在这里,主要是要说明什么是寻址方式。以及每一种CPU为什么使用这样的寻址方式。在说明什么是寻址方式之前,首先需要了解指令的构成,或者说指令的编码格式。

 

指令编码格式

 

一条指令(指的是机器码)由操作码(opcode)和操作数(operand)构成。操作数可以是1个,也可以是多个,甚至可以没有。操作码则是每一条指令都必须有。操作码表示该指令要做什么动作,例如跳转,加减等等。操作数则表示操作对象,操作数可能还会分为目的操作数和源操作数。操作数当然是一个数字,该操作数可以由多种来源,例如寄存器,存储器或者立即数。本节介绍的处理器的寻址方式就是讨论指令中操作数的来源问题。

 

CPU架构alpha特点_寻址

 

每一条指令(指的是机器码)一般对应一条汇编语句(指的是使用汇编语言书写的一条指令),所以我们一般就将指令等同于汇编语言,没怎么关心指令的概念。在学习寻址方式时,更加关注的是指令本身。也有一条汇编语句对应多条指令的情况,在编译时,汇编器会将该汇编语句转化成对应的多条指令。

 

寻址方式

 

指令编码中,用来说明操作数来源和操作数构成存储器地址的方法,叫做寻址方式,英文为Addressing Mode。寻址方式是由处理器的指令编码直接决定的,是处理器体系架构的一部分,所以我们一般叫做xxx处理器寻址方式,例如8086寻址方式,MIPS寻址方式。寻址方式是学习任何一种汇编语言的起点。

 

总之,处理器的寻址方式就是讨论指令中操作数的来源问题。

 

根据操作数的来源不同分类,寻址方式一般可以分为存储器方式和非存储器方式。存储器指的是内存等能够被CPU直接寻址到的存储空间。很多时候,我们更加关注存储器方式的寻址。

 

非存储器寻址方式

 

非存储器寻址一般有寄存器寻址,立即数寻址。对于x86,还有隐含寻址,IO寻址等。

 

立即数寻址是所有的处理器都支持的。操作数直接存放在指令编码中,而不需要借助于寄存器,存储器等。CPU在读取完一条指令之后(假设是32bit的指令),首先从该指令中获得操作码(假设是高12bit),知道自己要执行什么操作。CPU根据操作码判断是立即数寻址,那么指令直接获取指令中的立即数(假设是低20bit),然后执行相应的操作。这就是整个立即数寻址的过程。

 

寄存器寻址也是所有的处理器都支持的。操作数存放在寄存器中,指令执行时无需访问总线(也就是内存等外设),速度快。RISC处理器使用更多的寄存器,并且所有的运算都只操作寄存器中的值,就是为了加强寄存器寻址方式。

 

另外,专门针对x86体系架构,还有隐含寻址和I/O寻址。隐含寻址又叫做固定寻址。例如PUSH,POP指令,目的操作数栈顶单元为隐含寻址。I/O寻址仅仅用于输入/输出指令IN,OUT的操作数中。我们知道,在RISC的处理器中,没有专门的入栈出栈指令,也没有I/O端口操作指令,所以也就不会有以上两种寻址方式。

 

存储器寻址方式

 

存储器寻址就是用来说明如何将存储器单元作为指令的操作数。从指令的角度来说,就是指令如何操作到存储器单元中的数值。

 

对于x86处理器,有多种存储器寻址方式:

 


  • 直接寻址
  • 间接寻址
  • 基址寻址
  • 变址寻址
  • 基址加变址寻址

 

对于RISC处理器,例如ARM/MIPS,需要寻址到内存的,其实主要是load/store指令(算术逻辑指令只能够操作寄存器中的值)。所以说,RISC处理器的存储器寻址方式,其实就是load/store寻址方式。

 

MIPS的load/store寻址方式

 

MIPS处理器的load/store寻址方式只有唯一的一种,那就是base_reg+offset。(注:对于浮点的load/store,还有另外一种寻址方式,reg+reg)。

 

lw	$1,	offset($2)

 

其中,$2为32位的寄存器,offset为编码在指令中的一个有符号16位整数。所以,寻址的范围是-32768~32767。任何其他形式的汇编语言写法,最后都会转化成这种模式的寻址方式。具体可以参考《See MIPS Run》P。

 

ARM的load/store寻址方式

 

ARM处理器的load/store有两种,一是单寄存器的load/store,另外是多寄存器的load/store。其中比较特殊的是多寄存器的load/store,一条指令可以同时把多个寄存器的的值store或者load,这是在MIPS上没有的。在讲述ARM的load/store寻址方式时,主要是指单寄存器的load/store寻址方式。

 

ARM的单寄存器load/store寻址方式有三种:

 


  1. 回写前变址寻址
  2. 前变址寻址
  3. 后变址寻址

 

其实,本质上都是base_reg+offset的寻址方式,和MIPS没有差别。之所以有以上3个不同,主要看:寻址的内存单元地址,是使用的base_reg还是base_reg+offset;base_reg是否会被base_reg+offset的值覆盖掉。可以说,MIPS就是只有其中的一种,寻址的内存单元使用的是base_reg+offset,base_reg是不会被base_reg+offset的值覆盖掉的。

 

另外,ARM的load/store寻址中,offset是一个编码在指令中的12位的有符号数。所以,寻址的范围是4K大小。这是和MIPS不相同的地方。

 

跳转指令的寻址方式

 

寻址方式只有非存储器寻址和存储器寻址两种,跳转指令的寻址应该属于存储器寻址的一种。由于其特殊性,所以这里特别拿出来说明。

 

在上面介绍RISC的存储器寻址时,我们只介绍了load/store寻址方式。那么,是不是说RISC的存储器寻址就只有load/store寻址呢?当然不是,这里介绍的跳转指令寻址就是另外一类存储器寻址。

 

MIPS处理器的跳转指令寻址,采用的是程序指针(PC)+偏移量的方式。你也许会迷惑,MIPS不是没有程序指针(PC)这个寄存器吗?是的,但是并不能说MIPS就没有程序指针的概念,只是程序指针的值对于程序员是不可见而已(也就是没有一个专门的PC寄存器)。

 

CPU架构alpha特点_寻址方式_02

 

例如:bal label 其中,label为汇编中某个标签。和load/store的寻址方式一样,立即数也是16位的有符号型整数,寻址范围是64K。

 

有关跳转指令的细节,请参考CPU体系架构-指令系统

 

8位单片机寻址方式

 

在这里简单介绍一下8位处理器(一般我们就称之为单片机或者MCU)的寻址方式。通过对比8位处理器和32位处理器,我们可以更加深刻的了解到指令长度,指令编码对寻址方式的影响。

 

下面以集成在SOC中的一个8位的处理器LED Processor为例,对于其他的8位处理器(例如经典的51单片机),基本上原理是一样的。对于所有8位处理器,由于缺少指令位来编码所有的寻址方式(一条指令只有8位,其指令位也就是8个bit),所以并不是所有的指令都支持这些寻址方式。

 

由于8位处理的寻址方式较少,所以我们不在区分存储器寻址和非存储器寻址。

 

CPU架构alpha特点_寻址_03

 

下面,就8位存储器寻址,使用一些实际汇编指令来举例。注意,在考虑寻址方式时,心中想的一定是机器指令,而不是汇编语言。

 

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