单片机寻址方式小结

当前，单片机种类很多，且实际工作中仅应用一种单片机也是不现实的，必得对常用的几种单片机有所了解。

尽管现在单片机编程大多使用C语言，但必得对单片机的内核结构、存储结构及指令集有一定的了解，才有可能写出优秀的程序代码。对于单片机指令的学习，寻址方式的学习是其中的一个重点和难点，寻址方式的正确理解不仅对汇编编程至关重要，而且有助于对于单片机内核结构（如RISC和CISC的区别）、存储结构的更深刻理解。

但是，不同单片机都提供了一些不同的寻址方式，且即使同样的寻址方式在不同的单片机中也有不同的名称，使得寻址方式显得混乱，不一致，不易理解。

不过，经过仔细的对比、学习和分析，我发现，其实所有的寻址方式，都可以归为以下六类：

1）立即寻址

2）无址寻址

3）寄存器直接寻址

4）寄存器间接寻址

5）内存直接寻址

6）内存间接寻址

 

下面对以上六类指令一一分解：

1、立即寻址，即在指令中直接给出实际的操作数数值，如MOV  R1,#0

2、无址寻址，就是说指令中根本没有给出操作数或操作数地址，其原因可能是以下两者之一：其一，本指令确实不需要操作数，如NOP指令；其二，本指令本身就是专门为某一个操作数制造的，它不可能用来操作其他的操作数，如CLRA指令（由其名称可知，它用来清零累加器A）。

3、寄存器直接寻址，这是一种十分重要，十分常见，也十分易于理解、易于掌握和应用的寻址方式，就是在指令中直接给出寄存器编号（在汇编中，给出的是寄存器的标号，也可以视作寄存器的名称）作为操作数的寻址方式，而待操作的数据就存在此寄存器中。如指令MOV  R1,R2就是一条双操作数都采用寄存器直接寻址的指令。

另外，这种寻址方式在一些处理器构架中又会有一些细微变化，如在ARM中由于大量使用寄存器直接寻址方式，为了增强此寻址方式的威力，ARM处理器中的寄存器直接寻址加入了移位功能，即在实际指令执行中的数据不是简单的寄存器中直接存储的数据，而是此数据经过移位后得到的数据。

4、寄存器间接寻址，如同寄存器直接寻址，都是在指令编码中给出寄存器编号（在汇编中表现为寄存器名称）；但与寄存器直接寻址不同的是，此处寄存中存储的并非操作数本身，而是操作数在内存中的位置，即操作数的地址（相当于C语言中的指针），在内存中此地址处存储的才是真正的操作数。所以，CPU要获取此操作数，在微观上需要进行两次数据获取操作，第一次从寄存器中获取操作数的地址，第二此从刚才获取的地址处在内存中获取真正的操作数。在多数处理器中，指令使用寄存器间接寻址比使用寄存器直接寻址运行要耗费更多的指令周期。如指令 MOV R1,@R2将R1中的数据复制到R2中地址所指向的内存中。

寄存器间接寻址是变种最多、扩展最多的寻址方式，正因如此，他也是处理器中最为灵活、最为强大、最为难于掌握的寻址方式。不仅不同处理器对它进行了不同的扩展，而且即使对于完全相同的扩展，不同汇编中也可能给出相差极大的书写格式，这就更加导致了寄存器间接寻址难于理解、难于掌握。

其扩展主要有以下形式：1）自增、自减型，@R1++、@R1--、@（--R1）、@（++R1），看到它们的书写形式大家应该也大体明白它们的意思了，当然具体的汇编书写格式那就根据不同的处理器和汇编器变得五花八门了，比如有的不用@号而用中括号，有的只用一个加减号而不是两个，有的只提供了四种变体中的一种或几种，情况不一而足，但其实质内容却大体一致。2）索引型（或叫偏移型），就是指寄存器中存储的地址还不是操作数的最终地址，须得对此地址加一个数才是最终的操作数地址。这种情况就更加复杂了，其一，书写格式更加纷乱，如我就见过X(R1)、[R1,X]、（R1+X）等多种形式；其二，偏移量X本身也涉及寻址方式这个问题，最常用的当然是立即寻址和寄存器直接寻址两种，但也不排除有更加复杂的寄存器间接寻址这种方式的使用，要是这个X本身要是也能使用寄存器间接寻址的变种——索引寻址，那可就真是热闹了（试想一下，这不就是迭代了吗）。

5、内存直接寻址，就是在指令中直接给出操作数的地址——存储于内存中的位置，表现在汇编中，为了区分立即数和内存地址，一般对地址加&或$前缀。如 MOV  R1,$100

这个内存地址可以可以分两种情况给出：其一，直接给出完整的地址；其二，仅给出一个偏移量，将此偏移量加上PC才能得到操作数的地址。其中，前者一般叫做绝对寻址，后者一般叫做相对寻址（当然，有些汇编中可能并不这样称呼），二者很容易理解，也很容易区分。当然，二者也是各有优劣：绝对寻址简化了执行电路，因为他无需进行PC和偏移量的加法运算；而相对寻址则可精简编码长度，从而节省程序存储器消耗，当然，还有一个更加重要的好处，那就是可以利用这个特性编写“可搬移”的代码。因为使用相对地址，那么把程序整段搬移到其他的地址空间去，程序也能够正确的执行而不致出差。

对于同时提供了绝对寻址和相对寻址的CPU，在其汇编语法层面就需要给出区别两种寻址方式的语法，由于不同汇编给出的解决方法不同，这里仅以MSP430编程手册中给出的汇编语法为例进行介绍，以方便理解：

相对寻址：MOV  ADDR,R4

绝对寻址：MOV  &ADDR,R4

可见，这里是通过一个“&”符合进行绝对寻址和相对寻址的区分的。

另外，还有一个不大不小的问题需要注意，很多时候，使用内存直接寻址的汇编中并不直接给出地址数值，而是给出“标号，即label”，汇编器自己把这个标号用实际的地址值进行替代，所以就免除了地址的手工计算的麻烦。

6、内存间接寻址，参考寄存器直接寻址与寄存器间接寻址的异同，我们可以通过上面讲到内存直接寻址来推测出内存间接寻址的内容和概念。但是，鉴于在嵌入式处理器和单片机中一般都不使用内存间接寻址方式，所以，这里也就不再展开谈了。

 

另外，应该清楚，寻址方式并不是处理器设计者想怎么设计就怎么设计的，它很大程度上是由处理器内核结构和存储结构所决定的。一般来说，立即寻址和无址寻址在所有的处理器或单片机中都是存在的；而RISC构架的处理器中一般大量使用寄存器直接寻址，而寄存器间接寻址和内存直接寻址一般只用于加载（LDR）、存储（STR）指令之中，内存间接寻址则在RISC中基本不使用；而对于CISC架构的处理器，不仅大量使用寄存器直接寻址，而且大量使用灵活多变的寄存器间接寻址和内存直接寻址，甚至于会提供强大的内存间接寻址。所以，CISC构架处理器的指令一般功能更丰富、更强大，可以用比RISC技术更少的指令完成相同的功能，但代价是必须增加更多的地址解析译码电路，增加了芯片体积和功耗。

当然，我学单片机时间也不长，水平一般，也没有了解过太多的单片机，只是就自己了解过的ARM、51、AVR、PIC和MSP430做一个小小总结，希望能帮助初学者更快的学习和理解单片机指令。但是能力和见识有限，未免以偏概全，所以也希望功力深厚、见识广博的老前辈能够指正错误，或添加其他未提到的寻址方式。当然，若是那位有更好的寻址方式归纳总结方法分享，那将是更好了。