淺談4位HRRG計算機定義的匯編語言

我們要做的一件事就是為我們的4位HRRG計算機定義這樣的匯編語言，但是在我們陷入沉迷和放棄之前，我們首先需要引入一些概念。

大端與小端

當現(xiàn)實世界中的計算機使用多個字節(jié)表示數(shù)據(jù)值或內(nèi)存地址時，有兩種主要技術(shù)可將這些字節(jié)存儲在內(nèi)存中：最高有效字節(jié)（MSB）存儲在以下位置：具有最低地址的位置，在這種情況下，我們可以說它以“ big-end-first-first”存儲，或者最低有效字節(jié)（LSB）存儲在最低的地址，在這種情況下，我們可以說它是“小-最終至上?！?/p>

讓我們在HRRG計算機的上下文中考慮這兩種機制，它具有4位（1個半字節(jié)）數(shù)據(jù)總線和12位（3個半字節(jié)）地址總線，通過可視化我們?nèi)绾卧趦?nèi)存中存儲一??個3個半字節(jié)值$ 426來開始在$ 100的內(nèi)存位置，如下所示：

大端（由HRRG使用）與小端。（資料來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

HRRG采用big-endian方法。當然，您可能不會對此感到驚訝，因為出于各種技術(shù)上的原因，而這些討論超出了這些討論的范圍，一些計算機設(shè)計師偏愛一種風格，而其他計算機設(shè)計師則偏向于另一種風格。直到人們對創(chuàng)建異構(gòu)計算環(huán)境感興趣為止，這才真正變得無關(guān)緊要，在異構(gòu)環(huán)境中，將多個不同的計算機連接在一起，以便可以在它們之間傳輸文件，此后引發(fā)了許多激烈的爭論。

1980年，丹尼·科恩（Danny Cohen）撰寫的著名論文《論神圣的戰(zhàn)爭與和平》，使用大尾數(shù)法和小尾數(shù)法來指代兩種存儲數(shù)據(jù)的技術(shù)。這些術(shù)語一直沿用至今，源于盎格魯愛爾蘭諷刺作家喬納森·斯威夫特（Jonathan Swift）所著的《格列佛游記》。小尾數(shù)和大尾數(shù)的綽號來自故事的那部分，兩個國家為此展開戰(zhàn)爭，首先要吃煮雞蛋的一端-小端還是大端！

令您驚訝的是，斯威夫特（Swift）在1726年進行了出色的工作，這是發(fā)明臺球桿的九年之前（在此之前，球員習慣用小狼牙棒來擊球）。

尋址模式

術(shù)語尋址模式是指指定指令操作數(shù)的方式。這些小流氓的名字和口味有很多不同的名稱，因此以下內(nèi)容應(yīng)僅作為概述。

出于這些討論的目的，我們將假設(shè)一個HRRG類型的體系結(jié)構(gòu)，具有4位（1個半字節(jié)）數(shù)據(jù)總線和12位（3個半字節(jié)）地址總線。但是，下面介紹的寄存器和指令助記符是虛構(gòu)的，僅用于進行這些討論時使用。

隱式（又名隱式）：在隱式（有時稱為隱式）尋址模式的情況下，目標本身由指令本身隱含。例如，假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個名為INCQ的指令，其目的是對寄存器Q的內(nèi)容進行遞增（加1）。在這種情況下，我們所要做的就是一個沒有操作數(shù)的INCQ操作碼，如圖所示以下：

隱式尋址模式（來源：Max Maxfield）

假定程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU將讀取并執(zhí)行隱含的操作碼。我們最終將PC指向地址$ 101，這是CPU希望在程序中找到下一個操作碼的位置。

立即：在立即尋址模式下，數(shù)據(jù)在操作碼后立即顯示。例如，假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用立即尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中，如下所示：

立即尋址模式（來源：Max Maxfield）

假定程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到此操作碼使用立即模式，并將數(shù)據(jù)nybble（在此示例中為$ F）加載到Q寄存器中。我們最終將PC指向地址$ 102，這是CPU希望在程序中找到下一個操作碼的位置。

相對：在相對尋址模式下，目標地址被指定為相對于程序計數(shù)器（PC）中當前值的偏移量。這樣的偏移量將被視為可以表示正值和負值的帶符號二進制數(shù)。

假設(shè)我們的偏移量表示為2個半字節(jié)值。由于2進位字段可以表示-128到+127范圍內(nèi)的有符號數(shù)，因此這意味著偏移量可以指向當前PC值之前的128個位置（即，較低的內(nèi)存地址）和之后的127個位置之間的某個存儲位置。當前的PC值（即更高的內(nèi)存地址）。

純粹是為了使示例與此處顯示的其他示例相關(guān)聯(lián)，假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用相對尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中（盡管我們?nèi)绻褂孟嗤闹浄?，則該LDQ與我們在前面示例中討論的LDQ指令將具有不同的操作碼。此外，讓我們假設(shè)偏移值為$ 08（十進制為+8），如下所示：

具有正偏移值的相對尋址模式。（資料來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

假定程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到它使用相對模式，然后將下面兩個包含偏移值的四位字節(jié)復(fù)制到內(nèi)部（臨時）寄存器中。

接下來，它將偏移值添加到PC中的當前值，并使用結(jié)果指向包含數(shù)據(jù)nybble的位置。最后，它將數(shù)據(jù)值（在此示例中為$ F）加載到Q寄存器中。最后，PC指向地址$ 103，這是CPU希望在程序中找到下一個操作碼的位置。

純粹出于完整性考慮，讓我們考慮相對尋址的第二個示例，其中偏移值為$ F8（十進制為-8），如下所示：

具有負偏移值的相對尋址模式。（資料來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

重要的是要注意，除了上面說明的數(shù)據(jù)操作指令外，相對尋址還可以用于執(zhí)行跳轉(zhuǎn)或分支指令。

當然，并非所有處理器都支持所有類型指令的所有尋址模式。例如，正如我們在上一專欄中所討論的那樣，6502微處理器具有8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線。對于其JMP（“無條件跳轉(zhuǎn)”）指令，6502僅支持使用16位（2字節(jié)）地址的絕對和間接尋址（下面介紹絕對和間接模式）。但是，6502還支持一組分支指令，這些分支指令采用8位（1字節(jié)）相對地址。正如我在該專欄中指出的：

程序往往會進行很多跳轉(zhuǎn)，例如循環(huán)循環(huán)，因此在時鐘有限的日子里，使用1字節(jié)的分支地址而不是2字節(jié)的跳轉(zhuǎn)地址可能會節(jié)省大量的時間和空間。速度，處理器周期和內(nèi)存位置。

Zilog Z80微處理器不支持相對尋址，因此您必須使用Intel 8086或更高版本才能使用相對尋址模式查看“短跳轉(zhuǎn)”指令。

最后一點，在上面的討論中，當說明要添加偏移量的值時，我們多次使用了短語“ PC中的當前值”。當“推來推去”時，我們使用了$ 103的值，這是下一個操作碼的地址。我們?yōu)槭裁词褂眠@個值？使用$ 100（原始操作碼的地址）或$ 102（偏移量中第二個小節(jié)的地址）是否更有意義。

好吧，假設(shè)我們正在執(zhí)行某種形式的分支指令，而不是執(zhí)行我們虛構(gòu)的LDQ指令。現(xiàn)在考慮如果偏移值為$ 0會發(fā)生什么。如果偏移量是從分支指令操作碼的地址$ 100開始，則偏移量$ 0將導致無限循環(huán)（如果采用了分支）。或者，如果偏移量是從地址$ 102處的操作數(shù)的第二個字節(jié)開始的，則偏移量$ 0將導致CPU將操作數(shù)的第二個nybble誤認為是一個操作碼。歸根結(jié)底，如果偏移量為$ 0，則按照我們的原始指令立即跳轉(zhuǎn)到操作碼是有意義的；因此，我們使用下一個操作碼的地址作為“ PC中的當前值”這一事實。

只是為了確認所有這些內(nèi)容，因為在我所看到的任何地方它都沒有得到很好的記錄，所以我請我的新手尼克·比爾德（Nick Bild）（基于6502的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的創(chuàng)建者）提供經(jīng)驗證明。為此，尼克創(chuàng)建了一個小型的6502匯編程序，如下所示：

6502匯編程序（來源：Nick Bild）

請記住，6502具有8位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線。遵守地址$ 0004的BNE（“如果不相等則分支”）指令。如果滿足分支條件，該指令將跳轉(zhuǎn)到地址$ 0008的JUMPHERE標簽?，F(xiàn)在觀察到，由匯編程序生成并存儲在地址$ 0005中的偏移值為$ 02。當然，$ 0008 – $ 02 = $ 0006，它是LDY（“裝載索引寄存器Y”）指令的地址；也就是說，緊跟在BNE指令之后的操作碼。優(yōu)質(zhì)教育

絕對（也稱為直接）：在絕對（有時稱為直接）尋址模式下，目標地址在操作碼后立即顯示。例如，假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一條稱為LDQ的指令，其目的是使用絕對尋址模式將數(shù)據(jù)的小節(jié)加載到寄存器Q中，如下所示（再次，盡管我們使用的是相同的助記符，但該LDQ與前面示例中討論的LDQ指令會有不同的操作碼）：

絕對尋址模式（來源：Max Maxfield）

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到該操作碼使用絕對模式，然后將以下三個字節(jié)（在本示例中為$ 426）加載到內(nèi)部寄存器中。然后，CPU使用此內(nèi)部寄存器的內(nèi)容指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寄存器（在此示例中為$ F），并將其裝入Q寄存器。我們最終將PC指向地址$ 104，這是CPU期望在程序中找到下一個操作碼的位置。

與我們虛構(gòu)的LDQ指令相反，假設(shè)我們的地址為$ 100的操作碼指示CPU使用絕對尋址模式執(zhí)行無條件的JMP。在這種情況下，CPU將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置PC）以尋址$ 426。

間接的：這是開始變得有趣的地方。假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用間接尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中，如下所示：

間接尋址模式（來源：Max Maxfield）

至于絕對模式，操作碼后面的三個字節(jié)包含一個地址，該地址被加載到內(nèi)部寄存器中。但是，在這種情況下，該地址并不直接指向數(shù)據(jù)，而是指向另一個3位地址的第一個地址，而該第二個地址用于指向數(shù)據(jù)。

與我們想象中的LDQ指令相反，假設(shè)我們的地址為$ 100的操作碼指示CPU使用間接尋址模式執(zhí)行無條件的JMP。在這種情況下，CPU最終將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置PC）以尋址$ 971。

索引（也稱為絕對索引）：此模式與絕對模式非常相似，不同之處在于它還涉及索引（X）寄存器。假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用索引尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中，如下所示：

索引尋址模式（來源：Max Maxfield）

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到此操作碼使用索引模式，然后將以下三個字節(jié)（在本示例中為$ 426）加載到內(nèi)部寄存器中。然后，CPU將此內(nèi)部寄存器的內(nèi)容添加到索引（X）寄存器的內(nèi)容中，并使用結(jié)果指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（在此示例中為$ F），并將其裝入Q寄存器。我們最終將PC指向地址$ 104，這是CPU期望在程序中找到下一個操作碼的位置。

與我們想象中的LDQ指令相反，假設(shè)我們的地址為$ 100的操作碼指示CPU使用索引尋址模式執(zhí)行無條件的JMP。在這種情況下，CPU最終將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置PC）以尋址549美元。

索引間接：此模式反映了索引模式和間接模式的一種可能組合。假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用索引間接尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中，如下所示：

索引間接尋址模式（來源：Max Maxfield）

假定程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到此操作碼使用索引間接模式，并將以下三個字節(jié)（在本示例中為$ 426）加載到內(nèi)部寄存器中。然后，CPU將此內(nèi)部寄存器的內(nèi)容添加到索引（X）寄存器的內(nèi)容中，以生成一個新地址。但是，在這種情況下，新地址不會直接指向數(shù)據(jù)，而是指向另一個3位地址的第一個地址，而這個第二地址用于指向?qū)⒁虞d到數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)。 Q寄存器。

與我們虛構(gòu)的LDQ指令相反，假設(shè)我們的地址為$ 100的操作碼指示CPU使用索引間接尋址模式執(zhí)行無條件JMP。在這種情況下，CPU最終將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置PC）以解決$ 738。

間接索引：此模式反映了索引模式和間接模式的替代組合。假設(shè)我們有一個名為Q的寄存器和一個稱為LDQ的指令，其目的是使用間接索引尋址模式將一小部分數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中，如下所示：

間接索引尋址模式（來源：Max Maxfield）

假定程序計數(shù)器（PC）從地址$ 100開始，CPU讀取操作碼，意識到此操作碼使用間接索引模式，并將以下三個字節(jié)（在本示例中為$ 426）加載到內(nèi)部寄存器中。該地址指向另一個3位地址的第一個地址，該地址本身被復(fù)制到內(nèi)部寄存器中。然后，CPU將第二個內(nèi)部寄存器的內(nèi)容添加到索引（X）寄存器的內(nèi)容中，以生成一個新地址，該地址指向?qū)⒁虞d到Q寄存器中的數(shù)據(jù)。

與我們想象中的LDQ指令相反，假設(shè)我們的地址為$ 100的操作碼指示CPU使用間接索引尋址模式執(zhí)行無條件的JMP。在這種情況下，CPU最終將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置PC）以尋址$ BD4。

自動遞增和自動遞減：除了上面討論的基本索引模式外，某些CPU還支持自動遞增和自動遞減版本，其中將索引寄存器的內(nèi)容添加到臨時寄存器中的地址之后，遞增或遞減索引寄存器。

實際上，由于增量/減量是在添加之后進行的，因此應(yīng)將這些模式更恰當?shù)胤Q為“自動后增量”和“自動后減量”。這是因為某些處理器還支持“預(yù)自動遞增”和“預(yù)自動遞減”，其中在將索引寄存器的內(nèi)容添加到臨時寄存器的地址之前，對索引寄存器進行遞增或遞減操作。

還要注意，自動遞增和自動遞減的所有四種形式都可以潛在地應(yīng)用于索引間接和間接索引模式。

我的天??！真的嗎？
我知道，當我們考慮上述所有可能的尋址模式時，有很多事情需要解決。不要驚慌！HRRG僅支持這些模式的子集，而這是最簡單的模式，即隱式，立即，絕對和索引模式。

另一方面，我們設(shè)計HRRG的方式意味著它有時在同一條指令中使用多種模式。我能說什么這是一個有趣的舊世界。

編輯：hfy