指令寻址方式与数据寻址方式

Posted 2022-03-21 PacosonSWJTU

【README】

1.本文总结自bilibili《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；

2. cpu访存寄存器耗费 10ns，访问缓存（高速缓冲寄存器）耗费20ns，访问主存200ns；访问磁盘1ms；一般情况下，CPU内部执行指令最长耗时是在访问内存（外设除外），所以本文列出了寻址方式是否访存的情况；

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【1】指令寻址

• 方式1： 顺序寻址 ， PC+1 -> PC ；PC程序计数器寄存器用于存储要执行的下一条指令的地址；
• 方式2：跳跃寻址， 如 JMP 7；无条件跳转到7号地址的指令；

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【2】数据寻址

【2.1】 指令格式

操作码

寻址特征

形式地址A

形式地址 A：机器指令中操作数的形式地址；

有效地址EA：操作数的真实地址； effective address；

约定： 指令字长=存储字长=机器字长；

【2.2】数据寻址方式（10种）

【2.2.1】立即寻址

形式地址A就是操作数；（无需访存）

【2.2.2】直接寻址

形式地址A就是有效地址EA；（无需访存）

【2.2.3】 隐含寻址

操作数地址隐含在操作码中；根据操作码隐含指出操作数在某寄存器中；（如操作数在寄存器中，无需访存）

【2.2.4】间接寻址

通过访存取出形式地址A指向的内存单元的操作数有效地址EA；再通过访存取出有效地址EA指向的内存单元的操作数；（需要2次访存）

【2.2.5】寄存器寻址

形式地址就是寄存器编号，操作数存储在寄存器中；（无需访存）

【2.2.6】寄存器间接寻址

形式地址就是寄存器编号，但操作数有效地址存储在寄存器中；（需要1次访问寄存器，1次访存）；

【2.2.7】基址寻址

操作数有效地址EA等于基址+形式地址A；其中基址存储在专用寄存器或通用寄存器中，形式地址作为偏移量；专用寄存器或BR，通用寄存器如R0；（1次计算，1次访存）；（注意，基址不变，但形式地址改变，通常用于多道程序设计）；

【2.2.8】变址寻址

操作数有效地址EA等于变址+形式地址A；其中变址存储在变址寄存器IX（或通用寄存器）中；（1次计算，1次访存）；（注意，变址可变，但形式地址不变，通常用于遍历数组）；

【2.2.9】相对寻址

以pc寄存器作为基址寄存器，形式地址作为偏移量；

【2.2.10】堆栈寻址

操作数存储在堆栈的栈顶中，其中栈底是低地址，栈顶是高地址（SP寄存器存储）；

Push：入栈；把ACC累加器的数据压入栈顶（内存）；
Pop：出栈：把栈顶元素出栈并存入ACC累加器；

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【3】寻址示例：求数组N个元素均值

【3.1】 直接寻址实现

直接寻址步骤（共计N+2条指令）：

序号	指令	描述
1	LDA D	把操作数存入ACC累加器中；
2	ADD D+1	把ACC内容与D+1内容相加；和存入ACC；
3	ADD D+2	把ACC内容与D+2内容相加；和存入ACC；
4	……	此处省略100字
5	ADD D+(N-1)	把ACC内容与（N-1）内容相加；和存入ACC； 至此，N个数据的累加和已完成，结果存入到ACC中；
6	DIV #N	求ACC中和的均值
7	STA ANS	保存结果到内存单元

【3.2】变址寻址实现

变址寻址步骤（共计8条指令）：

序号	指令	描述
1	LDA #0	把ACC累加器清零；
2	LDX #0	把IX变址寄存器清零；
3	ADD X, D	把变址寄存器IX的内容和指令中的形式地址存储的操作数做加法，结果存入累加器ACC；D为形式地址，如数组0号元素地址；
4	INX	变址寄存器IX自增1；
5	CPX #N	Compare-变址寄存器IX 与 N做比较；
6	BNE M	Not equal-若不等，则跳转到M号指令（M=3）； 通过这个循环，我们累加；
7	DIV #N	求和的均值
8	STA ANS	保存结果到内存单元

【小结】直接寻址和变址寻址对比：
直接寻址需要n+2条指令；而变址寻址只需要8条指令即可（变址寻址性能更优）；