單片機(jī)尋址方式小結(jié)

當(dāng)前，單片機(jī)種類很多，且實(shí)際工作中僅應(yīng)用一種單片機(jī)也是不現(xiàn)實(shí)的，必得對常用的幾種單片機(jī)有所了解。

盡管現(xiàn)在單片機(jī)編程大多使用C語言，但必得對單片機(jī)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及指令集有一定的了解，才有可能寫出優(yōu)秀的程序代碼。對于單片機(jī)指令的學(xué)習(xí)，尋址方式的學(xué)習(xí)是其中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，尋址方式的正確理解不僅對匯編編程至關(guān)重要，而且有助于對于單片機(jī)內(nèi)核結(jié)構(gòu)(如RISC和CISC的區(qū)別)、存儲結(jié)構(gòu)的更深刻理解。

但是，不同單片機(jī)都提供了一些不同的尋址方式，且即使同樣的尋址方式在不同的單片機(jī)中也有不同的名稱，使得尋址方式顯得混亂，不一致，不易理解。

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不過，經(jīng)過仔細(xì)的對比、學(xué)習(xí)和分析，我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)所有的尋址方式，都可以歸為以下六類：

1)立即尋址

2)無址尋址

3)寄存器直接尋址

4)寄存器間接尋址

5)內(nèi)存直接尋址

6)內(nèi)存間接尋址

下面對以上六類指令一一分解：

1、立即尋址，即在指令中直接給出實(shí)際的操作數(shù)數(shù)值，如MOV R1,#0

2、無址尋址，就是說指令中根本沒有給出操作數(shù)或操作數(shù)地址，其原因可能是以下兩者之一：其一，本指令確實(shí)不需要操作數(shù)，如NOP指令;其二，本指令本身就是專門為某一個(gè)操作數(shù)制造的，它不可能用來操作其他的操作數(shù)，如CLRA指令(由其名稱可知，它用來清零累加器A)。

3、寄存器直接尋址，這是一種十分重要，十分常見，也十分易于理解、易于掌握和應(yīng)用的尋址方式，就是在指令中直接給出寄存器編號(在匯編中，給出的是寄存器的標(biāo)號，也可以視作寄存器的名稱)作為操作數(shù)的尋址方式，而待操作的數(shù)據(jù)就存在此寄存器中。如指令MOV R1,R2就是一條雙操作數(shù)都采用寄存器直接尋址的指令。

另外，這種尋址方式在一些處理器構(gòu)架中又會有一些細(xì)微變化，如在ARM中由于大量使用寄存器直接尋址方式，為了增強(qiáng)此尋址方式的威力，ARM處理器中的寄存器直接尋址加入了移位功能，即在實(shí)際指令執(zhí)行中的數(shù)據(jù)不是簡單的寄存器中直接存儲的數(shù)據(jù)，而是此數(shù)據(jù)經(jīng)過移位后得到的數(shù)據(jù)。

4、寄存器間接尋址，如同寄存器直接尋址，都是在指令編碼中給出寄存器編號(在匯編中表現(xiàn)為寄存器名稱);但與寄存器直接尋址不同的是，此處寄存中存儲的并非操作數(shù)本身，而是操作數(shù)在內(nèi)存中的位置，即操作數(shù)的地址(相當(dāng)于C語言中的指針)，在內(nèi)存中此地址處存儲的才是真正的操作數(shù)。所以，CPU要獲取此操作數(shù)，在微觀上需要進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)獲取操作，第一次從寄存器中獲取操作數(shù)的地址，第二此從剛才獲取的地址處在內(nèi)存中獲取真正的操作數(shù)。在多數(shù)處理器中，指令使用寄存器間接尋址比使用寄存器直接尋址運(yùn)行要耗費(fèi)更多的指令周期。如指令 MOV R1,@R2將R1中的數(shù)據(jù)復(fù)制到R2中地址所指向的內(nèi)存中。

寄存器間接尋址是變種最多、擴(kuò)展最多的尋址方式，正因如此，他也是處理器中最為靈活、最為強(qiáng)大、最為難于掌握的尋址方式。不僅不同處理器對它進(jìn)行了不同的擴(kuò)展，而且即使對于完全相同的擴(kuò)展，不同匯編中也可能給出相差極大的書寫格式，這就更加導(dǎo)致了寄存器間接尋址難于理解、難于掌握。

其擴(kuò)展主要有以下形式：1)自增、自減型，@R1++、@R1--、@(--R1)、@(++R1)，看到它們的書寫形式大家應(yīng)該也大體明白它們的意思了，當(dāng)然具體的匯編書寫格式那就根據(jù)不同的處理器和匯編器變得五花八門了，比如有的不用@號而用中括號，有的只用一個(gè)加減號而不是兩個(gè)，有的只提供了四種變體中的一種或幾種，情況不一而足，但其實(shí)質(zhì)內(nèi)容卻大體一致。2)索引型(或叫偏移型)，就是指寄存器中存儲的地址還不是操作數(shù)的最終地址，須得對此地址加一個(gè)數(shù)才是最終的操作數(shù)地址。這種情況就更加復(fù)雜了，其一，書寫格式更加紛亂，如我就見過X(R1)、[R1,X]、(R1+X)等多種形式;其二，偏移量X本身也涉及尋址方式這個(gè)問題，最常用的當(dāng)然是立即尋址和寄存器直接尋址兩種，但也不排除有更加復(fù)雜的寄存器間接尋址這種方式的使用，要是這個(gè)X本身要是也能使用寄存器間接尋址的變種——索引尋址，那可就真是熱鬧了(試想一下，這不就是迭代了嗎)。

5、內(nèi)存直接尋址，就是在指令中直接給出操作數(shù)的地址——存儲于內(nèi)存中的位置，表現(xiàn)在匯編中，為了區(qū)分立即數(shù)和內(nèi)存地址，一般對地址加&或$前綴。如 MOV R1,$100

這個(gè)內(nèi)存地址可以可以分兩種情況給出：其一，直接給出完整的地址;其二，僅給出一個(gè)偏移量，將此偏移量加上PC才能得到操作數(shù)的地址。其中，前者一般叫做絕對尋址，后者一般叫做相對尋址(當(dāng)然，有些匯編中可能并不這樣稱呼)，二者很容易理解，也很容易區(qū)分。當(dāng)然，二者也是各有優(yōu)劣：絕對尋址簡化了執(zhí)行電路，因?yàn)樗麩o需進(jìn)行PC和偏移量的加法運(yùn)算;而相對尋址則可精簡編碼長度，從而節(jié)省程序存儲器消耗，當(dāng)然，還有一個(gè)更加重要的好處，那就是可以利用這個(gè)特性編寫“可搬移”的代碼。因?yàn)槭褂孟鄬Φ刂?，那么把程序整段搬移到其他的地址空間去，程序也能夠正確的執(zhí)行而不致出差。

對于同時(shí)提供了絕對尋址和相對尋址的CPU，在其匯編語法層面就需要給出區(qū)別兩種尋址方式的語法，由于不同匯編給出的解決方法不同，這里僅以MSP430編程手冊中給出的匯編語法為例進(jìn)行介紹，以方便理解：

相對尋址：MOV ADDR,R4

絕對尋址：MOV &ADDR,R4

可見，這里是通過一個(gè)“&”符合進(jìn)行絕對尋址和相對尋址的區(qū)分的。

另外，還有一個(gè)不大不小的問題需要注意，很多時(shí)候，使用內(nèi)存直接尋址的匯編中并不直接給出地址數(shù)值，而是給出“標(biāo)號，即label”，匯編器自己把這個(gè)標(biāo)號用實(shí)際的地址值進(jìn)行替代，所以就免除了地址的手工計(jì)算的麻煩。

6、內(nèi)存間接尋址，參考寄存器直接尋址與寄存器間接尋址的異同，我們可以通過上面講到內(nèi)存直接尋址來推測出內(nèi)存間接尋址的內(nèi)容和概念。但是，鑒于在嵌入式處理器和單片機(jī)中一般都不使用內(nèi)存間接尋址方式，所以，這里也就不再展開談了。

另外，應(yīng)該清楚，尋址方式并不是處理器設(shè)計(jì)者想怎么設(shè)計(jì)就怎么設(shè)計(jì)的，它很大程度上是由處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)所決定的。一般來說，立即尋址和無址尋址在所有的處理器或單片機(jī)中都是存在的;而RISC構(gòu)架的處理器中一般大量使用寄存器直接尋址，而寄存器間接尋址和內(nèi)存直接尋址一般只用于加載(LDR)、存儲(STR)指令之中，內(nèi)存間接尋址則在RISC中基本不使用;而對于CISC架構(gòu)的處理器，不僅大量使用寄存器直接尋址，而且大量使用靈活多變的寄存器間接尋址和內(nèi)存直接尋址，甚至于會提供強(qiáng)大的內(nèi)存間接尋址。所以，CISC構(gòu)架處理器的指令一般功能更豐富、更強(qiáng)大，可以用比RISC技術(shù)更少的指令完成相同的功能，但代價(jià)是必須增加更多的地址解析譯碼電路，增加了芯片體積和功耗。

當(dāng)然，我學(xué)單片機(jī)時(shí)間也不長，水平一般，也沒有了解過太多的單片機(jī)，只是就自己了解過的ARM、51、AVR、PIC和MSP430做一個(gè)小小總結(jié)，希望能幫助初學(xué)者更快的學(xué)習(xí)和理解單片機(jī)指令。但是能力和見識有限，未免以偏概全，所以也希望功力深厚、見識廣博的老前輩能夠指正錯(cuò)誤，或添加其他未提到的尋址方式。當(dāng)然，若是那位有更好的尋址方式歸納總結(jié)方法分享，那將是更好了。

擴(kuò)展閱讀：訪問單片機(jī)各部分使用的尋址方式