3、微处理器内存寻址与缓存机制详解

微处理器内存寻址与缓存机制详解

1. 内存寻址与寻址模式

在讨论内存寻址时，我们会涉及到千字节（kilobytes）和兆字节（megabytes），分别对应 $2^{10}$ 字节和 $2^{20}$ 字节。虽然存在 4GB 的地址空间，但大多数嵌入式系统，即便配备 32 位处理器，其内存量通常要小得多，一般在几千字节到几兆字节之间。若总是使用 32 位地址，效率会很低，因为每次内存访问都要加载操作码和完整的 32 位地址。因此，除了使用全地址总线宽度的远寻址（far addressing）外，所有处理器都提供了一系列寻址模式。

为了便于解释寻址类型，我们以一个虚构的 16 位处理器为例。该处理器拥有 64KB 的程序内存（闪存）和 64KB 的数据内存（RAM），还有 8 个数据寄存器 R0 - R7 和 8 个地址寄存器 A0 - A7。每个时钟周期，CPU 从程序内存读取一个字（16 位）。

1.1 数据访问的重要寻址模式

以下是几种重要的数据访问寻址模式，具体指令如表 1 所示：
| 助记符 | 描述 | 周期 | 内存需求 |
| — | — | — | — |
| LOAD Rd,Adr16 | 从数据内存地址 Adr16 读取一个字并写入 Rd
Rd ←[Adr16]
Rd = 目标寄存器 R0..R7
Adr16 = 16 位地址
操作码: 0100 1ddd 0111 0000 | 2 | 2 字节操作码 + 2 字节地址 = 4 字节 |
| LOAD R0,Adr12 | 从数据内存地址 Adr12 读取一个字并写入 R0
R0 ←[0x0FFF