3.2 寻址技术

寻址技术指的是处理器如何寻找指令或操作数的地址。这是计算机设计中的核心技术之一，直接影响指令系统的功能和效率。

3.2.1 编址方式

定义: 对存储设备（寄存器、主存、I/O设备）进行地址编码的方式。
编址单位:
1. 字编址 (Word Addressing)：每个地址对应一个机器字。早期计算机常用。控制简单，但处理非数值数据（如字符）不方便。
2. 字节编址 (Byte Addressing)：每个地址对应一个字节。现代计算机普遍采用。优点是方便处理字符等非数值数据，是它的最大优点。
3. 位编址 (Bit Addressing)：每个地址对应一个位。地址信息开销大，仅用于特定系统。
地址码位数: 指令中地址码的位数与主存容量和最小寻理单位有关。
- 例如，主存容量为 $2^{20}$ 字节，若按字节编址，地址码需20位。若按字编址（假设1字=4字节），地址码只需18位（因为有 $2^{20} / 4 = 2^{18}$ 个字）。

3.2.2 指令寻址与数据寻址

寻址可以分为两类：寻找下一条要执行的指令地址，和寻找当前指令所需的操作数地址。

指令寻址:
- 顺序寻址: 指令按顺序存放，执行完一条指令后，程序计数器(PC)自动加1（或指令长度），指向下一条指令。PC + 1 -> PC。
- 跳跃寻址: 通过转移类指令实现。指令中会给出转移的目标地址，该地址将被送入PC，从而改变程序的执行流程。
数据寻址:
- 定义: 寻找指令执行所需的操作数地址。
- 数据寻址的方式多种多样，是本章的重点。指令中给出的地址称为形式地址 (A)，经过某种运算后得到的实际内存地址称为有效地址 (EA)。
- 寻址方式: 就是从形式地址A生成有效地址EA的各种方法。

易考点和难点

易考点

理解字节编址和字编址的区别，以及它们对地址码位数的影响
区分指令寻址和数据寻址。指令寻址由PC控制，数据寻址则涉及多种复杂的寻址方式

3.2.3 寻址方式 (数据寻址)

本节详细介绍指令中用于寻找操作数的各种寻址方式。这是指令系统的核心内容，也是考试的绝对重点。

基本概念:

形式地址(A): 指令中直接给出的地址字段。
有效地址(EA): 操作数的真实内存地址。
寻址方式: 从形式地址(A)计算有效地址(EA)的过程。

1. 立即寻址 (Immediate)

定义: 指令的地址码字段直接存放操作数本身，而不是地址。
公式: 操作数 = A
优点: 取指令的同时就获得了操作数，无需再次访存，执行速度快。
缺点: 操作数值的大小受指令长度限制，且操作数是固定的，无法修改。
用途: 常用于给寄存器赋初值或提供常数。

2. 直接寻址 (Direct)

定义: 指令的地址码字段存放的是操作数的有效地址(EA)。
公式: $E A = A$
优点: 简单直观，只需一次访存即可获得数据。
缺点: 寻址范围受地址码位数的限制，不够灵活。

3. 间接寻址 (Indirect)

定义: 指令的地址码字段存放的是一个地址的地址。即A指向的内存单元中存放着最终的有效地址EA。
公式: $E A = (A)$
优点:
1. 扩大寻址范围：可以用较短的地址码访问整个内存空间（因为存放EA的内存单元可以是完整的机器字长）。
2. 便于编程: 方便实现指针等数据结构。
缺点: 需要多次访存（至少两次）才能获得操作数，速度慢。

4. 寄存器寻址 (Register)

定义: 指令的地址码字段存放的是一个寄存器编号，操作数就在该寄存器中。
公式: 操作数 = $(R_{i})$
优点:
1. 无需访存，执行速度极快。
2. 指令短，因为寄存器数量少，编号位数少。
缺点: 寄存器数量有限。

5. 寄存器间接寻址 (Register Indirect)

定义: 指令的地址码字段存放一个寄存器编号，该寄存器中存放的是操作数的有效地址(EA)。
公式: $E A = (R_{i})$
优点: 结合了间接寻址的灵活性和寄存器寻址的高效性。比内存间接寻址快（只需一次访存）。

6. 变址寻址 (Indexed)

定义: 将指令中的形式地址(A)与一个变址寄存器(Rx) 的内容相加，得到有效地址。
公式: $E A = A + (R_{x})$
优点: 非常适合处理数组等连续存放的数据结构。A作为数组基地址，Rx作为偏移量，只需修改Rx即可方便地遍历数组元素。

7. 基址寻址 (Base)

定义: 将指令中的形式地址(A)与一个基址寄存器(Rb) 的内容相加，得到有效地址。
公式: $E A = A + (R_{b})$
优点: 主要用于程序的重定位。操作系统将程序加载到内存的任意位置，只需将该位置的起始地址放入Rb，程序中的所有地址引用都基于这个基地址，无需修改指令本身。
与变址寻址的区别:
- 用途: 基址寻址面向系统，用于地址重定位；变址寻址面向用户，用于数组访问。
- 内容变化: 基址寄存器的内容在程序运行期间通常不变；变址寄存器的内容会频繁改变。

8. 相对寻址 (Relative)

定义: 将指令中的形式地址(A)与程序计数器(PC) 的当前内容相加，得到有效地址。A通常称为位移量(displacement)。
公式: $E A = A + (P C)$
优点:
1. 生成的代码是位置无关的，便于程序在内存中的浮动。
2. 常用于转移指令，A的位数可以较短，因为转移通常在当前指令附近。

9. 页面寻址 (Paged)

定义: 将内存空间划分为大小相等的"页"，地址由页号和页内地址组成。指令的地址码只提供页内地址，页号则由其他方式（如页寄存器、当前页、0号页）提供。
特点: 是一种二维地址结构，是虚拟存储系统的基础。

核心考点

易考点

各种寻址方式的有效地址（EA）计算。这是必考内容。

难点辨析

间接寻址 vs. 寄存器间接寻址: 都是间接，但一个地址在内存，一个在寄存器。
变址寻址 vs. 基址寻址: 公式相同但用途和设计思想完全不同，必须能够清晰区分。
相对寻址: 要注意PC的值是在指令执行的哪个阶段被使用（是当前指令地址还是下一条指令地址）。

综合题

习题中常出现结合多种寻址方式的复杂访存过程，例如：一条指令采用变址间接寻址，要求写出完整的访存取数过程。