第四章 02指令的寻址方式

一、指令寻址

1.1 本节大纲

基本概念: 指令寻址是指确定下一条指令在主存中存放地址的过程，由程序计数器(PC)实现
两种方式:
- 顺序寻址：(PC)+”1″→PC
- 跳跃寻址：通过转移指令改变PC值
指令结构: 一条指令包含操作码(OP)和地址码（可能有多个）

1.2 回忆：计算机的工作过程

程序计数器作用: PC始终指向下一条待执行指令的地址
执行流程:
- 初始PC=0，指向第一条指令
- 取指令后PC自动加”1″（具体加值取决于系统特性）
- 执行当前指令
- 重复上述过程

1.3 指令寻址 – 顺序寻址

主存的编址发生概念，地址也发生改变

1.4 跳跃寻址 – 由转移指令指出

实现方式: 通过转移类指令（如JMP）直接修改PC值
执行过程:
- 取指令后PC仍按顺序+1
- 执行转移指令时强制修改PC为目标地址
- 示例：执行JMP7指令后PC值被强制改为7
特点: 改变程序正常执行流，实现非顺序执行

1.5 本节回顾

核心概念: 通过PC确定下条指令地址
顺序寻址要点:
- 取指令后PC必然更新
- “1”代表指令字长单位
跳跃寻址要点: 执行转移指令导致PC值改变
执行阶段: 所有指令都包含”取指令”和”执行指令”两个阶段

二、数据寻址

2.1 数据寻址 VS 数据寻址

指令寻址的定义

核心概念：确定CPU下一条要执行指令的存放地址
实现方式：始终由程序计数器PC给出指令地址
两种类型：
- 顺序寻址：PC自动+1
- 跳跃寻址：通过JMP等指令改变PC值

数据寻址的定义

核心概念：确定指令中地址码(A)指明的真实操作数地址
组成部分：指令由操作码(OP)和地址码(A)组成
典型示例：
- LDA 1000：操作码为LDA，地址码为1000
- ADD 1001：操作码为ADD，地址码为1001

数据寻址的复杂性

地址解释多样性：地址码可能表示真实地址、偏移量或立即数
程序存储问题：程序不一定从地址0开始存储，需要灵活解释地址
示例说明：
- 程序从地址100开始存储时，JMP 7应解释为跳转到107(100+7)
- 程序从地址0开始存储时，JMP 7直接跳转到7

2.2 知识总览 – 10种寻址方式

指令结构发展：
- 原始结构：操作码(OP) + 地址码(A)
- 改进结构：操作码(OP) + 寻址特征 + 形式地址(A)
寻址特征作用：用4位二进制标识10种寻址方式
术语说明：
- 形式地址(A)：指令中给出的地址
- 有效地址(EA)：最终的操作数真实地址

2.3 数据寻址 – 直接寻址

定义：EA = A，形式地址即真实地址
优点：
- 执行简单，无需地址转换
- 执行速度快
缺点：
- 寻址范围受限（受地址码位数限制）
- 地址修改不灵活

2.4 数据寻址 – 间接寻址

定义：EA = (A)，形式地址指向存有真实地址的单元
访存次数：
- 一次间址：执行期间2次
- 多次间址：每多一级多1次访存
优点：
- 扩大寻址范围（可用更长地址）
- 便于编程（支持多级调用）
缺点：执行效率低（多次访存）

2.5 数据寻址 – 寄存器寻址

定义：EA =Ri，操作数直接在寄存器中
访存次数：执行期间0次
优点：
- 执行速度最快
- 指令字长短
- 支持向量/矩阵运算
缺点：寻址能力有限（寄存器数量少）

2.6 数据寻址 – 寄存器间接寻址

定义：EA =(Ri)，寄存器内容为操作数地址
访存次数：执行期间1次
特点：比主存间接寻址更快（寄存器访问快）

2.7 数据寻址 – 隐含寻址

定义：操作数地址隐含在指令中（如ACC）
访存次数：取决于隐含位置
特点：
- 缩短指令字长
- 需要专用硬件支持

2.8 数据寻址 – 立即寻址

定义：A即是操作数本身（立即数）
访存次数：执行期间0次
表示方法：常用#前缀标识（如#3）
优点：执行速度最快
缺点：数值范围受限（受地址码位数限制）

2.9 本节回顾

关键对比：
- 直接寻址：EA=A，访存1次
- 一次间址：EA=(A)，访存2次
- 寄存器寻址：EA=Rii，访存0次
- 立即寻址：A为操作数，访存0次
学习重点：
- 各种寻址方式的有效地址计算规则
- 不同寻址方式的访存次数差异
- 各种寻址方式的优缺点比较

三、数据寻址 – 偏移寻址

3.1 数据寻址示例

直接寻址应用：当程序从地址0开始存放时，指令”LDA 1000″中的地址码1000可直接作为有效地址访问操作数
基址寻址应用：当程序从地址100开始存放时，jump指令的地址码7应解释为从起始地址100偏移7个单位（即107）
相对寻址应用：PC当前指向104时，地址码3应解释为从PC值104偏移3个单位（即107）

3.2 知识总览

偏移寻址大类：包含基址寻址、变址寻址和相对寻址三种方式，共同特征是以特定地址为起点加上形式地址的偏移量
有效地址计算：操作数的真实地址称为有效地址(EA)，由操作码(OP)、寻址特征和形式地址(A)共同决定

3.3 偏移寻址的概念

3.4 基址寻址

基址寻址原理

专用基址寄存器实现
- 计算公式：EA=(BR)+A，其中BR为基址寄存器内容，A为指令中的形式地址
- 硬件实现：通过ALU将BR内容和形式地址A相加得到有效地址
- 操作系统关联：基址寄存器相当于操作系统中的重定位寄存器，用于程序装入管理

通用寄存器实现方式
- 寄存器指定：当使用通用寄存器作为基址寄存器时，指令中需包含寄存器编号字段
- 位数确定：寄存器编号字段的比特数由通用寄存器总数决定（如8个寄存器需要3位）
- 访问限制：被指定为基址寄存器的通用寄存器内容不可被用户程序修改

3.5 基址寻址的作用

程序浮动支持：允许程序从内存任意地址开始存放，只需修改BR值即可适应不同装入地址
多道程序实现：不同程序的BR值保存在各自PCB中，实现多程序并发运行时的地址转换
寻址范围扩展：通过基地址+偏移量的方式，突破形式地址位宽限制，扩大可访问地址空间
管理权限：基址寄存器内容只能由操作系统修改，保证内存管理的安全性和统一性

基址寻址的核心是通过 “基址寄存器内容 + 指令中的位移量” 计算有效地址，主要作用有：

方便程序重定位：程序加载到内存不同位置时，无需修改指令中的位移量，只需调整基址寄存器的值，就能让程序正确访问数据，这对操作系统中程序的灵活加载很重要。
扩大寻址范围：基址寄存器的位数通常比指令中位移量的位数多，两者相加后可访问的内存空间比仅用位移量大得多。

3.6 变址寻址

基本概念与原理

有效地址计算：EA=(IX)+A，其中IX为变址寄存器（专用或通用寄存器），A为指令中的形式地址
寄存器类型：系统可能专门设置变址寄存器IX（Index Register），也可能使用通用寄存器作为变址寄存器
面向用户特性：与基址寻址的关键区别在于，变址寄存器IX的内容可由程序员修改，属于用户可见寄存器

寻址特点与应用

角色分配：
- 形式地址A：作为基地址（固定值）
- 变址寄存器IX：作为偏移量（可变值），与基址寻址的角色分配相反
数组处理优势：将数组首地址设为A，通过修改IX值即可访问数组任意元素，特别适合循环程序
- 例：对数组a0到a9求和时，只需保持A指向数组首地址，循环修改IX值从0递增到9

3.7 变址寻址的作用

编程实例解析

传统实现缺陷：需要10条独立加法指令（地址码分别为12-21），无法适应数组规模变化
变址优化方案：
执行过程：
- 第一轮：IX=0，访问地址7+0=7（a0）
- 第二轮：IX=1，访问地址7+1=8（a1）
- …
- 终止条件：当IX=10时，10-IX≤0终止循环

3.8 变址寻址的优缺点

关键区别总结

与基址寻址对比：
- 修改权限：基址寄存器内容由OS管理，变址寄存器内容由用户程序修改
- 角色定位：基址寻址中形式地址为偏移量，基址寄存器提供基地址；变址寻址中角色互换
硬件实现提示：比较操作实际执行10−IX运算，结果>0时触发条件跳转（PC←2）

3.9 基址和变址复合寻址

例题:基址变址复合寻址应用

复合寻址原理: 将基址寻址和变址寻址结合使用，先进行基址寻址（形式地址A+基址寄存器BR内容），再进行变址寻址（加上变址寄存器IX内容），最终得到有效地址EA。
地址计算示例: 当程序起始地址为100，BR=100，A=7，IX=2时，EA=(100+7)+2=109，正好访问数组元素a₂。
寻址方式类比: 每种寻址方式可视为将形式地址A映射为有效地址EA的函数，复合寻址相当于数学中的复合函数。
实际应用场景: 当程序在内存中的存放位置改变时（如从地址0改为地址100），单独使用变址寻址会失效，必须结合基址寻址才能正确定位数据。