关于程序计数器和指令缓存？

Question

3.10这一课的图片讲解中，提到了程序计数器存储着下一条指令的地址，然后这个地址对应的指令会传到指令寄存器中，这个可以理解。但是我理解指令缓存也就是高速缓存，程序计数器中的地址也就代表着下一条指令所代表的地址，然后去高速缓存或者主存中获取指令。那么两个问题

1. 程序计数器是如何知道下一条指令存在了哪个地址呢？还是说新的要执行的指令是依次存放在某个固定的内存位置，计数器只需要依次往后查看就可以了？
2. 按道理大部分情况下，程序计数器只做地址+1，那计数器中的位数应该是有限的吧，达到这个最大值之后会怎么样？

Answer 1

从零开始的工程师 2020-01-15 00:34:53

以C语言举例，C语言编译时，会把汇编后生成的汇编代码和一份runtime(运行时)汇编代码链接在一起。runtime代码的工作，就是指定程序的入口地址(_main)和退出地址以及一系列的初始化操作。最终组成可执行文件

执行可执行文件时，操作系统会把可执行文件的内容加载到一片连续内存里去，然后跳转到该内存中代码段的第一条指令执行，即runtime代码的第一条机器指令。而这个跳转操作一般就是直接给程序计数器赋对应的地址值。然后就开始往下走了，每一个指令周期，指令计数器进行自增(除非遇到跳转、返回等写程序计数器的操作)。一般不会存在程序计数器自增到内存末尾还没跳转的，如果有，那就是编的代码有问题，而且当程序计数器存的地址是不可访问的内存地址时，应该会发生取指令异常中断，程序会跳到中断里去执行，不会继续。

如果一切无异常，则程序最后运行完毕，会返回到runtime代码，做一些资源回收的操作，并结束进程。

以前学单片机时有过一些模糊的概念，若以上内容有不正确的地方，欢迎指出。

Answer 2

咚咚呛 2019-12-19 22:54:45

思考得挺细的，点赞。

程序在真正执行计算的时候，程序逻辑是加载到一片连续的内存的，这里用数据结构里面的列表来举一个例子：有int list[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，这个list就拥有连续一片的内存，大小为4Byte*10，list的首地址就是数据0的地址。而list的地址+1就是数据1的地址。（C语言）

第一个问题，需要执行的指令存放在连续的一片内存，只要知道给出首条指令的地址，就可以根据偏移知道后面的指令地址。

第二个问题，这里的加1应该理解为地址偏移+1而不是执行的指令数+1，就好比上面的例子，如果我需要读取5这个值，那么我可以通过list的地址+5，就来到数字5的地址，从而把它读取出来，当跳出这段逻辑的时候，+1的偏移操作，又会发生在新的一片内存。

这里的细节可能在理解C、C++语言的指针偏移等知识会比较好理解一些，不过也没关系，了解到这个程度已经很好了。希望对你有所帮助。

• 提问者 烈焰卡卡 #1

  老师我还是有一点疑问，第二个问题，地址偏移+1这个理解，就是地址位加1从5移到6这个地址，但是如果运行完9再+1，这时候怎么办？这时候下一个位置内存不一定存储的是指令，这时候该如何移到新的连续内存？
  对应第一个问题，新生成的指令是如何知道该存到当前这个连续内存存储到list中的哪个地址？还是每一组新的指令都开一片连续内存？这样的话是如何告知程序计数器该在何时转移来执行新的指令？

• 咚咚呛 回复 提问者 烈焰卡卡 #2

  在计算机底层会有JMP这种指令，表示跳跃的意思，可以从一个地方跳到另外一个地方。程序指令是保存在物理内存的，当需要被执行时都会加载到CPU的缓存里面。