程序计数器和指令寄存器

Question

程序计数器存储下一条要执行的指令的地址，而指令寄存器则存储要执行的实际指令。它们两个都必须有吗？

那么这些寄存器的长度是多少？

谢谢。

- Benyamin Noori

Answer 1

你需要同时使用程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器保存下一个要执行的指令地址，而指令寄存器则保存编码后的指令。当获取了指令后，程序计数器会增加一个地址值（到下一条指令的位置）。然后对指令进行解码并适当地执行。

需要同时使用这两者的原因是：如果只有程序计数器并用于两个目的，你将得到以下麻烦的系统：

[程序开始执行]

1. PC 包含 0x00000000（假设这是内存中程序的起始地址） 2. 编码后的指令从内存中提取并放入 PC 中。 3. 对指令进行解码和执行。 4. 现在该移动到下一条指令了，所以我们回到 PC 上查看下一条指令的地址。但问题是，PC 的上一个地址已经丢失，因此我们不知道下一条指令在哪里。

因此，我们需要另一个寄存器来保存从内存中提取出的实际指令。一旦获取了该内存，我们就会增加 PC，以便知道从哪里获取下一条指令。

P.S. 寄存器的宽度取决于体系结构的字长。例如，对于32位处理器，字长为32位。因此，CPU 上的寄存器为32位。指令寄存器在尺寸上也没有区别。差异在于行为和解释方式。指令以各种形式进行编码，但它们仍占据32位的寄存器。例如，来自Altera的Nios II处理器包含三种不同的指令类型，每种都以不同的方式进行编码。参见ftp：// ftp.altera.com / up / pub / Tutorials / DE2 / Computer_Organization / tut_nios2_introduction.pdf 第6页。

你还可以从上面的链接了解有关 Nios II 处理器结构的更多信息。它是一个简单的 IP CPU。当然，Intel 有他们自己的规格设计，具体情况会有所不同。

- Haleeq Usman

Answer 2

正如您所述，程序计数器(PC)保存下一条要执行的指令地址，而指令寄存器(IR)则存储要执行的实际指令（但不包括其地址）。

关于这些寄存器的长度，当前机器的PC为64位。从逻辑角度来看，IR的长度取决于体系结构：

- RISC机器通常具有固定长度的指令。例如，大多数SPARC指令以32位格式编码。 - CISC机器（Intel，AMD）具有可变长度的指令。例如，请参见Intel® 64和IA-32架构软件开发人员手册 由于这些机器能够每个周期获取、解码和执行多条指令，因此IR的物理实现不容易用几行描述清楚。

- chus

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更准确地说，现代超标量（尤其是OOO）CPU中的代码获取是以大块发生的，因此实际上并没有真正的物理“指令寄存器”。我从未听说过这个术语，即使在详细描述x86 CPU内部工作原理的文档中也没有提到它。除非你真的在设计（简单的）硬件，否则它可能不是了解CPU工作原理的有用术语。 - Peter Cordes

更新：我之前在 x86寄存器：MBR/MDR和指令寄存器 上写了一个答案，解释了为什么x86没有“指令寄存器”——对于需要复杂解码的可变指令长度ISA来说，这是没有意义的。 - Peter Cordes