计算机组成原理笔记：指令系统与寻址方式

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一、指令的基本格式

指令是计算机执行操作的基本单位，由操作码（Opcode）和地址码（Address Code）组成，部分指令可能包含其他字段（如标志位、立即数等）。

1. 操作码（Opcode）

• 功能：指明指令的操作类型（如加法、跳转、加载等）。
• 长度：可以是固定长度（如 4 位、8 位）或可变长度（扩展操作码）。

2. 地址码（Address Code）

• 功能：指定操作数的来源或结果的存储位置。
• 常见格式：
  • 零地址指令：不需要操作数（如停机指令 HALT）。
  • 一地址指令：隐含操作数（如累加器操作 ADD A）。
  • 二地址指令：两个操作数地址（如 ADD R1, R2）。
  • 三地址指令：两个源操作数地址和一个目标地址（如 ADD R1, R2, R3）。

3. 其他字段

• 立即数：直接嵌入指令中的常数（如 MOV R1, #5）。
• 标志位：用于条件判断（如条件跳转指令中的状态位）。

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二、扩展操作码的指令格式

当指令长度固定时，通过灵活分配操作码和地址码的位数，扩展支持更多指令。

1. 扩展原理

• 操作码长度可变：通过减少地址码的位数，腾出空间扩展操作码。
• 树状扩展结构：将操作码分为多个层次，每一层对应不同的操作类型。

2. 扩展方法

• 等长扩展：每一层操作码位数相同（如 4-4-4 扩展）。
• 不等长扩展：不同层次操作码位数不同（如 3-6-9 扩展）。

3. 示例

假设指令长度为 16 位，采用扩展操作码设计：

• 第一层：4 位操作码，支持 16 种基本指令（如算术运算）。
• 第二层：若第一层某操作码为“扩展标记”，后续 4 位用于扩展更多指令（如逻辑运算）。
• 第三层：进一步扩展特殊功能指令（如浮点运算）。

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三、指令寻址

指令寻址指确定下一条指令的地址，分为顺序寻址和跳跃寻址。

1. 顺序寻址

• 原理：程序计数器（PC）自动递增，指向下一条指令地址。
• 应用：大部分指令按顺序执行（如 ADD、MOV）。

2. 跳跃寻址

• 原理：通过跳转指令（如 JMP、CALL）修改 PC 的值。
• 类型：
  • 无条件跳转：直接修改 PC（如 JMP 0x100）。
  • 条件跳转：根据状态标志跳转（如 JEQ Label）。

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四、数据寻址方式

数据寻址指确定操作数在内存或寄存器中的位置。以下是十种常见数据寻址方式：

1. 立即寻址（Immediate Addressing）

• 原理：操作数直接包含在指令中。
• 格式：MOV R1, #5（将 5 存入 R1）。
• 优点：速度快，无需访问内存。
• 缺点：操作数范围受限（由指令长度决定）。

2. 直接寻址（Direct Addressing）

• 原理：地址码直接给出操作数的内存地址。
• 格式：MOV R1, [0x100]（将地址 0x100 的内容存入 R1）。
• 优点：简单直观。
• 缺点：地址范围受限（需硬编码地址）。

3. 间接寻址（Indirect Addressing）

• 原理：地址码指向一个存放实际地址的寄存器或内存单元。
• 格式：MOV R1, [R2]（R2 中存储的是实际地址）。
• 优点：支持动态地址计算。
• 缺点：需要多次访存，速度较慢。

4. 寄存器寻址（Register Addressing）

• 原理：操作数直接存放在寄存器中。
• 格式：ADD R1, R2（R1 和 R2 均为寄存器）。
• 优点：速度快（无需访存）。
• 缺点：寄存器数量有限。

5. 寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing）

• 原理：寄存器中存储操作数的内存地址。
• 格式：MOV R1, [R2]（R2 保存地址）。
• 优点：灵活，支持指针操作。
• 缺点：需额外访存。

6. 相对寻址（Relative Addressing）

• 原理：操作数地址 = PC 当前值 + 偏移量。
• 格式：JMP 0x100（PC=0x200 时，跳转到 0x300）。
• 应用：跳转指令、位置无关代码。

7. 基址寻址（Base Addressing）

• 原理：基址寄存器 + 偏移量。
• 格式：MOV R1, [BP + 8]（访问栈帧中的局部变量）。
• 优点：支持动态内存分配。
• 缺点：需维护基址寄存器。

8. 变址寻址（Indexed Addressing）

• 原理：基地址 + 变址寄存器值 × 缩放因子。
• 格式：MOV R1, [Array + ECX*4]（访问数组元素）。
• 优点：适合遍历数组。
• 缺点：需计算地址。

9. 堆栈寻址（Stack Addressing）

• 原理：通过堆栈指针（SP）隐式访问栈顶数据。
• 格式：PUSH R1（将 R1 压入栈）或 POP R2（弹出栈顶到 R2）。
• 优点：后进先出（LIFO），适合函数调用。
• 缺点：仅能访问栈顶。

10. 隐含寻址（Implied Addressing）

• 原理：操作数隐含在指令中（如累加器）。
• 格式：INC A（累加器 A 自增）。
• 优点：指令简洁。
• 缺点：灵活性低。

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五、扩展知识：复合寻址方式

1. 基址变址寻址（Base-Indexed Addressing）

• 原理：基址寄存器 + 变址寄存器 × 缩放因子。
• 格式：MOV R1, [BX + SI*2]（适合多维数组访问）。

2. 相对基址变址寻址

• 原理：基址 + 变址 + PC 偏移。
• 应用：动态链接库中的复杂地址计算。

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六、总结与对比

寻址方式	原理	优点	缺点
立即寻址	操作数直接嵌入指令	速度快	操作数范围受限
直接寻址	地址码为实际内存地址	简单直观	地址空间受限
间接寻址	地址码指向另一个地址	支持动态地址	多次访存
寄存器寻址	操作数在寄存器中	速度极快	寄存器数量有限
基址寻址	基址寄存器 + 偏移量	支持动态内存分配	需维护基址寄存器
变址寻址	基地址 + 变址寄存器 × 缩放因子	适合数组遍历	需计算地址
相对寻址	PC 当前值 + 偏移量	支持位置无关代码	仅用于跳转指令
堆栈寻址	隐式通过堆栈指针访问	适合函数调用	仅能访问栈顶
隐含寻址	操作数隐含在指令中（如累加器）	指令简洁	灵活性低

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七、应用实例

1. 数组遍历（变址寻址）

MOV EBX, Array_Base   ; 数组基地址
MOV ECX, 0            ; 索引
Loop:
MOV EAX, [EBX + ECX*4] ; 访问数组元素（每个元素4字节）
ADD ECX, 1
CMP ECX, 10
JL Loop

2. 函数调用（堆栈寻址）

CALL Function   ; 将返回地址压栈
Function:
PUSH BP         ; 保存基址寄存器
MOV BP, SP      ; 设置新栈帧
...
POP BP          ; 恢复基址寄存器
RET             ; 弹出返回地址