程序与程序计数器

复习

• 从寄存器到存储器：用地址、译码器和存储矩阵实现容量更大的存储器
• 一台会记事的小计算机：把运算器和存储器组装成能连续计算并保存结果的机器
• 指令系统基础：指令由操作码和操作数组成，可存入存储器

TL;DR

• 程序是一串按顺序执行的指令
• 程序计数器 PC 保存下一条指令的地址
• 顺序执行时 PC 加一，跳转时 PC 改成目标地址

正文

　　把上一章的那些命令，依次放进存储器：

　　这一串排好队的指令，就是程序（program）。

指向下一条指令

　　可是指令安静地躺在存储器里，谁来告诉机器“现在执行哪一条”？

　　这就需要一根手指。我们增加一个专用寄存器，叫作程序计数器（PC，Program Counter），专门保存“下一条要执行的指令的地址”。开机时把 PC 清成 0，机器就这样循环工作：

1. 按 PC 给出的地址取出指令
2. 把 PC 加一，指向下一条
3. 执行刚才取出的指令
4. 回到第 1 步

　　取完地址 0，PC 变成 1；取完地址 1，又变成 2。只要时钟继续，机器就会沿着程序一路自动走下去。这条“取指、执行、再取下一条”的循环，就是计算机最核心的心跳。

不总是往下走

　　顺序执行只能完成一条直路。可我们想要“如果结果为零就结束”，或者“没有算完就再来一轮”，这些都需要让程序能够改变行走的路线。

　　办法是允许指令修改 PC。例如一条“若 Z = 1，跳到地址 8”的指令：条件成立，就把 8 写进 PC；不成立，PC 就保持原来已经加一的值。

　　循环也不过如此——把 PC 改回一个较小的地址，程序就绕了回来。重复并不是指令天生会做的事，而是跳转把 PC 反复指回开头造成的。

　　还记得那些状态标志吗？它们在这里终于发挥作用：ALU 只负责产生 Z，而跳转指令负责根据 Z 选择下一条路。运算和判断，就此接上了。

谁完成这些小动作

　　PC 会指出地址，但“读取指令”“PC 加一”“执行”“写回”这些控制信号，仍然要有人发出。下一章，我们造出那个按时钟逐步发号施令的部件。

思考题 1

　　一个循环结束后，若机器忘了把 PC 改回循环开头，会发生什么？

思考题 2

　　“PC 加一”只是顺序取下一条指令的简化说法。如果一条指令占两个存储单元，PC 还应该只加一吗？

小结

知识点

• 程序是有顺序的一串指令
• PC 保存下一条指令地址
• 顺序执行、条件跳转与循环都通过改变 PC 实现

参考资料

1. Wikipedia(zh)：程序计数器：保存下一条指令地址的寄存器
2. Wikipedia(zh)：控制流：顺序、分支与循环的组织方式

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

　　PC 会继续指向循环之后的指令，循环只执行一次就离开了。这样本该重复的工作只剩下一遍，结果多半是错的。可见循环的正确性，依赖于每轮结束都把 PC 送回开头。

思考题 2

　　不应该。PC 要指向“下一条指令的地址”，所以应该加上“当前指令占用的单元数”，而不是固定加一。前面为了简单，假设每条指令只占一个单元，才写成加一。真实机器里，这个增量由指令长度决定。

协议

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设计师 | 南国微雪