基址寄存器可以，可以采用专用的寄存器，也可以采用通用寄存器，但是若采用通用寄存器，需要在指令中用若干bit表示为R_i，来指明使用了编号R_i的通用寄存器作为基址寄存器。

关于基址寻址过程：

还是采用讲义里的笔记截图，假设这一段程序的指令，在主存中的地址不是从0开始，而是从100或者其他地址开始。程序运行前，CPU将BR的值修改为当前要执行程序的起始地址，存放到操作系统的程序控制块PCB中。PC指向程序指令起始地址100，第一条指令是取出操作数a，a存放在主存地址码为105 = 100 + 5的位置。基址寻址适用于多道程序设计，可扩大寻址范围，可用于编写经常浮动的程序。

4.2.2.8 变址寻址

指令中形式地址码A加上基址寄存器中的内容就是操作数的有效地之EA，EA = (IX) + A，如上图，CPU中的基址寄存器可以，可以采用专用的寄存器，也可以采用通用寄存器，但是若采用通用寄存器，需要在指令中用若干bit表示为R_i，来指明使用了编号R_i的通用寄存器作为基址寄存器。

关于变址寻址过程：

假设要执行一段程序

for(int i = 0, i < 10; i ++)
{
	sum = sum + a[i];
}

PC指向第二条指令，PC + 1，取操作数到IX中，此时IX为0，下一条指令的形式地址指向7，则ACC中的操作数0，与 7 + (IX) 得到的地址中的数据相加再放到ACC中，完成一次数组元素加法操作，执行指令IX + 1，则是for循环中的i++，比较IX中的数据与10，则是执行判断i < 10。执行指令5，满足指令中的条件，跳转到指令2，重复前述步骤。后续指令执行较为简单，不再赘述。变址寻址适用于循环程序。

4.2.2.9 相对寻址

指令中的形式地址码A加上PC中的内容形成的有效地址码EA，EA = (PC) + A,A是相对于PC的偏移量，可正可负，用补码表示。

仍然是讲义中的例子，假设把for循环移动到其他位置，此时就需要用相对寻址，假设for循环程序的起始地址是M，则执行指令到M + 3时，PC + 1 = M + 4，此时(PC) + A，得到M，完成一次循环。相对寻址使得for循环有关程序可以在整个程序内任意浮动，而不用修改指令中的形式地址。

4.2.2.10 堆栈寻址

操作数放在堆栈中，使用堆栈指针(Stack Pointer，SP)作为操作数有效地址，按照FIFO先进先出的原则管理堆栈存储器。可分为硬堆栈和软堆栈，硬堆栈是寄存器堆栈，在CPU中用指定寄存器来存放堆栈，不需要访存就能完成寻址；从主存中划分出一段存储空间来作为堆栈的是软堆栈，软堆栈需要一次访存。
假设用4个寄存器实现堆栈，CPU从堆栈区按顺序，取出栈顶元素放到ACC中，SP + 1，指向次栈顶元素，取出次栈顶元素放到X中。计算完毕，把计算结果压入栈，SP - 1，完成一次加法操作，减法操作亦然。如下图。
有些情况下栈顶的位置可能在地址数值较小的位置，也可能在地址数值较大的位置，需要详细区分。
计算上述加法过程中，硬堆栈不访存，软堆栈每次压入栈或者弹出栈的操作，都需要访存。
关于堆栈寄存器，在后续的CPU基本结构中也会涉及到。