指令与数据的寻址方式

基本概念

存储器既可以存放数据，也可以存放指令

区分数据和指令

从时间来说

  • 取指令事件发生在取指周期

  • 取数据事件发生在执行周期

从空间来说

  • 取出的代码是指令，一定送往指令寄存器（控制器

  • 取出的代码是数据，一定送往数据寄存器（运算器

寻址方式

  • 指令寻址方式（简单）

    • 顺序寻址方式

    • 跳跃寻址方式

  • 数据（操作数）寻址方式（复杂）

    • 立即寻址, 隐含寻址

    • 直接寻址, 间接寻址

    • 寄存器寻址, 寄存器间接寻址

    • 偏移寻址

      • 相对寻址

      • 基址寻址

      • 变址寻址

    • 段寻址, 堆栈寻址

指令寻址

顺序指令寻址

通常执行程序时是一条指令接一条指令的顺序执行

从内存取出第一条指令，然后执行，然后取出第二条，然后执行，然后取出第三条，然后执行...

需要使用程序计数器PC（又称指令指针寄存器）存放下一条指令的地址 PC+1→PC

跳跃指令寻址

程序根据条件需要跳跃执行时采取跳跃寻址，即下一条指令的地址码不是由PC给出，而是由本条指令给出。即本条指令改变PC内数据（因为PC内是下一条指令地址），本条指令执行结束后会跳到PC指向的地址

跳跃后继续顺序执行指令，PC也要跟着改变 新地址→PC

使用跳跃可以实现程序分支与循环

操作数的寻址方式

形成操作数有效地址的方法:

  • 单地址指令地址码的构成: Mode , D

  • 实际有效地址为 E, 实际操作数 S

  • S= (E)

操作数隐含寻址

隐含寻址：在指令中不显示给出操作数。如某些单地址指令拥有隐含的操作数AC

操作数立即寻址

即指令的地址字段给出的不是操作数地址，而是操作数本身。准确来说根本没有寻址

S=D

例: MOV AX,38H （38H → AX）

这种指令执行速度快，不需要访存，取指的同时就取到了操作数

操作数直接寻址(Direct Addressing)

最“正常”的寻址方式。即指令的操作数字段内容为操作数的地址A，CPU去地址A取出数据D。可以表示为D = (A)，和之前说的一样，括号可以视为C语言中对指针的解引用

操作数间接寻址(Indirect Addressing)

指令的操作数字段给出了地址A1，但是(A1)也是一个指针（地址），指向了另一个地址A2，即A2 = (A1)，地址A2指向的才是数据D，即D = (A2) = ((A1))

因为地址A2可以有很多位，所以间接寻址可以扩大寻址范围

操作数寄存器寻址(Register Addressing)

指令中地址字段给出的不是内存地址而是CPU中通用寄存器的编号。假设编号为R，则数据D = (R)

操作数寄存器间接寻址

类似于间接寻址，寄存器R的内容A不是数据而是一个地址。操作数D = (A) = ((R))

D单元的内容是操作数的地址, D是操作数地址的地址

E=(R) inc [BX]

操作数偏移寻址

是直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合

大致思想：目标地址EA = (R) + A，R是一个寄存器的编号，A是指令字中给出的一个偏移量（形式地址），是有符号数，即可以为负

分为三类：

  • 相对寻址

    • 即相对于当前PC的寻址。把PC的内容加上偏移量A

    • 优点是程序员不需要使用绝对地址编程

相对寻址

  • 基址寻址

    • CPU中的基址寄存器的内容加上偏移量A

    • 优点是扩大寻址范围。基址寄存器的位数可以设置的很长

  • 变址寻址

    • CPU中的变址寄存器的内容加上偏移量A

    • 与基址寻址类似，但是变址寄存器的内容自动递增或递减

    • 使用变址寻址的目的不在于扩大寻址空间，而是实现程序块的规律性变化

基址/变址寻址

操作数段寻址

基于基址寻址。只是把地址空间划分为段

某计算机有20位地址。容量1MB。以64KB为单位划分为16段。则可以把20位地址划分为一个4位段号和一个16位段内偏移量。CPU内有一个段寄存器保存一个段号，计算地址时把段号左移16位再加上偏移量即可

堆栈寻址

使用栈，数据的存取只通过栈顶进行。后进先出 LIFO

可以分为：

  • 硬件堆栈 (寄存器串联堆栈)

存储区域为若干个寄存器。CPU中有一组专门的串联堆栈寄存器，每个寄存器能保存一个字

入栈和出栈时栈顶不变，数据移动，即栈顶的地址为定值

优点：访问速度快

缺点：堆栈大小受限。数据的读出是破坏性的

  • 软件堆栈 (存储器堆栈)

存储区域为主存的一部分。需要一个堆栈指示器来指示栈顶位置。CPU中有一个专用的寄存器作为堆栈指示器(SP: Stack Point)

栈顶变化时由SP指示而数据不动

优点：比串联堆栈灵活。长度几乎不受限。个数也不受限。对存储器寻址的指令对堆栈同样适用

压栈操作：

对应的表达式：(A) -> (SP), SP - 1 -> SP。此处使用的策略是栈顶指向空单元，即先压数据再移动指针，栈顶为空。当然也可以使栈顶指向满单元（略）

弹栈操作：

对应表达式：SP + 1 -> SP, (SP) -> A。在栈顶指向空单元策略下先移动指针再读取数据

不同寻址方式对比

基本寻址方式总结

令指令字中的地址字段为A，R为寄存器，SP为栈顶指针，EA为实际地址，操作数为D，D = (EA)

方式
算法
优点
缺点

隐含寻址

默认操作数地址

不访存

数据范围受限

立即寻址

D = A

不访存

操作数值范围受限

直接寻址

EA = A

简单

地址范围受限

间接寻址

EA = (A)

地址范围大

多次访存

寄存器寻址

EA = R

不访存

地址范围受限

寄存器间接寻址

EA = (R)

地址范围大

访存

偏移寻址

EA = A + (R)

灵活

复杂

段寻址

EA = A + (R)

灵活

复杂

堆栈寻址

EA = SP(栈顶

不访存

应用受限

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