计算机组成原理（5）----指令系统(1)：https://developer.aliyun.com/article/1511489
（3）寄存器寻址
在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA=Ri，其操作数在由Ri所指的寄存器内。
采用这一寻址方式，执行一条指令时，只需要1次访存，即取指令时，访存1次，执行指令时，只需要访问寄存器，而不需要访存。
优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快（CPU中寄存器数量较少，那么只需要使用较短的bit位，就可以表示所有寄存器的编号），支持向量/矩阵运算。
缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限，则寻址能力有限。
（4）寄存器间接寻址
寄存器Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA=(Ri)。
采用这种寻址方式，执行一条指令需要2次访存，取指令需要访存1次，执行指令也需要访存1次。
特点：与一般间接寻址相比速度更快（因为操作数的真实地址存放在寄存器中，而非主存中），但指令的执行阶段需要访问主存(因为操作数在主存中)。
（5）隐含寻址
不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。
例如，有些指令显式地给出的地址只是指明了其中一个操作数，而另一个操作数则隐含在ACC（累加寄存器）中，也就是这个操作数的地址没有在指令中显式指出。
优点：有利于缩短指令字长。
缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件。
（6）立即寻址
对于立即寻址，形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。
#表示立即寻址特征
这里和直接寻址做区分，直接寻址的形式地址A表示的是操作数的地址，而立即寻址形式地址A就是操作数本身。
采用这种寻址方式，只需要进行1次访存，即取指令时访存1次，而我们需要的操作数直接包含在指令中，所以执行指令时不需要访存。
优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
缺点：A的位数限制了立即数的范围。如A的位数为n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为
~
偏移寻址：
接下来讲解的是"相对寻址"，"基址寻址"，"变址寻址"，这三种寻址方式都可以归为"偏移寻址"，因为这三个寻址方式的区别在于偏移的"起点"不一样。
基址寻址：以程序的起始存放地址作为“起点”，再加上形式地址A作为偏移量
变址寻址：程序员自己决定从哪里作为“起点”，再加上形式地址A作为偏移量
相对寻址：以程序计数器PC所指地址作为“起点”，再加上形式地址A作为偏移量
（7）基址寻址
将CPU中基址寄存器(BR)的内容加上指令格式中的形式地址A（由算数逻辑单元（ALU）进行加法运算），而形成操作数的有效地址，即EA=(BR)+A。
注：在操作系统中的“重定位寄存器”就是“基址寄存器”
在有些计算机中，不会专门设置“基址寄存器”，而是会用通用寄存器，可以在指令中指明,要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用。
如下图所示，指令的“寻址特征”用来表明用基址寻址的寻址方式，同时还需要几位来指明要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用（要用几个bit位，就需要根据寄存器总数判断，假如通用寄存器有8个，则只需要3bit即可，2^3=8）。图中使用通用寄存器R0，那么就会将R0中的地址作为基地址送到加法器中，同时将形式地址A作为偏移量送到加法器中，ALU通过加法运算得到最终的操作数存放地址。
基址寻址的作用：
若某段程序的起始地址不为0，那么可以采用基址寻址，将程序的起始地址+形式地址（偏移量），得到操作数的地址。
所以基址寻址便于程序浮动，方便实现多道程序并发运行。
当某程序在程序中的位置发生改变，操作系统只需要修改BR这一寄存器的内容即可。让BR指向当前程序的起始地址，那么即使该程序浮动，也不需要更改。
注：程序运行前，CPU将BR的值修改为程序的起始地址（这一地址信息存放在操作系统PCB中）
基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变(作为基地址)，形式地址可变(作为偏移量)。
普通程序员可以用汇编语言修改通用寄存器的内容，但若某一通用寄存器被指定为基址寄存器，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定。
优点:可扩大寻址范围(基址寄存器的位数大于形式地址A的位数)；用户不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序(整个程序在内存里边的浮动)
对于某条指令，形式地址A可能较短，寻址能力有限，但是在加上较长的基址地址，那么这一条指令可以访问的地址范围就能扩大。
（8）变址寻址
有效地址 EA 等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即EA=(IX)+A，其中IX可为变址寄存器(专用)，也可用通用寄存器作为变址寄存器
下图所示，左图为变址寻址，右图为基址寻址，除了寄存器不同，还有什么区别？
变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变(IX作为偏移量)，形式地址A不变(作为基地址)
而在基址寻址中，BR保持不变作为基地址，A作为偏移量
变址寻址的作用：
如图所示，对于循环类的程序，每一次循环都需要对应一条指令，这样的编程方式很不灵活。
所以需要引入变址寻址，则同样的程序执行流程如下：
从主存地址为2的位置开始说明
① ACC加法采用了变址寻址，EA=(IX)+A，这条指令的形式地址A指向了7这一主存地址，也就是数组第一个元素的存放地址，而变址寄存器IX的值为0，所以
(ACC)+(7+(IX))-->ACC 所以(ACC)=a[0]
② 接下来进行IX加法，也就相当于程序中的i++,再将IX与10进行比较，对应于程序的：
for（int i=0;i<10;i++）
③ 若i<10,则程序的执行流，跳转到主存地址为2的位置，即进行第二次的加法，由于现在IX=1，所以操作数放在(7+1)=8的位置，即a[1]的地址。
那么(ACC)+(7+(IX))-->ACC (ACC)=a[0]+a[1]
④ 若i=10，那么就不会条件跳转，而是执行ACC--->sum变量，即将所有数组之和赋值给sum变量
所以在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序。
这里补充硬件是如何实现数的“比较”？
1.通过"cmp指令"比较a和b(如cmp a,b)，实质上是用 a-b
2.相减的结果信息会记录在程序状态字寄存器(PSW)中
信息如下，PSW中有几个比特位记录上次运算的结果：
进位/借位标志CF：最高位有进位/借位时CF=1
零标志 ZF：运算结果为0则ZF=1，否则ZF=0
符号标志SF：运算结果为负，SF=1，否则为0
溢出标志OF：运算结果有溢出OF=1，否则为0
3.CPU根据PSW的某几个标志位进行条件判断，来决定是否转移
举个例子：
如下图所示，记录a-b的结果，若a
注：汇编语言中条件跳转指令有很多种，如 je2 表示当比较结果为 a=b 时跳转到主存地址为2的位置。若采用无条件转移指令 jmp2 ，就不会管PSW的各种标志位，使PC的值为主存地址2。
注：汇编语言中条件跳转指令有很多种，如 je2 表示当比较结果为 a=b 时跳转到主存地址为2的位置。若采用无条件转移指令 jmp2 ，就不会管PSW的各种标志位，使PC的值为主存地址2。
注：汇编语言中条件跳转指令有很多种，如 je2 表示当比较结果为 a=b 时跳转到主存地址为2的位置。若采用无条件转移指令 jmp2 ，就不会管PSW的各种标志位，使PC的值为主存地址2。
具体想要学习的话，可以看这篇博客：http://t.csdnimg.cn/qN79z
（9）基址+变址复合寻址
在上述例子中，默认程序从主存地址为0的地址往后存放，因此，当IX为2时，则能定位到a[2]地址单元，也就是基址7+变址2=9主存地址
但若此程序从主存地址为100的地址开始存放，那么执行"ACC加法"时，就不能只用到变址寻址,而是需要基址寻址+变址寻址得到最终有效地址。
基址寻址：EA=(BR)+A
变址寻址：EA=(IX)+A
先基址后变址寻址：EA=((BR)+A)+(IX)，即先把形式地址A+BR，使其指向a[0]，接下来进行变址寻址，即+(IX),就能得到最终的有效主存地址109
注：实际应用中往往需要多种寻址方式复合使用(可理解为复合函数，因为每一种寻址方式都是要将形式地址A映射为有效地址EA，只是不同寻址方式映射规则不同，多种寻址方式复合，就是将不同映射规则结合起来，相当于数学中的复合函数)
（10）相对寻址
相对寻址把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即
EA=(PC)+A,其中A是相对于PC所指地址（下一条指令地址）的位移量，可正可负，补码表示。
如图所示，CPU从主存地址为1000的位置中取出指令，每当CPU取出一条指令，都会使PC指向下一条指令的存放地址。
若当前指令字长=2B，则PC+2
若当前指令字长=4B，则PC+4
因此取出当前指令后，PC可能为1002或1004，假设当前（PC）=1002
若采用相对寻址，则EA=(PC)+A---->EA=1002+A，所以A是相对于下一条指令的位移量
相对地址的作用：
如下图所示，“条件跳转”使用的是直接寻址的方式
若该for循环被挪动了位置，再按照之前直接寻址的方式进行解析，即跳转到主存地址为2的位置，则会出现错误。
所以引入相对寻址，若当前执行的指令为“条件跳转”，那么PC的值会自动+1，指向M+4主存地址，为了该for循环正常工作，可以让PC的值指向主存地址为M的位置，即M+4-4。
由于跳转指令本质是在修改PC的值，那么会把相对寻址得到的有效地址赋给PC，让PC重新指向主存地址为M的位置。
所以无论for循环被挪到哪一个位置，都不需要修改跳转指令的地址码，采用相对寻址，就能得到正确的结果。
优点：这段代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码
注：对于“ACC加法”，若挪动这一for循环的位置，数组的起始地址可能不是主存地址为7的位置，对于程序员而言，若挪动for循环的位置，还需要修改地址参数，显然是很麻烦的
可以采用“分段”方式，就是将程序分为程序段，数据段，用数据段专门存放数据。例如，将数组a存放在数据段的起始地址为7的位置，那么a存放的地址在段中的相对位置不变，也就是形式地址A不需要改变。如下图所示，相对地址7就不需要修改了。
优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动(一段代码在程序内部的浮动)。
相对寻址广泛应用于转移指令。
注：
在基址寻址中说的程序浮动，指的是整段程序在内存中的浮动，而相对寻址说的程序浮动指的是一段代码在程序内部的浮动。
11）堆栈寻址
操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针(SP)作为操作数地址。
•硬堆栈
堆栈是存储器(或专用寄存器组)中一块特定的按"后进先出(LIFO)"原则管理的存储区，该存储区中被
读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针(SP)。
如图所示，假设寄存器已被存满，SP指向栈顶元素（R0），由于只有4个寄存器，则用2个bit位就可以表示所有寄存器的编号（2^2=4）
假设需要使用堆栈的两个栈顶元素完成一次加法操作，如图所示，加数和被加数需要放到ACC与X这两个寄存器中，通过ALU的计算，将结果输出到另一个寄存器中
记栈顶单元为Msp，首先POP ACC，即弹出栈顶元素，放到ACC寄存器中，那么SP指针+1，指向次栈顶元素
接下来POP X，再将栈顶元素弹出，放到X寄存器中，SP指针继续+1
接下来将加法的结果放到寄存器Y中，即ADD Y (ACC)+(X)-->Y
最后PUSH Y，将运算结果压回栈顶。首先SP=SP-1,然后再将Y的值放到SP指向的寄存器中
可以看到POP ACC和PUSH Y，这两个指令所存放的位置是被隐含在SP中的
出栈时，首先弹出SP指向的元素，接着(SP)+1--->SP
入栈时，首先(SP)-1--->SP,接着再将想要存的元素存到SP所指的寄存器中。
总结：
栈顶在小地址方向
栈顶在大地址方向
•软堆栈
以上堆栈寻址的实现是采用专门的寄存器的，可以将其称为硬堆栈，还有一种为软堆栈，即从主存中划分一片区域作为堆栈
采用硬堆栈与软堆栈的区别：
① 若采用软堆栈,弹出栈顶元素或压入一个元素就需要进行访存，而采用硬堆栈，由于堆栈元素都存放在寄存器中，无论弹出栈顶元素或压入一个元素都不需要进行访存，使用硬堆栈，CPU运行速度会更快。
注：这里指的是"指令执行期间"，硬堆栈不需要访存，而软堆栈需要一次访存，在取指令时还是都需要访存的。
② 但是由于寄存器较贵，所以硬堆栈成本更高，而软堆栈成本更低。
实际系统中，通常会使用软堆栈，函数调用时保存的当前函数的相关信息，都会被保存在程序对应的软堆栈中。
总结：
8.CISC和RISC
CISC和RISC是指令系统的两种设计方向：
(1)CISC(Complex instruction Set Computer)
一条指令完成一个复杂的基本功能。例如，x86架构，主要用于笔记本，台式机等。
但随着指令越来越复杂，出现了80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中 20% 的指令
比如设计一套能实现整数、矩阵加/减/乘运算的指令集:
CISC的思路：除了提供整数的加减指令除之外，还提供矩阵的加法指令、矩阵的减法指令、矩阵的乘法指令，并且一条指令由一个专门的电路完成。而有的复杂指令用纯硬件实现很困难，所以采用“存储程序’的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令。例如设置加、减、乘电路，并且由这几个电路一起完成矩阵乘法指令。
总结：
CISC可以提供很多复杂的指令，对于一些特别复杂的指令，无法使用某一硬件电路实现，就会采用微程序实现。
(2)RISC(Reduced instruction Set Computer)
一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能。例如，ARM架构，主要用于
手机，平板等。
比如设计一套能实现整数、矩阵加/减/乘运算的指令集:
RISC的思想：只提供整数的加减乘指令
一条指令一个电路，电路设计相对简单，功耗更低
RISC中指令相对简单，功能单一，可以较方便地设计出定长指令结构，指令执行时间相差不大，所以适用于"并行"，"流水线"
总结：
这里特别说明：
① 对于CISC而言，可访存指令是不加限制的，而RISC中，可访存指令只有Load（某数据从主存中取出）/Store（某数据放入主存）指令，若某程序的乘法指令可以访存，那么一定是CISC
在CISC中，乘法指令会将需要相乘的数从主存中取出，放到相应的寄存器中进行乘法操作，不会过多占用寄存器
在RISC中，需要用Load指令访存，将数据从主存取出，放到寄存器中，再用乘法指令对两个寄存器的值相乘，这样就会占用较多寄存器
② CISC中，绝大多数为微程序控制。RISC中，绝大多数为组合逻辑控制。
③ CISC中，由于各指令执行时间相差较大，所以指令流水线会比较困难，但是也可以通过一定方式实现。RISC中，各指令执行时间绝大多数可以在一个周期内完成，所以较容易实现指令流水线。流水线会使CPU效率提高很多，所以RISC必须实现指令流水线。
