一、指令寻址

指令寻址：下一条欲执行指令的地址（始终由程序计数器PC给出）。

指令寻址最主要的就是确定 PC 的值，其在不同的情况下的计算是不同的，不能仅仅使用 PC = ( PC ) + 1 计算。根据编址方式的不同或者指令长度的不同，可能是加2也可能直接赋一个值。

顺序寻址

• PC = ( PC ) + 1 的情况

• PC = ( PC ) + 2 的情况

• PC = ( PC ) + n 的情况

采用变长指令字结构时，读入一个字，根据操作码判断这条指令的总字节数 n，修改PC的值。

跳跃寻址

跳跃寻址： 由转移指令指出 PC 的值

分析：执行完序号3的指令时，此时 PC 的值为4，指向图中蓝色方框的指令。但是使用 转移指令JMP 后，PC 的值变为 7， 指向的指令为序号为7的指令：‘LDA 1100’

指令寻址总结

二、数据寻址

数据寻址：确定 本条指令的地址码指明的真实地址。

数据寻址有如上图所示方式，为了标识数据寻址的方式，在指令结构中增加了 寻址方式位 这一字段。

（一）、六种简单寻址

1. 隐含寻址

隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址 。

优点：有利于缩短指令字长。 缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

2. 立即寻址

立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。

一条指令的执行：取指令 访存1次；执行指令 访存0次；暂不考虑存结果共访存1次。

优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短。 缺点：A 的位数限制了立即数的范围。如 A 的位数为 n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为 − 2 n − 1 ～ 2 n − 1 − 1 -2^{n-1}～2^{n-1}-1 −2n−1～2n−1−1.

3. 直接寻址

直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址 EA，即EA=A 。

一条指令的执行：取指令 访存1次， 执行指令 访存1次 ，暂不考虑存结果共访存2次。

优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需专门计算操作数的地址。 缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围。操作数的地址不易修改。

4. 间接寻址

间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址，即 EA=(A) 。

优点：可扩大寻址范围(有效地址EA的位数大于形式地址A的位数)。便于编制程序(用间接寻址可以方便地完成子程序返回)。

缺点：指令在执行阶段要多次访存(一次间址需两次访存，多次寻址需根据存储字的最高位确定几次访存)。

5. 寄存器寻址

寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 EA = R i R_i Ri​ ，其操作数在由 R i R_i Ri​ 所指的寄存器内。

一条指令的执行：取指令 访存1次；执行指令 访存0次；暂不考虑存结果共访存1次。

优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快，支持向量/矩阵运算。

缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限 。

6.寄存器间接寻址

寄存器间接寻址：寄存器 R i R_i Ri​ 中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即 EA = ( R i R_i Ri​) 。

一条指令的执行：取指令 访存1次；执行指令 访存1次；暂不考虑存结果共访存2次。

特点：与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存(因为操作数在主存中)。

（二）、偏移寻址

• 相对寻址：以程序计数器PC所指地址作为“起点”。 EA = (PC)+A
• 基址寻址：以程序的起始存放地址作为“起点”。 EA = (BR)+A
• 变址寻址：程序员自己决定从哪里作为“起点”。 EA = (IX)+A

7. 相对寻址（PC）

相对寻址：把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即 EA=(PC)+A，其中 A是相对于PC所指地址的位移量，可正可负，补码表示 。

• 相对寻址的作用

优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动（一段代码在程序内部的浮动）。 相对寻址广泛应用于转移指令。

8. 基址寻址（BR —— base address register）

基址寻址：将**CPU中基址寄存器（BR）**的内容加上指令格式中的形式地址A，而形成操作数的有效地址，即 EA= (BR)+A。

注：“重定位寄存器”就是“基址寄存器”

• 采用专用寄存器和采用通用寄存器两种方式作为基址寄存器。
• 采用通用寄存器作为基址寄存器时，在指令中指明，要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用。

注： （1）基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（作为基地址），形式地址可变（作为偏移量）。 （2）当采用通用寄存器作为基址寄存器时，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定。

• 基址寻址的作用

程序运行前，CPU将BR的值修改为该程序的起始地址（存在操作系统PCB中）

优点：可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数）；用户不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，便于程序“浮动”。采用基址寻址无需修改指令中的地址码。

9. 变址寻址（IX — index register）

变址寻址：有效地址EA 等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即 EA= (IX)+A，其中 IX可为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器 。

注：变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址） 。

优点：在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序。

（三）、特殊寻址方式

10. 堆栈寻址

堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针(SP)作为操作数地址。 【SP — Stack Pointer】

堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出（LIFO）” 原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）。

以上述堆栈形式实现一次加法操作。记栈顶单元为Msp

步骤一：POP ACC 取栈顶元素到 ACC寄存器

(Msp) → ACC(SP)+1 → SP

步骤二：POP X 取栈顶元素到 X寄存器

(Msp) → X(SP)+1 → SP

步骤三：ADD Y

(ACC)+(X) → Y

步骤四：PUSH Y

(SP)-1 → SP(Y) → Msp

硬堆栈与软堆栈

硬堆栈：寄存器堆栈。 软堆栈：从主存中划出一段区域来做堆栈。

（四）、数据寻址总结

注意：取出当前指令后， PC会指向下一条指令，相对寻址是相对于下一条指令的偏移。

三、CISC 和 RISC

CISC： Complex Instruction Set Computer 设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能。 代表：x86架构，主要用于笔记本、台式机等。

RISC： Reduced Instruction Set Computer 设计思路：一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能。 代表：ARM架构，主要用于手机、平板等。

比如设计一套能实现整数、矩阵加/减/乘运算的指令集：

CISC的思路：除了提供整数的加减乘指令除之外，还提供矩阵的加法指令、矩阵的减法指令、矩阵的乘法指令。 一条指令可以由一个专门的电路完成，有的复杂指令用纯硬件实现很困难 → 采用“存储程序”的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令

RISC的思路：只提供整数的加减乘指令 一条指令一个电路，电路设计相对简单，功耗更低，“并行”、“流水线”

CISC和RISC的对比

注：乘法指令可以访存，一定是 CISC