1.4　條件分支和循環(huán)的原理

程序的流程分為順序執(zhí)行、條件分支和循環(huán)三種。順序執(zhí)行就是按照地址的數(shù)值順序執(zhí)行指令。條件分支就是按照條件執(zhí)行任意地址的指令。循環(huán)就是重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令。在順序執(zhí)行中，只要將程序計數(shù)器的值每次加1就可以了，但如果程序中存在條件分支和循環(huán)，機器語言的指令就可以將程序計數(shù)器的值設(shè)置為任意地址（不是不不1的值）。通過這樣的方式，程序就可以返回之前的地址重復(fù)執(zhí)行指令，或者跳轉(zhuǎn)到任意地址從而實現(xiàn)分支。在這里，我們會展示一個條件分支的具體示例，循環(huán)也是以同樣的原理通過設(shè)置程序計數(shù)器的值來實現(xiàn)的。

圖1-5展示了內(nèi)存中的一段程序，這段程序的功能是將內(nèi)存中的值（這里是123）的絕對值輸出到屏幕上。程序運行的起始位置是地址0100。隨著程序計數(shù)器的值增加，程序執(zhí)行到地址0102，此時如果累加器的值是正數(shù)，則會執(zhí)行一條跳轉(zhuǎn)到地址0104的指令（跳轉(zhuǎn)指令）。由于此時累加器的值123是一個正數(shù)，所以地址0103的指令會被跳過，程序流程直接跳轉(zhuǎn)到了地址0104。“跳轉(zhuǎn)到地址0104”這條指令，實際上就是間接地執(zhí)行了“將程序計數(shù)器的值設(shè)為地址0104”的操作。

圖1-5　條件分支的程序示例（顯示絕對值）

條件分支中所使用的跳轉(zhuǎn)指令需要根據(jù)前一條指令的運算結(jié)果來判斷是否進行跳轉(zhuǎn)。在表1-1所列出的CPU寄存器中，有一個標(biāo)志寄存器。標(biāo)志寄存器會根據(jù)上次運算的結(jié)果，保存累加器和通用寄存器的值，無論值是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會將其保存（也會保存溢出和奇偶校驗的結(jié)果）。

CPU在每次讀取數(shù)據(jù)或進行運算后，都會根據(jù)結(jié)果自動設(shè)置標(biāo)志寄存器的值。在條件分支中，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令之前會進行比較運算，CPU會根據(jù)標(biāo)志寄存器的值來判斷是否執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令。運算結(jié)果的正、零、負(fù)3種狀態(tài)分別由標(biāo)志寄存器中的3個比特來表示。圖1-6是32位CPU（寄存器的長度為32比特）的標(biāo)志寄存器示例。在這個標(biāo)志寄存器中，第0個、第1個、第2個比特的值若為1，則代表運算結(jié)果分別為正數(shù)、零、負(fù)數(shù)。

圖1-6　比較運算的結(jié)果存放在標(biāo)志寄存器的3個比特中

CPU進行比較的方式非常有趣，請大家一定要了解一下。假設(shè)要將累加器中的值XXX和通用寄存器中的YYY進行比較，當(dāng)執(zhí)行比較指令時，CPU的運算器會在內(nèi)部（暗中）執(zhí)行“XXX-YYY”的減法運算，無論結(jié)果是正數(shù)、零，還是負(fù)數(shù)，都會保存到標(biāo)志寄存器中。如果結(jié)果為正，則表示XXX大于YYY ；如果為零，則表示XXX等于YYY ；如果為負(fù)，則表示XXX小于YYY。也就是說，程序中的比較指令在CPU內(nèi)部實際上是通過減法運算來實現(xiàn)的。怎么樣，是不是很有趣呢？