【计算机组成原理】指令系统-寻址

一、指令和数据的寻址方式

操作数或指令在存储器中的地址：某个操作数或某条指令存放在某个存储单元时其存储单元的编号

在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。

寻找方式：当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式。

寻址方式分为两类：指令寻址和数据寻址。

1）指令寻址：确定下一条预执行指令的指令地址

a、顺序寻址：（PC）+1->PC 程序计数器自动加1

b、跳跃寻址：由转移指令指出

2）数据寻址：确定本条指令的操作数地址

指令中所给出的地址码，并不一定是操作数的有效地址。

寻址过程就是把操作数的形式地址，变换为操作数的有效地址。

例如：一种单地址指令的结构如下所示，其中用X I D各字段组成该指令的操作数地址。

二、寻址方式

1、隐含寻址（操作数在累加寄存器中）

在指令中不明显的给出而是隐含着操作数的地址

例如：单地址的指令格式，没有在地址字段指明第二操作数地址，而是规定累加寄存器AL或AX作为第二操作数地址，AL或AX对单地址指令格式来说是隐含地址

eg: MOV AL ,LSRC_BYTE

MUL RSRC_BYTE

ADD

寻址特征

操作数地址隐含在操作码中，（寻址特征指明寻址类型）。

另一个操作数隐含在ACC中

先在内存中地址为A的地方找到一个操作数，另一个操作数隐含在寄存器ACC里，从ACC里取出另外一个操作数，然后和给出的A地址中的数相加暂存在ACC中。

2、立即寻址

形式地址A就是操作数本身

立即寻址特性 #

指令执行阶段不访存
A的位数限制了立即数的范围

3、直接寻址

EA=A

直接根据读内存找到操作数，形式地址不需要经过任何处理。

执行阶段访问一次存储器
A的位数决定了该指令操作数的寻址范围

MOV AX,[2222H]：将有效地址为2222H的内存单元的内容读到累加器AX中

4、间接寻址

EA=(A)

有效地址由形式地址间接提供，形式地址是操作数的地址的地址

间接寻址标识　　

根据A的内容到内存中寻找到的是操作的数地址，再根据这个地址去找操作数。

执行指令阶段2次访存
可扩大寻址范围

5、寄存器寻址

EA=R1

形式地址是寄存器的编号，直接去寄存器中寻址操作数。

执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快

6、寄存器间接寻址

操作数里存放的是寄存器的编号，寄存器中存的不是操作数而是操作数的有效地址。所以操作数在存储器里。

有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存。

7、偏移寻址

一种强有力的寻址方式 EA=A+(R) 形式地址需要和另一个寄存器中的地址相加

形式地址A是显示的

另一个地址字段隐含在某个专用的寄存器R中。

常用的三个偏移寻址方式是：相对寻址基址寻址变址寻址（根据寄存器的不同类型来区分的）

7.1 相对寻址

A是相对于当前指令的位移量（可正可负补码）

EX=A+(PC) ----PC程序计数器 PC存储当前正在执行指令的地址

A的位数决定操作数的寻址范围

7.2、基址寻址

EA=A+(BR) BR为基地址寄存器（Base Register）

可扩大寻址范围

7.3、变址寻址

EA=A+(IX) IX为变址寄存器（专用）通用寄存器也可以作为变址寄存器

可扩大寻址范围
在程序执行的过程中IX内容可变，形式地址A不变
便于处理数组问题

8、堆栈寻址

例：某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，4个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器，指令汇编格式中S（源），D（目标）都是通用寄存器。M是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是MOV(OP)=(A)h ,STA(OP)=(1B) LDA(OP)=3C)h MOV是传送指令，STA为写数指令 LDA为读数指令

要求：1、分析三种指令的指令格式和寻址方式特点

2、CPU完成哪一种操作锁化时间最短？哪一种操作所花时间最长，第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？

3、下列情况下每个十六进制指令分别代表什么？如果有编码不正确，如何改进才能成为合法指令？

（F0F1）H(3CD2)H ---32位
(2856)H --16位
(6FD6)H --16位
(IC2)H --16位

答：1、MOV:单字长，二地址指令属于RR指令

STA:双字长，二地址指令，RS指令 S为基址寄存器或变址寄存器

LDA:双字长，二地址指令，RS指令 S为20位地址。

2、MOV单字长取出只需要一次访存，第一个不访问存储器要快。第二种还需要计算有效地址并对存储器进行访问。第二种指令所花费的时间不等于第三种，第三种无需进行有效地址的计算。

3、根据条件。MOV(OP)=(A)h=001010

STA(OP)=(1B)h =011011

LDA(OP)=(3C)h=111100

(F1F1)h(3CD2)h=(1111 0000 1111 0001 0011 1100 1101 0010)b

正确，表明吧主存(13cd2)h地址单元的内存取至15号寄存器

（2856）H=（0010 1000 0101 0110）b 单字长指令表明吧寄存器6的内容传送到寄存器5号

（6FD6）H=0110 1111 1101 0110b操作码不对应修改为（28D6）h

（1C2）H=00000001 1100 0010b操作码不对应修改为（28C2）h

三、CISC何如RISC

复杂性指令系统计算机和精简型指令系统计算机

1、精简指令系统：选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少，长度固定，指令少。

例：在SPARC中，有一些指令没有选入指令系统，但很容易使用指令集中的另外一条指令来替代实现

下表左半部列出了6条指令的功能，请在表的右半部填入替代指令及实现方法

答：因为SPARC约定R0的内容恒为0，而且立即数可以作为一个操作数来处理，所以某些指令可以替代实现。

指令	功能	替换指令	实现方法
MOVE	寄存器间传送数据	ADD	Rs+R0->Rd
INC	寄存器内容加1	ADD	立即数imm13=1,作为操作数
DEC	寄存器内容减1	SUB	立即数imm13=-1 作为操作数
NEG	取负数	SUB	R0-Rs->Rd
NOT	取反码	XOR	立即数imm13=-1 作为操作数
CLR	清除寄存器	ADD	R0+R0=Rd

例、一条指令存储在存储器中的地址为300的地方，其操作数地址字段为301，地址字段的值为400，处理器中寄存器R1中包含数据200，在以下指令寻址方式下，求操作数的有效地址。

1）直接寻址

2）立即数寻址

3）相对寻址

4）寄存器（R1）间接寻址

5）以R1为变址寄存器的变址寻址

300中是操作码 301是地址码说明占两个地址

答、1)400

2) 400是数本身其地址是301

3）PC+400

4）寄存器间接寻址，寄存器里存的就是有效地址200

5）以R1为变址寄存器的变址寻址：操作数的有效地址为=200+400

格式表明有8个通用寄存器（产后度为16位），X指定寻址方式，主存实际容量为156K字。

1）假设不用通用寄存器也能直接访问主存中的每一个单元，并假设操作码域OP=6为，请问地址码域应

分配多少位？指令字长度应有多少位？

2）假设X=11时，指定的某个通用寄存器用做基址寄存器，请提出一个硬件设计规则，使得被指定的通用寄存器能访问1M主存空间中的每一个单元

答：1）主存容量为256K 地址域码为18位，指令的长度为6+2+3+18=32位

2）1M需要20位地址

此时指定的通用寄存器用做基址寄存器，长度为16位，不能覆盖1M字空间，可采用基址寄存器左移4位，低位补0，形参20位的基地址，然后与质量字形式地址相加得到有效地址，可以访问1M字空间的任意一个单元。

例：假设寄存器中R中的数值为1000，地址为1000的寄存器中存储的数据为2000，地址2000的存储器中存储的数据为3000，问在以下寻址方式中访问的指令操作数的值是什么？

1）寄存器寻址R

寄存器寻址，寄存器中的值就是操作数所以值为1000

2）寄存器间接寻址（R）

R中存的是地址，所以数据是2000

3）直接寻址1000

形式地址是1000，操作数是2000

4）存储器的间接寻址（1000）

地址1000中存放的2000是形式地址 2000中存放的才是数据，所以操作数是3000

5）立即数寻址 #2000

立即寻址里面存放的就是操作数本身，所以操作数是2000

例、某计算机字长为16位，主存地址空间大小为128k，按字编址，采用单字长指令格式，指令各字段定义如下

转移指令采用相对寻址，相对偏移是用补码表示，寻址方式定义如下

Ms/Md	寻址方式	助记符	含义
000B	寄存器直接	Rn	操作数=（Rn）
001B	寄存器间接	(Rn)	操作数等于（（Rn））
010B	寄存器间接。自增	(Rn)+	操作数=（（Rn）） (Rn)+1->Rn
011B	相对	D(Rn)	转移目标地址=（PC）+（Rn）

(X)表示有存储地址X或寄存器X的内容

1）该指令系统最多可有多少指令？该计算机最多有多少个通用寄存器？存储地址的寄存器（MAR）和存储数据的寄存器（MDR）至少各徐多少位？

答：操作码有4位所以指令最多有1的四次方16条指令，

指令操作数占6位，其中3位指示寻址方式，寄存器编号为3位，所以该计算机最多可有2的三次方也就是8个通用寄存器

计算机字长16位，所以存储器寄存器（MDR）至少为16位。

主存空间为128KB，按字（16位）编址，则寻址范围为0~64K 存储器地址寄存器（MAR）需16位（2的16次方=64K）

2）转移指令的目标地址范围是多少？

答：16位计算机通用寄存器也是16位，则指令中寻址范围至少可达0~2的16次方-1

另一方面，主存地址空间为2的16次方（64K）则寻址范围也应该大于等于64K，故转移指令的目标范围为0~2的16次方-1

3）若操作码0010B表示加法操作（助记符为add）,寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1234H，R5的内容为5678H，地址1234H的内容为5678H，5678H中的内容为1234H，则汇编语言为add(R4),(R5)+

对应的机器码是什么（十六进制）？该指令操作执行后，哪些寄存器和存储单元的内容会改变？改变后的内容是什么？

答：R4是间接寻址 R5是间接寻址+自增

操作码源寻址方式源寄存器目标寻址方式目标寄存器

0010 001 100 010 101

该指令的功能是将R4内容所指存储器单元的内容（源）与R5内容所指存储器单元（目标）的内容相加后，写到R5内容所指的存储器单元，即

R4的内容：1234H，R4内容所指存储器单元内容：5678H

R5的内容：5678H，R5内容所指存储器单元内容：1234H

目标寄存器R5自加：5678H+1=5679H

所以执行后，目标寄存器R5目标寄存器内容所指的存储器单元将改变，新R5=5679H

R5所指存储单元（地址5678H的内容）=68ACH

例：某机器字长16位，主存按字节编址，转移指令草原相对寻址，由两个字节组成，第一字节为操作码字段，第二字节为相对位移量字段，假定取指令时，每取一个字节PC自动+1，若某转移指令所在主存地址为2000H，相对位移量字段的内容为06H，则该转移指令成功转以后的目标地址是

A:2006H B2007H C:2008H D:2009H

答：1个字节8位，机器字长16位转移指令占2个字节，读操作码是PC+1=2001 读偏移地址又+1变为2002H ，用2002和偏移量06相加，得2008H 选D

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/4302374/blog/3383500

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