格式和寻址方式

指令格式

指令的功能就是 对某些数据 进行 某种操作。

所以指令中主要包含两个部分：操作码（opcode）以及 地址（address）。

• 操作码（opcode）就是决定了指令的类型：这个指令是干嘛的？进行哪种操作？
• 地址是一个通用含义，指的是操作的对象：
  • 可以是一个内存地址（<addr>）
  • 也可以是 CPU 中的一个寄存器编号（<reg>）
  • 也可以是一个立即数（<imm>）

指令类型

根据操作码分类

指令根据其操作码（opcode）的不同可以分为以下类别：

1. 数据传输指令
   • MOV：将数据从一个位置传输到另一个位置，可以是寄存器到寄存器、内存到寄存器、寄存器到内存等。
   • PUSH：将数据（通常是寄存器中的值）推入堆栈。
   • POP：从堆栈中弹出数据并存储到寄存器中。
2. 算术和逻辑运算指令
   • ADD、SUB、MUL、DIV：执行算术运算，如加法、减法、乘法和除法。
   • AND、OR、XOR、NOT：执行逻辑运算，如按位与、按位或、按位异或和按位取反。
   • INC、DEC：递增和递减操作数的值。
   • CMP：用于比较两个值，并根据结果设置标志寄存器的状态。
3. 控制转移指令
   • JMP：用于无条件跳转到指定的目标地址。
   • Jxx：条件跳转指令，根据特定的条件（如零标志、进位标志等）来决定是否跳转。
   • CALL：调用子程序或函数。
   • RET：从子程序返回。
4. 输入/输出指令
   • IN：从外部设备或端口读取数据。
   • OUT：向外部设备或端口发送数据。
5. 字符串操作指令（String Instructions）：
   • MOVS、LODS、STOS、CMPS：用于在内存中执行字符串操作，如移动、加载、存储、比较。
6. 陷阱指令（Trap Instructions）：
   • INT：用于引发中断，通常用于与操作系统进行通信。
7. 协处理器指令（Coprocessor Instructions）：
   • CLI、STI：用于清除和设置 CPU 的中断标志，通常只能在内核模式下执行。

根据地址个数分类

根据指令中的地址个数，可以将指令划分为以下类型。 这些地址可以是寄存器、内存地址，也可以是立即数。

注意同一个指令系统中 根据地址个数区分的 N 地址地址 不能使用相同的前缀，否则会发生混淆。

定长和变长指令

定长指令集中所有指令长度相同，变长指令集中会包含不同长度的指令。

使用定长指令集的典型 cpu 架构是 arm（RISC），优点是解码简单、高效，但可能导致指令浪费空间。

使用变长指令集的典型 cpu 架构是 x86（CISC），优点是可以更加紧凑地编码复杂操作，但解码更加复杂。

上面两个问题有多种解决方案，这里只介绍最简单的方法。

对于第一个问题，最简单的解决方法是使用 无效字段填充：当某条指令所需的地址字段不足以填满固定的指令长度时，可以在空余位置填入无效字段或填充位。这些填充值不会参与指令的执行，仅用于占位，从而保持所有指令长度一致，简化解码过程。

针对第二个问题，一种常用的方案是采用 指令前缀 ：不同类型的指令前缀不同，操作码的高位可以用来标识当前指令的长度。CPU 通过解析这些前缀或操作码位模式，就能判断一条指令的长度，从而确定下一条指令的起始位置。这种方式虽然增加了解码复杂度，但提高了指令的编码灵活性和紧凑性。

寻址方式

计算机中的寻址方式（Addressing Modes）是指在 指令中如何指定操作数的位置或地址，寻址方式可以被归为以下种类：

立即数寻址

立即数寻址（Immediate Addressing）是一种将 常量值直接嵌入指令中 的寻址方式，常用于赋值、初始化、比较等基本操作。

在立即数寻址之中，操作数本身就是指令的一部分，而不是从寄存器或内存中取得。这种寻址方式不涉及额外的地址计算，执行效率较高。

举个实际例子，下图是指令 MOV AX, 4567H 存储结构和执行示意图，指令直接将立即数 4567H 存储到寄存器 R1 中：

📌 示例应用

寄存器寻址

寄存器寻址（Register Addressing）是一种将操作数存储在寄存器中的寻址方式。在这种模式下，指令通过指定寄存器来访问操作数，寄存器本身就是操作数的存储位置。

举个实际例子，指令 MOV AX, BX 表示将寄存器 BX 中的值复制到寄存器 AX 中：

📌 示例应用

直接寻址

直接寻址（Direct Addressing）是一种通过 在指令中显式给出操作数的内存地址 来访问数据的方式，适用于访问固定位置的数据。

在直接寻址中，指令中包含了操作数在内存中的确切地址。CPU 在执行指令时，会直接从该地址读取或写入数据，不依赖寄存器辅助寻址。

举个实际例子，下图是指令 MOV R1, [1000] 的执行示意图，以立即数 1000 作为访存地址，指令从内存地址 1000 的单元读取数据并加载到寄存器 R1 中：

📌 示例应用

间接寻址

间接寻址（Indirect Addressing）是一种通过 寄存器或内存中的地址来访问实际数据地址 的方式，适用于访问指针、链表等动态结构。

在间接寻址中，指令中提供的是一个地址的“指针”，实际的数据地址存储在寄存器或内存单元中。CPU 先访问该中间地址，再通过它获取最终的操作数地址。

举个实际例子，下图是指令 MOV R1, [R2] 的执行示意图，访存地址间接地存储在寄存器 R2 中，指令首先从 R2 中读取目标地址，然后在相应的地址中读取数据加载进入 R1 中：

间接寻址包含多种类型，其中最常见的是 寄存器间接寻址 ：

操作数的地址保存在寄存器中，CPU 通过这个寄存器中存储的地址访问内存中的操作数。

当我们提到间接寻址时，大多数时候都是寄存器间接寻址：

📌 示例应用

基址寻址

基址寻址（Base Addressing）是一种通过 基址寄存器与偏移值相加 来访问结构体字段或局部变量的方式，常见于函数调用过程中的栈帧操作。

📌 示例应用

首先，两者具有共同点：基址寻址与变址寻址都类似于相对寻址，它们的有效地址 EA = 基址 + 指令字中形式地址 A。

1、基址寻址

计算公式：EA = (BR) + A

有效地址是将 CPU 中基址寄存器 BR 的内容加上指令字中形式地址 A。BR 的内容由操作系统决定，在程序执行过程中 BR 的内容不可变，而形式地址是可变的。基址寻址方式适合解决动态定位的问题。在多道程序的环境当中，操作系统根据内存空间的情况赋值给 BR，一旦赋值成功就不可更改，直至用户程序结束，使得用户不必关心实际的地址而只需要关心自己的地址空间即可。

2、变址寻址

计算公式：EA = (IX) + A

有效地址是将 CPU 中变址寄存器 IX 的内容加上指令字中有效地址 A。其指令字的形式地址作为一个基准地址，内容不可变，而 CPU 中变址寄存器 IX 在程序执行过程中根据使用情况发生改变。这样的寻址方式非常适合于循环问题，原因在于指令的“基址”（形式地址）保持不变，使得执行循环时，只需要改变 IX 的内容即可（比如迭代时，不断加 4）。假若使用基址寻址的方式，意味着循环过程中不断需要新的“基址”，也就是需要更多的指令字加以控制。而变址寻址只需要一条指令即可完成相关操作，可以大量缩短指令编码的长度，提高指令字的可用性。

两种寻址方式都是解决特定应用场景的问题，它们本质上是一样的，只是表现形式的不同而已。

变址寻址

变址寻址（Indexed Addressing）是一种通过 变址寄存器的值加上偏移量 来获取操作数地址的寻址方式，通常用于数组或表格中元素的访问。

📌 示例应用

相对寻址

相对寻址（Relative Addressing）是一种根据 当前指令地址（PC）与偏移量 来确定跳转或访问目标位置的方式，广泛应用于控制流指令。

在相对寻址中，以当前程序计数器（PC）作为基准，通过加上一个有符号的偏移量来计算跳转目标地址。这种寻址方式便于编写可重定位代码。

📌 示例应用

堆栈寻址

堆栈寻址（Stack Addressing）是一种通过 栈指针或基址指针 来访问 栈中数据 的方式，广泛应用于函数调用过程中的参数传递和返回值保存。

在堆栈寻址中，利用 SP（栈指针）或 BP（基址指针）定位栈中元素，通过栈顶向下或向上偏移来读取或写入局部变量、返回地址等。通常与 PUSH、POP、CALL、RET 等指令结合使用。

📌 示例应用

寻址方式对比

下表给出了各个寻址方式的核心区别：