程序计数器（PC）是什么？

程序计数器（PC）详解

程序计数器（Program Counter, PC） 是CPU中的一个关键寄存器，用于存储下一条待执行指令的内存地址。它控制程序的执行流程，是计算机实现“顺序+跳转”执行逻辑的核心部件。

🔍 PC 的核心作用

指向下一条指令
- PC 保存当前指令结束后，CPU 要执行的下一条指令的地址（如 0x00400000）。
- CPU 按 PC → PC+4 → PC+8（假设指令长度4字节）的顺序自动递增，实现顺序执行。

支持程序跳转

遇到分支（if）、循环（for）或函数调用（call）时，PC 会被修改为目标地址，改变执行流。

示例：

JMP 0x00400020  ; 直接修改PC的值，跳转到指定地址。
BEQ $t0, $t1, label  ; 条件：如果寄存器 $t0 的值 = 寄存器 $t1 的值，PC = label地址。

⚙️ PC 的硬件实现

1. 物理结构

宽度：与CPU的地址总线位数一致（如32位系统的PC是32位，可寻址4GB内存）。
更新时机：每个时钟周期结束时（或在取指阶段开始时）。

2. 与其他组件的关系

组件	与PC的交互
指令存储器	CPU 根据PC的值，从内存或缓存中读取指令（如 `lw $t0, (PC)`）。
ALU	计算跳转目标地址（如 `PC = PC + 4 + (offset << 2)`）。
控制单元	检测分支指令，决定是否更新PC（如 `BEQ` 指令比较寄存器后修改PC）。

🔄 PC 的工作流程（以MIPS为例）

取指阶段（Fetch）
- CPU 从 PC 指向的地址读取指令（如 0x00400000 处的 ADD $t0, $t1, $t2）。
PC 更新
- 默认情况：PC = PC + 4（指向下一条指令）。
- 遇到跳转：PC = 目标地址（如 JMP 0x00400020）。
流水线影响
- 在5级流水线中，PC 的更新需考虑分支延迟槽或分支预测错误恢复。

📌 关键特性

非程序员直接可见
- 在高级语言（如C）中无法直接操作PC，但通过 goto、函数调用 或 异常 间接影响它。
- 汇编语言中可通过 JMP、CALL 等指令控制PC。
异常与中断处理
- 发生中断时，CPU 会将当前PC保存到栈或特定寄存器（如 $epc），以便异常处理后恢复执行。
多线程环境
- 每个线程有独立的PC，线程切换时需保存/恢复PC值（上下文切换）。

🌰 实例分析

1. 顺序执行

0x00400000: ADD $t0, $t1, $t2  ; PC = 0x00400000
0x00400004: SUB $t3, $t0, $t4  ; PC = 0x00400004（自动+4）
0x00400008: LW $t5, 0($t3)     ; PC = 0x00400008

2. 分支跳转

0x00400000: BEQ $t0, $t1, label  ; 若$t0 == $t1，PC = label地址
0x00400004: ADD $t2, $t3, $t4    ; 延迟槽指令（必执行）
label:
0x00400020: OR $t5, $t6, $t7     ; 跳转目标