A.3 存储器寻址

无论采用加载—存储体系结构，还是允许任意操作数访问存储器，都必须规定如何解释存储器地址，以及如何指定这些地址。这里给出的测量大多不依赖具体计算机，但并非完全如此。有些测量会明显受到编译技术的影响。考虑到编译技术的关键作用，这些测量都使用优化编译器。

存储器地址的解释

应当如何解释一个存储器地址？换言之，给定地址和长度，会访问什么对象？本书讨论的所有指令集都按字节寻址，并提供字节（8 位）、半字（16 位）和字（32 位）访问。大多数计算机还提供双字（64 位）访问。

对于较大对象内部的字节次序，有两种约定。小端序（Little Endian）将地址为“x…x000”的字节放在双字的最低有效位置，也就是“小端”。从最高有效位置到最低有效位置，字节编号为：

7  6  5  4  3  2  1  0

大端序（Big Endian）将地址为“x…x000”的字节放在双字的最高有效位置，也就是“大端”。字节编号为：

0  1  2  3  4  5  6  7

在同一台计算机内部，字节序通常不易察觉；只有同时以不同粒度（例如既按字又按字节）访问同一存储位置的程序，才能看出差异。然而，在不同字节序的计算机之间交换数据时，它就成为问题。比较字符串时，小端序也与字的通常排列次序不一致；字符串在寄存器里会呈现为“SDRAWKCAB”，即 BACKWARDS 的倒序。

第二个存储器问题是，许多计算机要求大于一个字节的对象访问必须对齐。在字节地址 $A$ 处访问大小为 $s$ 字节的对象，若 $A\bmod s=0$，就称该访问对齐。图 A.5 展示哪些地址上的访问是对齐或非对齐的。

为什么要在计算机中施加对齐限制？非对齐会增加硬件复杂性，因为存储器通常按字或双字的整数倍边界组织。因此，一次非对齐访存可能需要多次对齐访存才能完成。即使计算机允许非对齐访问，使用对齐访问的程序仍会执行得更快。

图内术语：Width of object＝对象宽度；Value of three low-order bits of byte address＝字节地址最低 3 位的值；Aligned＝对齐；Misaligned＝非对齐。byte、half word、word、double word 分别为字节、半字、字、双字。

即使数据已经对齐，支持字节、半字和字访问，也需要对齐网络，将它们在 64 位寄存器中对齐。例如，假定在图 A.5 中，从地址最低 3 位的值为 4 的位置读取一个字节，就需要右移 3 字节，将这个字节放到 64 位寄存器的适当位置。根据具体指令，计算机可能还需要对该数值进行符号扩展。存储操作比较容易：只需改变存储器中被寻址的那些字节。在某些计算机中，字节、半字或字操作不会影响寄存器的高位部分。本书讨论的计算机都允许按字节、半字和字访问存储器，但只有 IBM 360/370、Intel 80x86 和 VAX，支持对宽度小于整个寄存器的寄存器操作数执行 ALU 运算。

讨论了存储器地址的不同解释之后，接下来研究指令指定地址的方式，即寻址方式。

寻址方式

给定地址后，我们已经知道要访问存储器中的哪些字节。本小节考察体系结构如何指定待访问对象的地址。寻址方式不仅可以指定存储器位置，也可以指定常数和寄存器。使用存储器位置时，寻址方式所确定的实际地址称为有效地址。

图 A.6 列出近代计算机中出现过的全部数据寻址方式。立即数或字面量通常被视为存储器寻址方式，尽管所访问的值实际上位于指令流中；寄存器往往单独列出，因为它们通常没有存储器地址。我们将依赖程序计数器的方式单列，称为 PC 相对寻址。它主要用于在控制转移指令中指定代码地址，将在 A.6 节讨论。

图 A.6 使用寻址方式最常见的名称，尽管不同体系结构的名称可能不同。本图及全书采用 C 语言的一种扩展作为硬件描述记法。此图只有一个不属于 C 的特征：用左箭头 ← 表示赋值。我们还用数组 Mem 表示主存，用数组 Regs 表示寄存器。因此，Mem[Regs[R1]] 表示以寄存器 1（R1）内容为地址的存储单元中的内容。后面还将引入用于访问和传送不足一个字的数据的扩展。

寻址方式可以显著减少指令数，但也会增加计算机实现的复杂性，并可能提高实现这些方式的计算机的平均每条指令周期数（CPI）。因此，了解各种寻址方式的使用情况，对决定体系结构应包含哪些方式十分重要。

图 A.7 给出 VAX 体系结构上三个程序的寻址方式使用情况。本附录有少数测量采用较早的 VAX，因为它的寻址方式最丰富，对存储器寻址的限制也最少。例如，原书 A-9 页的图 A.6 展示了 VAX 支持的全部方式。不过，本附录大多数测量采用较新的寄存器—寄存器体系结构，以说明程序如何使用当代计算机的指令集。

图内术语：Memory indirect＝存储器间接；Scaled＝比例变址；Register indirect＝寄存器间接；Immediate＝立即数；Displacement＝位移；Frequency of the addressing mode＝寻址方式使用频率。各组三条柱依次为 TeX、spice、gcc。

如图 A.7 所示，位移寻址与立即数寻址占主导地位。下面考察这两种常用方式的一些性质。

位移寻址

采用位移寻址时，首要问题是实际使用的位移范围。了解各种位移长度的使用情况，才能决定支持哪些长度。位移字段的大小直接影响指令长度，因此这一选择很重要。图 A.8 展示在加载—存储体系结构上，使用我们的基准程序测量数据访问得到的结果。分支偏移将在 A.6 节讨论。数据访问模式与分支不同，将它们混合分析意义不大；不过在实际设计中，为简化实现，往往将立即数字段设为相同宽度。

图内术语：Percentage of displacement＝位移占比；Number of bits of displacement＝位移位数；Integer average＝整数程序平均值；Floating-point average＝浮点程序平均值。

立即数或字面量寻址

立即数可用于算术运算、比较（主要供分支使用），以及需要将常数放入寄存器的传送操作。最后一种情形包括代码中直接写出的常数（通常较小），以及地址常数（通常较大）。设计立即数支持时，需要知道所有操作是否都应支持立即数，还是只需部分操作支持。图 A.9 给出指令集中一般整数、浮点操作类别的立即数使用频率。

另一项重要测量是立即数的值域。与位移一样，立即数大小会影响指令长度。图 A.10 显示，小立即数使用最多；但也会用到大立即数，很可能主要用于地址计算。

图内术语：Loads＝加载；ALU operations＝ALU 操作；All instructions＝全部指令；Floating-point average＝浮点程序平均值，Integer average＝整数程序平均值。三组数值依次为浮点／整数 22%／23%、19%／25%、16%／21%。

小结：存储器寻址

首先，由于使用广泛，一种新的体系结构至少应支持位移、立即数和寄存器间接寻址。图 A.7 表明，这三种方式占测量中全部寻址方式的 75%–99%。其次，位移寻址的地址字段至少应有 12–16 位，因为图 A.8 的图注表明，这些长度能覆盖 75%–99% 的位移。最后，立即数字段至少应有 8–16 位。这一说法未得到所引用图注的支持。

图内术语：Percentage of immediates＝立即数占比；Number of bits needed for immediate＝立即数所需位数；Floating-point average＝浮点程序平均值；Integer average＝整数程序平均值。

讨论了指令集类别并选定寄存器—寄存器体系结构，又给出数据寻址方式的建议之后，下一节将讨论数据的大小与含义。