1. 什么是程序计数器

程序计数器：Program Counter（PC），Instruction Pointer（IP），是一个特殊的寄存器（register），用来存放 CPU 下一个将要执行指令的内存地址(Memory Address),注意它的功能是用来取得程序执行指令内存地址，并不是数据内存地址。

一般情况下，当系统重启后，PC 置为0，然后随着系统进程的运行，不断的开始计数。具体的，以一个系统进程为例，PC 开始初始化为0，（我们知道一个指令如果太长的话就会将它切为几段来放置在内存中）。

  • 开始 CPU 获取了 PC=0000H 这个内存地址的指令，同时 PC++，即存储下一条指令的地址。注意，我们唐常说的 PC 加1，其实是让 PC 增加为下一条指令的地址，并不是这个 PC 当前的地址加1，比如一个内存单元占用4个位，0x04，则如果当前 PC=0x40060， 则PC++ 意味着 0x40064
  • 判断机制判断此时这个指令知否完整
    • 若是不完整，则获取 PC 当前指向的内存地址的指令，且让 PC 加1（意味着 PC指向下一个内存地址），直到判断指令已经完整了。
    • 如果指令已经完整了，则对指令解码，
      • 如果指令中有要跳转的语句或分支、子程序，如条件句，函数，（如果是函数，需要保存当前PC 的状态，等函数运行结束后返回这个 PC状态），准备工作做完后则立刻设定 PC 为下一个要跳转过去的指令内存地址，接下来继续Fetch 后续的步骤。
      • 如果没有跳转的指令，意味着程序将会继续顺序执行，那么 CPU 将获取当前的 PC 指向的内存指令，并将 PC++。
  • 当一个指令（或许由好几个内存地址才能存下）完整获取后，PC 将进行下一步动作 或许继续加一获取 或许跳转到其他地址。

这样看来，由于程序指令是有顺序的，一般从上向下执行，遇到特殊指令会变化，则程序计数器一般总是加1让 CPU 获取顺序化的下一条指令；当有特殊指令，PC 会立刻变化，CPU 按照 PC 的变化后的内容获取指令。

2. 些许想法

  • 32位系统的最大内存地址是 232位，4G，其中部分给数据内存，部分给指令内存，由此即便有8G 的物理内存，4G 之外的不能被访问到。
  • CPU 对数据内存和指令内存 中数据和指令的获取方式不一样
    数据和指令都存在内存中，但是存储的区域不一样，访问的方式也不一样。数据内存的地址总是开始于某个地址，指令内存的地址总是开始于另一个地址，且不会有交集；另外，数据内存中的数据必须经过寄存器再到算数逻辑单元 ALU，指令内存中的指令可以直接倒 ALU 解码。

3. 参考

https://www.quora.com/What-is-the-difference-between-program-and-data-memory
https://stackoverflow.com/questions/10876372/difference-between-memory-address-registermar-and-program-counterpc
https://www.youtube.com/watch?v=ccf9ngGIb8c&t=333s
https://en.wikipedia.org/wiki/Program_counter
https://en.wikibooks.org/wiki/Microprocessor_Design/Program_Counter
https://www.quora.com/What-is-program-counter-and-its-role
https://blog.csdn.net/abcjennifer/article/details/5529647
http://p8gbnxign.bkt.clouddn.com/ProgramCounter.pdf