我們已經(jīng)到了需要為 4 位 HRRG 計算機定義匯編語言的地步，但首先我們需要考慮某些概念。

如今，我們習(xí)慣于使用 C/C++、Java、Python 等高級語言對我們的計算機和微控制器進行編程，但生活并不總是那么容易。第一批計算機程序員用機器代碼（處理器本身使用的數(shù)值）捕獲他們的程序。由于這太痛苦了，他們很快將抽象階梯向上移動到匯編語言。

另請參閱此索引，其中列出了構(gòu)成我們的 4 位 HRRG 計算機項目的所有文章，以及一些有趣的相關(guān)專欄。

我們必須做的一件事是為我們的 4 位 HRRG 計算機定義這樣一種匯編語言，但在我們滿懷熱情地投入戰(zhàn)斗之前，我們需要先介紹幾個概念。

Big-endian 與 little-endian
當現(xiàn)實世界的計算機使用多個字節(jié)來表示數(shù)據(jù)值或內(nèi)存地址時，將這些字節(jié)存儲在內(nèi)存中的主要技術(shù)有兩種：要么將最高有效字節(jié) (MSB) 存儲在具有最低地址的位置，在這種情況下，我們可以說它是“大端優(yōu)先”存儲的，或者最低有效字節(jié) (LSB) 存儲在最低地址中，在這種情況下，我們可以說它是“小端優(yōu)先”存儲的以終為先。”

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-nybble）數(shù)據(jù)總線和 12 位（3-nybble）地址總線，通過可視化我們?nèi)绾卧趦?nèi)存中存儲 3-nybble 值 $426 開始在內(nèi)存位置 $100 如下圖所示：

HRRG 采用大端方法。當然，您可能不會對此感到驚訝——由于各種超出這些討論范圍的技術(shù)原因——一些計算機設(shè)計師偏愛一種風(fēng)格，而另一些則采取相反的策略。直到人們開始對創(chuàng)建異構(gòu)計算環(huán)境產(chǎn)生興趣，在該環(huán)境中將多臺不同的機器連接在一起以便文件可以在它們之間傳輸，這才真正重要，在這一點上，許多激烈的爭接踵而至。

1980 年，丹尼·科恩 (Danny Cohen) 撰寫的一篇著名論文《論圣戰(zhàn)與和平懇求》使用術(shù)語big-endian和little-endian來指代存儲數(shù)據(jù)的兩種技術(shù)。這些至今仍在使用的術(shù)語源自盎格魯-愛爾蘭諷刺作家喬納森·斯威夫特所著的《格列佛游記》一書。little-endian 和 big-endian 的綽號來自這個故事的一部分，即兩個國家就應(yīng)該先吃煮雞蛋的哪一端——小端還是大端——而發(fā)生戰(zhàn)爭！

如果你想知道的偶然機會，斯威夫特在 1726 年寫下了他的偉大作品，那是在發(fā)明臺球桿之前的 9 年（在此之前，球員過去常常用小釘頭錘擊球）。

尋址模式
術(shù)語尋址模式是指指定指令操作數(shù)的方式。這些小流氓有無數(shù)不同的名稱和口味，因此以下內(nèi)容應(yīng)視為僅代表一個概述。

出于這些討論的目的，我們將假設(shè) HRRG 型架構(gòu)具有 4 位（1-nybble）數(shù)據(jù)總線和 12 位（3-nybble）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，僅用于這些審議。

隱含（又名隱含）：在隱含（有時稱為隱含）尋址模式的情況下，目標是由指令本身隱含的。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，其目的是增加（加 1 到）寄存器 Q 的內(nèi)容。在這種情況下，我們將只有一個沒有操作數(shù)的 INCQ 操作碼，如圖所示以下：

假設(shè)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 期望在程序中找到下一個操作碼的地方。

立即：在立即尋址模式的情況下，數(shù)據(jù)立即出現(xiàn)在操作碼之后。例如，假設(shè)我們有一個名為 Q 的寄存器和一個名為 LDQ 的指令，其目的是使用立即尋址模式將 nybble 數(shù)據(jù)加載到寄存器 Q 中，如下所示：

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址 $100 開始，CPU 讀取操作碼，實現(xiàn)此操作碼使用立即模式，并將數(shù)據(jù) nybble（本例中為 $F）加載到 Q 寄存器中。我們最終將 PC 指向地址 $102，這是 CPU 期望在程序中找到下一個操作碼的地方。

相對：在相對尋址模式的情況下，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有符號二進制數(shù)。

假設(shè)我們的偏移量表示為 2-nybble 值。由于 2-nybble 字段可以表示 -128 到 +127 范圍內(nèi)的有符號數(shù)，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 個位置之間的某個內(nèi)存位置。當前 PC 值（即更高的內(nèi)存地址）。

純粹出于與此處所示其他示例相關(guān)的示例的考慮，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個nyble數(shù)據(jù)加載到寄存器Q中（雖然我們使用的是相同的助記符，但該LDQ的操作碼與我們在上一個示例中討論的LDQ指令不同）。此外，假設(shè)偏移值為$08（十進制+8），如下所示：

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址$100開始，CPU讀取操作碼，實現(xiàn)其使用相對模式，并將包含偏移值的以下兩個nyble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)nyble的位置。最后，它將該數(shù)據(jù)值（本例中為F）加載到Q寄存器中。最后，PC指向地址$103，CPU期望在該地址找到程序中的下一個操作碼。

純粹出于完整性考慮，讓我們考慮第二個相對尋址示例，其中偏移值為$F8（十進制中為-8），如下所示：

具有負偏移值的相對尋址模式。（來源：Max Maxfield）

需要注意的是，除了如上所示的數(shù)據(jù)操作指令外，還可以使用相對尋址來執(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，正如我們在之前的專欄中所討論的，6502 微處理器有一個 8 位數(shù)據(jù)總線和一個 16 位地址總線。在其 JMP（“無條件跳轉(zhuǎn)”）指令的情況下，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 還支持一套使用 8 位（1 字節(jié)）相對地址的分支指令。正如我在該專欄中指出的那樣：

程序往往會進行大量跳轉(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)地址可能會顯著節(jié)省空間和時間速度、處理器周期和內(nèi)存位置。

Zilog Z80 微處理器不支持相對尋址，您必須使用 Intel 8086 才能更好地查看使用相對尋址模式的“短跳轉(zhuǎn)”指令。

最后一點，我們在上面的討論中多次使用短語“PC 中的當前值”來說明要添加偏移量的值。當“迫在眉睫”時，我們使用了 103 美元的值，這是下一個操作碼的地址。為什么我們使用這個值？使用 $100（原始操作碼的地址）或 $102（偏移量中第二個 nybble 的地址）不是更有意義嗎？

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)行我們想象的 LDQ 指令。現(xiàn)在考慮如果偏移值為 0 美元會發(fā)生什么。如果偏移量是從 $100 處的分支指令操作碼的地址開始的，那么如果執(zhí)行分支，$0 的偏移量將導(dǎo)致無限循環(huán)?；蛘?，如果偏移量來自地址 $102 處操作數(shù)的第二個 nybble，那么 $0 的偏移量會導(dǎo)致 CPU 將操作數(shù)的第二個 nybble 誤解為操作碼。歸根結(jié)底，如果偏移量為 0 美元，那么在我們的原始指令之后立即分支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”。

只是為了確認這一切，因為它在我能看到的任何地方都沒有得到很好的記錄，所以我請我的新朋友，基于 6502 的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的創(chuàng)建者 Nick Bild提供經(jīng)驗證明。為此，Nick 創(chuàng)建了如下所示的小型 6502 匯編程序：

6502 組裝程序（來源：Nick Bild）

請記住，6502 有一個 8 位數(shù)據(jù)總線和一個 16 位地址總線。觀察地址 $0004 處的 BNE（“如果不相等則分支”）指令。如果滿足分支條件，則該指令將分支到地址 $0008 處的 JUMPHERE 標簽?，F(xiàn)在觀察匯編程序生成并存儲在地址 $0005 中的偏移值是 $02。當然，$0008 – $02 = $0006，也就是 LDY（“加載索引寄存器 Y”）指令的地址；也就是說，緊跟在 BNE 指令之后的操作碼。量子點

絕對（又名直接）：在絕對（有時稱為直接）尋址模式的情況下，目標地址立即出現(xiàn)在操作碼之后。例如，假設(shè)我們有一個名為 Q 的寄存器和一個名為 LDQ 的指令，其目的是使用絕對尋址模式將 nybble 數(shù)據(jù)加載到寄存器 Q 中，如下所示（再一次，雖然我們使用相同的助記符，但這個 LDQ與我們在前面的例子中討論的 LDQ 指令有不同的操作碼）：

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址 $100 開始，CPU 讀取操作碼，實現(xiàn)此操作碼使用絕對模式，并將以下三個半字節(jié)（本例中為 $426）加載到內(nèi)部寄存器中。然后 CPU 使用這個內(nèi)部寄存器的內(nèi)容來指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù) nybble（在這個例子中是 $F），它加載到 Q 寄存器中。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地方。

與我們想象的 LDQ 指令相反，假設(shè)地址 $100 處的操作碼指示 CPU 使用絕對尋址模式執(zhí)行無條件 JMP。在這種情況下，CPU 將跳轉(zhuǎn)（設(shè)置 PC）到地址 $426。

間接：這是事情開始變得有趣的地方。假設(shè)我們有一個名為 Q 的寄存器和一個名為 LDQ 的指令，其目的是使用如下所示的間接尋址模式將 nybble 數(shù)據(jù)加載到寄存器 Q 中：

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

與我們想象的 LDQ 指令相反，假設(shè)地址 $100 處的操作碼指示 CPU 使用間接尋址模式執(zhí)行無條件 JMP。在這種情況下，CPU 最終會跳轉(zhuǎn)（設(shè)置 PC）到地址 $971。

索引（又名絕對索引）：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 的寄存器和一個名為 LDQ 的指令，其目的是使用索引尋址模式將 nybble 數(shù)據(jù)加載到寄存器 Q 中，如下所示：

假設(shè)程序計數(shù)器 (PC) 從地址 $100 開始，CPU 讀取操作碼，實現(xiàn)此操作碼使用索引模式，并將以下三個半字節(jié)（本例中為 $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) nybble（本例中為 $F），然后將其加載到 Q 寄存器中。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地方。

與我們想象的 LDQ 指令相反，假設(shè)地址 $100 處的操作碼指示 CPU 使用索引尋址模式執(zhí)行無條件 JMP。在這種情況下，CPU 最終會跳轉(zhuǎn)（設(shè)置 PC）到 549 美元的地址。

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

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址 $100 開始，CPU 讀取操作碼，實現(xiàn)此操作碼使用索引間接模式，并將以下三個半字節(jié)（本例中為 $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)容中以生成新地址。然而，在這種情況下，新地址并不直接指向數(shù)據(jù)，而是指向另一個 3 nybble 地址的第一個 nybble，而第二個地址用于指向?qū)⒁虞d到Q 寄存器。

與我們想象的 LDQ 指令相反，假設(shè)地址 $100 處的操作碼指示 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 最終會跳轉(zhuǎn)（設(shè)置 PC）到 738 美元的地址。

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 的寄存器和一個名為 LDQ 的指令，其目的是使用間接索引尋址模式將 nybble 數(shù)據(jù)加載到寄存器 Q 中，如下所示：

假設(shè)程序計數(shù)器（PC）從地址 $100 開始，CPU 讀取操作碼，實現(xiàn)此操作碼使用間接索引模式，并將以下三個半字節(jié)（本例中為 $426）加載到內(nèi)部寄存器中。該地址指向另一個 3 nybble 地址的第一個 nybble，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)⒓虞d到 Q 寄存器中的數(shù)據(jù)。

與我們想象的 LDQ 指令相反，假設(shè)地址 $100 處的操作碼指示 CPU 使用間接索引尋址模式執(zhí)行無條件 JMP。在這種情況下，CPU 最終會跳轉(zhuǎn)（設(shè)置 PC）到地址 $BD4。

Autoincrement 和 Autodecrement：除了上面討論的基本索引模式之外，一些 CPU 還支持 autoincrement 和 autodecrement 版本，其中索引寄存器在其內(nèi)容添加到臨時寄存器中的地址后遞增或遞減。

事實上，由于增量/減量發(fā)生在加法之后，這些模式應(yīng)該更恰當?shù)胤Q為“后自動增量”和“后自動減量”。這是因為一些處理器還支持“pre-autoincrement”和“pre-autodecrement”，其中索引寄存器在其內(nèi)容添加到臨時寄存器中的地址之前遞增或遞減。

另請注意，所有四種自動增量和自動減量都可以潛在地應(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面討論的所有可能的尋址模式時，有很多事情需要考慮。不要恐慌！HRRG 僅支持這些模式的一個子集，以及最簡單的模式——即隱含、立即、絕對和索引模式。

另一方面，我們構(gòu)建 HRRG 的方式意味著它有時會在同一指令中使用多種模式。我能說什么？這是一個有趣的舊世界。

在我的下一篇專欄中，我們將開始匯總我們在寄存器和指令集專欄、指令集權(quán)衡專欄以及本專欄中介紹的所有內(nèi)容，以描述 HRRG 的匯編語言和匯編程序?qū)嵱贸绦颉Ｔ诖酥?，我一如既往地歡迎您提出意見、問題和建議。

審核編輯 黃昊宇