寻址方式

概述

寻址方式是指寻找指令或指令中操作数的有效地址的方式。
- 有效地址可以是主存地址，也可以是虚拟地址（采用虚拟存储器技术）。

寻址方式

指令寻址方式
- 顺序寻址
- 跳跃寻址
操作数寻址方式
- 立即寻址
- 直接寻址
- 间接寻址
- 寄存器寻址
- 寄存器间接寻址
- 相对寻址
- 变址寻址
- 基址寻址
- 堆栈寻址
- 其他寻址

寻址方式是指令系统的重要组成部分，它对指令的格式和功能设计都有较大的影响。灵活高效的寻址方式不仅能够为程序员提供多样化的程序设计手段，还能显著提升程序的运行速度和存储空间的利用率。

从程序设计角度看，操作数可能是：
- 常数
- 简单变量
- 数组和结构体中的某个元素
- 栈 (stack) 中的数据
- 外设 I/O 接口中的状态字或控制字
从指令角度看，操作数的存放位置可能是：
- CPU 内的通用寄存器
- 主存
- I/O 端口
操作数是程序执行时需要处理的数据，为了满足不同程序设计技巧的需要，操作数的存取方式应该比较灵活多样。

指令寻址方式

顺序寻址

指令地址按程序计数器（PC）内容递增方式来获取下一条指令，即 (PC) + 1 -> PC。这是程序正常执行流的基础，程序在内存中连续存放时，CPU 会自动按序取出下一条指令。

跳跃寻址

当程序执行遇到分支、循环、子程序调用或返回指令时，指令地址不再是顺序递增，而是根据指令中给出的地址码或计算出的地址，更新程序计数器（PC），从而使程序跳转到新的指令地址执行。这打破了指令的顺序执行流。

操作数寻址方式

指令中给出操作数的地址信息，用于找到操作数在内存或寄存器中的位置，以便 CPU 执行指令时获取操作数。有效地址（EA）是操作数的实际地址。不同的寻址方式决定了有效地址的计算方法。

含有寻址方式的单地址指令格式

操作码 OP
寻址方式 M
形式地址 D

操作数寻址的过程，就是把寻址方式 M 和形式地址 D 的不同组合转换成有效地址的过程。

立即寻址

立即寻址方式下，操作数与指令一起存放在主存中
- 取指令时，操作数随指令一起被读取并送到 CPU 内的指令寄存器 IR 中
- 指令执行时，直接从指令寄存器 IR 中获取操作数，无需访问其他存储单元
特点：
- 取操作数快
- 形式地址 D 的位宽有限，限制了操作数的表示范围
立即寻址一般用于变量赋初值

MOV EAX,5132408H ;将十六进制立即数5132408送入32位通用寄存器EAX

直接寻址

定义：指令字中的形式地址 D 就是操作数的有效地址 EA。
EA 计算： $E A = D$
过程：
1. 取指令。
2. 从指令中取出形式地址 D。
3. 以 D 作为有效地址 EA，访问存储器，取出操作数。
特点：
- 简单直观。
- 只需一次访存即可取操作数。
- 形式地址 D 的位数决定了可寻址范围，寻址范围受限。
- 广泛用于访问静态变量或全局变量。
示例：MOV EAX, [1000H] (将内存地址 1000H 处的数据送入 EAX)

间接寻址

定义：指令字中的形式地址 D 是操作数地址的地址。
EA 计算： $E A = (D)$ (表示 D 所指的存储单元内容是有效地址)
过程：
1. 取指令。
2. 从指令中取出形式地址 D。
3. 以 D 作为地址，访问存储器，取出有效地址 EA。
4. 以 EA 作为地址，访问存储器，取出操作数。
特点：
- 寻址范围大（有效地址的位数可以大于形式地址的位数）。
- 灵活，可实现多级间接寻址。
- 多次访存（至少两次访存：第一次取有效地址，第二次取操作数）。
- 可用于实现指针、传递参数。
示例：MOV EAX, [[1000H]] (将内存地址 1000H 处存储的地址所指向的数据送入 EAX)

寄存器寻址

定义：指令字中的形式地址 D 直接指出操作数所在的寄存器编号。
EA 计算：操作数在指定的通用寄存器 R 中，无须访存。
过程：
1. 取指令。
2. 从指令中取出寄存器编号 R。
3. 直接从寄存器 R 中获取操作数。
特点：
- 最快的寻址方式（无需访存）。
- 寄存器数量有限，可寻址范围小。
- 操作数在 CPU 内部，提高了 CPU 的工作效率。
示例：MOV EAX, EBX (将寄存器 EBX 的内容送入 EAX)

寄存器间接寻址

定义：指令字中的形式地址 D 指出一个寄存器 R 的编号，该寄存器 R 的内容是操作数的有效地址 EA。
EA 计算： $E A = (R)$ (表示寄存器 R 的内容是有效地址)
过程：
1. 取指令。
2. 从指令中取出寄存器编号 R。
3. 从寄存器 R 中取出有效地址 EA。
4. 以 EA 作为地址，访问存储器，取出操作数。
特点：
- 比直接寻址快（有效地址在寄存器中，省去一次访存）。
- 寻址范围大（取决于寄存器位数）。
- 灵活，可用于实现循环、数组、栈操作等。
- 类似于直接寻址，但地址存放在寄存器中。
示例：MOV EAX, [EBX] (将 EBX 寄存器内容作为地址，取出内存数据送入 EAX)

相对寻址

定义：指令字中的形式地址 D 是相对于程序计数器 PC（Program Counter）内容的偏移量，有效地址是 PC 内容与偏移量之和。
EA 计算： $E A = (PC) + D$ (PC 的值通常是下一条指令的地址，即译码完成后自增了指令字长)
过程：
1. 取指令。
2. 将 PC 内容与形式地址 D 相加，得到有效地址 EA。
3. 以 EA 作为地址，访问存储器，取出操作数（或跳转目标地址）。
特点：
- 可实现程序浮动（重定位）：程序装入内存的任何位置都能正确执行，无需修改地址。
- 常用于转移指令（如 JMP、CALL）和访问程序周围的数据。
- 寻址范围相对有限（取决于 D 的位数）。
示例：JMP SHORT LABEL (跳转到距当前 PC 地址为 D 的 LABEL 处)

变址寻址

定义：指令字中的形式地址 D（称为基地址或位移量）与变址寄存器 IX（Index Register）的内容相加，得到操作数的有效地址。
EA 计算： $E A = (I X) + D$
- 通常 D 是固定值（如数组首地址），IX 是可变值（如数组下标）。
过程：
1. 取指令。
2. 将变址寄存器 IX 内容与形式地址 D 相加，得到有效地址 EA。
3. 以 EA 作为地址，访问存储器，取出操作数。
特点：
- 变址寄存器 n 的内容可变，而形式地址 D 的值设定后在指令执行过程中将保持不变。变址寄存器 n 的位数大于形式地址 D 的位数，扩大了寻址范围（可表示整个存储空间）。
- 主要应用于对数组元素的访问。将数组的首地址赋值给指令中的形式地址 D，使变址寄存器 n 的值按顺序变化，就可以对数组中的各元素进行相同的操作。
- 多用于循环中对数据结构进行访问。
示例：MOV EAX, [ARRAY_START + EBX*4] (伪指令，表示访问数组 ARRAY_START 中第 EBX 个 DWORD 元素)

基址寻址

定义：指令字中的形式地址 D（称为偏移量或位移量）与基址寄存器 BR（Base Register）的内容相加，得到操作数的有效地址。
EA 计算： $E A = (BR) + D$
- 通常 BR 是固定值（如段基地址），D 是可变值（如段内偏移）。
过程：
1. 取指令。
2. 将基址寄存器 BR 内容与形式地址 D 相加，得到有效地址 EA。
3. 以 EA 作为地址，访问存储器，取出操作数。
特点：
- 有利于程序和数据的浮动（重定位）：只需修改基址寄存器内容，程序即可在内存中任意位置运行。
- 支持多道程序设计：每个程序分配一个基址寄存器，实现地址保护。
- D 通常是段内偏移量，BR 存放段的起始地址。
示例：MOV EAX, [DS:BX + 100H] (将 DS 段基址 + BX 寄存器内容 + 100H 作为地址，取出内存数据送入 EAX)
与变址寻址的区别：

特征	基址寻址	变址寻址
固定量	基址寄存器 BR 内容	形式地址 D
变量	形式地址 D	变址寄存器 IX 内容
应用场景	程序整体浮动、多用户	数组、字符串、循环处理

偏移寻址

相对寻址
变址寻址
基址寻址

堆栈寻址

定义：操作数存放在堆栈中，堆栈的存取是按照“后进先出（LIFO）”的原则进行的，通过堆栈指针 SP（Stack Pointer）指示栈顶位置。
EA 计算： $E A = (SP)$ (堆栈指针 SP 通常指向栈顶元素)
- 地址通常由硬件隐式决定，无需在指令中显式给出。
过程：
- PUSH 操作（入栈）：SP 先修改（递减或递增），再将操作数存入 SP 指向的地址。
- POP 操作（出栈）：SP 指向的地址处操作数取出，再修改 SP（递增或递减）。
特点：
- 操作数地址隐含在堆栈指针中，指令中无需给出地址信息。
- 隐式寻址。
- 常用于函数调用、参数传递、局部变量存储、中断/异常处理等。
示例：PUSH EAX (将 EAX 内容压入栈顶) POP EBX (将栈顶内容弹出到 EBX)

其他寻址

复合寻址方式：主要用于复杂指令集计算机通过组合两种或多种基本寻址方式来计算有效地址，以满足更复杂的寻址需求，提供更大的灵活性。
- 相对寻址 + 间接寻址
  - EA 计算： $E A = ((PC) + D)$
  - 解释：首先，将程序计数器 PC 的内容与指令中的形式地址 D 相加，得到一个中间地址。然后，将这个中间地址作为指针，去内存中取出真正的有效地址 EA。
  - 特点：结合了相对寻址的程序浮动性（重定位）和间接寻址的灵活寻址范围。常用于实现基于 PC 相对位置的跳转表或间接访问数据结构。
- 变址寻址 + 间接寻址
  - EA 计算： $E A = ((I X) + D)$
  - 解释：首先，将变址寄存器 IX 的内容与指令中的形式地址 D 相加，得到一个中间地址。然后，将这个中间地址作为指针，去内存中取出真正的有效地址 EA。
  - 特点：适用于访问指针数组或表。例如，D 可以是存储一系列指针的数组的起始地址，IX 可以是数组的下标，通过 (IX) + D 找到某个指针，然后通过间接寻址找到该指针指向的实际数据。
- 间接寻址 + 变址寻址
  - EA 计算： $E A = ((D)) + (I X)$
  - 解释：首先，将指令中的形式地址 D 作为指针，去内存中取出一个基地址（这个基地址是操作数所在数据结构的起始地址）。然后，将这个基地址与变址寄存器 IX 的内容相加，得到最终的有效地址 EA。
  - 特点：适用于访问动态数据结构中的元素，其中数据结构的基地址本身存储在内存中（例如，通过一个指针变量来引用）。D 指向存储基地址的内存单元，IX 作为该基地址的偏移量，用于访问结构内的特定元素。