程序与程序计数器

复习

第二十六、二十八章：了解了寄存器和时序逻辑电路
第三十五章：了解了指令是什么、有哪些类型

TL;DR

程序就是一串按顺序排列的指令
程序计数器（PC）记住“下一条指令的地址“：顺序执行靠它自增，跳转靠改它
PC 用“寄存器 + 加法器 + 多路选择器“就能搭出来
取回指令后，由指令译码器把机器码翻译成控制信号

正文

从一条指令到一个程序

　　第三十五章里，我们看的是“一条“指令。但现实任务几乎没有一条指令就能干完的——就像做菜不可能只有一个动作。

　　把一串指令按先后顺序排好，让计算机依次执行，这就是程序（Program）。

谁来记住下一条

　　问题来了：计算机执行完一条指令，怎么知道下一条在哪里？

　　靠一个专门的寄存器——程序计数器（PC，Program Counter）。它保存着“下一条要执行的指令“在内存中的地址。每执行完一条，PC 就自动加上这条指令的长度，指向下一条。

　　所以，“顺序执行“的硬件实现其实特别简单：取指时按 PC 的地址去取，取完让 PC 加上一个固定值。

拐弯：跳转

　　如果程序永远只能顺着往下走，那它连 if 和循环都写不了。好在，只要修改 PC 的值，就能让程序“跳“到别处。

CMP R1, #0     ; 比较 R1 和 0，设置标志位
BEQ ZERO       ; 若相等，把 PC 改成 ZERO 的地址
ADD R2, R1, #1 ; 否则继续往下
JMP NEXT
ZERO:
MOV R2, #0     ; R1 为 0 时执行这里
NEXT:

　　BEQ（Branch if Equal）会根据标志位决定要不要改 PC：条件成立就跳，不成立就照常往下。JMP 则是无条件改 PC。

一个完整的程序

　　来写一个小程序：计算 1 到 N 的和。

    MOV R1, #5     ; N = 5
    MOV R2, #0     ; sum = 0
    MOV R3, #1     ; i = 1
LOOP:
    CMP R3, R1     ; 比较 i 和 N
    BGT END        ; 若 i > N，跳出循环
    ADD R2, R2, R3 ; sum = sum + i
    ADD R3, R3, #1 ; i = i + 1
    JMP LOOP       ; 回到循环开头
END:
    ; 此时 R2 里就是 1+2+3+4+5 = 15

　　注意 JMP LOOP——它把 PC 改回循环开头的地址，于是这几条指令被反复执行，直到条件不满足。循环，本质上就是“往回跳“。

　　无论程序多复杂，拆开来都逃不出三种结构：顺序、选择（if）、循环（while、for）。它们全都靠“条件跳转“实现，这正是结构化编程的基石。

把 PC 造出来

　　PC 听起来玄乎，其实用我们手里的零件就能搭：一个寄存器存当前地址，一个加法器专门做“加 4“（32 位系统里一条指令占 4 字节），一个多路选择器决定下一个地址从哪来。

   +--------+       +----------+
   | 加法器  | <---- | 常数 +4   |
   +--------+       +----------+
        |
        v
   +--------+       +----------+
   |   PC   | <---- | 多路选择器 |
   +--------+       +----------+
                        ^
                        |
                   跳转目标地址

正常执行：多路选择器选“PC + 4“，PC 就指向下一条
遇到跳转：多路选择器改选“跳转目标地址“，PC 被直接改写

　　就这么点东西，却撑起了整个程序的“顺序“。

取指令与译码

　　有了 PC，取指令的流程就很自然了：

把 PC 的值送到存储器当地址
存储器把那个地址里的内容吐出来，这就是一条指令
指令送进指令寄存器（IR）
PC 加上 4，为取下一条做准备

　　可取回来的指令，对 CPU 来说只是一串 0 和 1，比如 0001 0010 0011。它怎么知道这是“加法“还是“跳转“？

　　这就要靠指令译码器（Decoder）：它把操作码翻译成一组具体的控制信号——让 ALU 做什么运算、读哪几个寄存器、结果写回哪里、PC 要不要跳转。

　　还记得第十八章造 ALU 时，用一个译码器把操作码翻译成“选中哪一种运算“吗？指令译码是同样的套路，只不过被翻译的东西，从“一个运算“变成了“一整套动作“。

　　于是，一条指令的执行被拆成清晰的几步：取指 → 译码 → 执行 → 写回。这也是后面流水线的基础。

思考题

　　上面算 1 到 N 和的程序，如果还想顺便算出平均值（和 ÷ N），应该怎么改？注意 N 在循环里已经被改动过了。

　　另外想一想：如果 PC 只会无脑加 4，它怎么处理长度不固定的指令？

小结

知识点

程序是指令的有序序列
程序计数器（PC）：顺序执行与跳转
顺序、选择、循环三种基本结构
PC 的硬件构成
取指令与指令译码器

参考资料

Wikipedia(zh)：程序计数器：程序计数器的基本概念
Wikipedia(zh)：指令译码器：指令译码的基本原理
Wikipedia(zh)：结构化编程：结构化编程的原理

思考题答案（仅供参考）

循环结束后 R3 已经变成 N+1，要先把它减回 N，再做除法：

    SUB R3, R3, #1   ; R3 = N
    DIV R4, R2, R3   ; R4 = sum / N，即平均值

　　这也提醒我们：使用寄存器时，要留意它是否被前面的指令改动过。

变长指令的 PC 不能无脑加 4，而要加“当前这条指令的实际长度“。译码阶段顺便算出指令长度，再让 PC 加上它。定长指令之所以受欢迎，就是因为 PC 更新特别简单、流水线也好设计。

协议

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设计师 | 南国微雪

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