计算机指令寻址模式深度解析

### 计算机指令寻址模式深度解析 #### 1. 基本寻址模式概述 指令的长度和其操作数的位置会根据寻址模式的不同而有所差异。较短的指令，其操作数可能位于内存中；而较长的指令，操作数可能位于其他位置。基本的寻址模式包括内存立即数、内存直接寻址和内存间接寻址。 这三种基本寻址模式都可以与索引寻址相结合。索引寻址是第二代计算机中发展出的重要编程概念，它借助硬件寄存器来修改指令中的内存地址，也就是将硬件寄存器的值与指令中的地址相加，得到最终的地址。由于该硬件寄存器可能包含相对索引，所以被称为索引寄存器。理论上，通过将索引寻址与内存立即数、内存直接寻址或内存间接寻址相结合，可以衍生出更多的寻址模式。 #### 2. 索引寻址详解 索引寻址最初是与内存直接寻址配合使用的，有效地址（EA）的计算方式为指令中编码的地址与索引寄存器内容（如果指定）的和，即： Effective address = address coded in the instruction + content of an index register, if specified 在运行时，加法器会执行这个操作，并将结果位放置在地址总线上，以从内存中获取操作数。从软件角度看，指令包含基地址，硬件寄存器包含索引或偏移量。有效地址指向内存块中间的操作数。 基地址指向内存块，索引寄存器包含指向基地址下方条目的偏移量。在高级编程语言中，内存块也被称为数组，使用带索引的内存直接寻址的指令可以访问数组中的条目。在循环中，每次更改索引寄存器时，有效地址也会相应改变，因此同一条指令每次执行时都可以访问数组中的不同条目。 以下是一个将整数 1 到 100 存储在名为 intArray 的数组中的循环示例： ```asm ;A loop to store 1, 2, 3,.., up to 100 in a memory block named ;intArray to mean integer array. ... intArray dw 100 dup (?) ... mov di, 0 ;initial index mov ax, 1 ;counter b0010: mov intArray[di], ax ;store counter in array inc ax ;increment counter by 1 add di, 2 ;increment index by 2 cmp ax, 100 jle b0010 ... ``` 这个循环按升序将整数 1 到 100 从顶部到底部存储在数组 intArray 中。mov 指令使用 DI 索引寄存器在循环执行时不断改变有效地址。存储操作完成后，AX 中的计数加 1，DI 加 2，因为每个字是两个字节长。随着循环的进行，AX 中的计数会存储到数组中的不同字中。 还可以使用循环指令来简化代码： ```asm mov di, offset intArray + 198 ;di points to the last ;word {Note I } mov cx, 100 ;down counter {Note 2} bOOIO: mov [di], cx ;store count from bottom to top ;{Note3} sub di,2 ;decrement di by 2 {Note 4} loop bOOIO ;{Note 5} ``` - Note 1：源操作数是内存立即数，目的操作数是寄存器直接寻址。执行后，DI 包含一个偏移量（intArray + 198），指向数组 intArray 中的最后一个字。+ 运算符在汇编时由汇编器解释，结果会放置在代码中。 - Note 2：源操作数是内存立即数，目的操作数是寄存器直接寻址。执行后，CX 计数寄存器包含 100，作为要存储在数组底部的初始整数。 - Note 3：mov 指令将 CX 存储在目的索引寄存器 DI 中偏移量所指向的内存位置。 - Note 4：sub 指令将 DI 减 2，因此下次执行同一条指令时，有效偏移量将减少两个字节。 - Note 5：loop 指令将 CX 减 1，然后执行测试和分支功能。如果 CX 不为零，控制将传递到循环的开始。当同一条 mov 指令第二次执行时，它将 99 存储到从底部开始的第二个条目中。也就是说，循环以逆序存储所有整数 100、99、98 等，退出时，整数会按升序正确存储在数组中。 如果使用带索引的内存直接寻址，根据寄存器的使用方式可以衍生出多种变化： - 索引：寄存器中存储索引。 - 基址寻址：寄存器中存储基地址。 - 相对寻址：指定为 PC 的索引寄存器包含当前正在执行的指令的地址。 从硬件角度看，寄存器是一组触发器；从软件角度看，寄存器可以用于存储数据、索引或基地址。如果寄存器用于存储数据或地址，则它是通用寄存器（GPR）。在编码中，三个地址寄存器 DI、SI 和 BX 可以互换使用。也可以使用 BP 作为索引寄存器来访问数据段，但需要指定 DS 段前缀覆盖（DS:BP）。 #### 3. 基于索引的寻址模式变化 ##### 3.1 基址寻址 包含基地址的硬件寄存器被称为基址寻址，该寄存器被称为基址寄存器。在硬件设计上，索引寄存器和基址寄存器没有区别，但在软件设计中，索引寻址和基址寻址有细微差别。 如果要将整数 100 存储到 100W 块的最后一个字中，可以采用以下两种方法： - 方法一（索引寻址）： ```asm mov di, 198 ;di contains 198 mov intArray[di], 100 ``` 第一条指令将 198 放入 DI，第二条指令将 100 存储在 intArray 基地址下方 198 字节处的字中。 - 方法二（基址寻址）： ```asm mov di, offset intArray mov 198[di], 100 ``` 由于目标是将基地址和偏移量相加，所以它们的位置并不重要。方法一是将基地址放在指令中，索引放在寄存器中；方法二则是将索引放在指令中，基地址放在寄存器中。对于硬件寄存器 DI 来说，索引和基地址没有区别。 ##### 3.2 相对寻址 当 PC 用作索引寄存器时，采用相对寻址，有效地址（EA）计算为指令中的偏移量与 PC 的和。如果使用相对寻址模式来获取指令或操作数，代码是可重定位的，即指令可以位于内存的任何位置，指令中的地址字段无需修改。 微型计算机通常在条件分支指令中支持相对地址。例如，8086 上的条件分支指令使用一个字节的操作码，后面跟着一个字节的相对偏移量。在相加时，这个相对地址会进行符号扩展，因此偏移量相对于 IP 必须在 127 到 -128 的范围内。如果条件为真，相对偏移量会加到 IP 上；否则，IP 加 2。如果地址超出范围，汇编器会标记可寻址性错误。 ##### 3.3 寄存器直接寻址与寄存器间