控制器

控制器是计算机系统的指挥中心，控制器的主要功能有：

• 指令解码：CPU从存储器取出一个指令后，控制器负责解码这个指令，以确定要执行的操作和涉及的操作数。
• 生成控制信号：基于解码的指令，控制器生成一系列的控制信号，这些信号会驱动其他计算机部分（如算术逻辑单元、寄存器和存储器）按预期执行相应的操作。
• 指令执行的顺序和时序：通过先后发出不同的控制信号，确保指令的逻辑正确被执行，

根据控制器产生微操作控制信号方式的不同，控制器可以分为硬布线控制器和微程序控制器。

控制信号

概念

控制信号是由控制单元（Control Unit）生成和发出的电信号，这些信号用于指挥CPU内部的各种操作。例如，控制信号可以指示算术逻辑单元（ALU）执行加法还是减法，或者指示寄存器进行读写操作。

类型

其实控制信号的种类很多，但就目前阶段而言，会考察的可以被总结为三类控制信号：

• 读写信号：对内存或IO设备进行读写，比如 MemR 和 MemW
• 寄存器选择信号：选择特定的寄存器进行读写操作，比如 PCin 和 PCout
• 操作码信号：示算术逻辑单元（ALU）执行哪种运算，如加法、减法、与、或等。

指令的不同执行阶段对应的控制信号

指令的执行包含取指、译码、执行、写回阶段，在这四个阶段中控制单元会发出不同的控制信号，以实现指令的执行。

以指令ADD R0, (R1)为例，说明一下指令执行阶段四个阶段的控制信号。

取指和译码阶段

执行和写回阶段

硬布线控制器

定义：硬布线控制器是通过组合逻辑电路来实现的，通常使用逻辑门、多路复用器、解码器等组合电路元件。

特点：

• 性能：因为是硬件实现，所以通常速度较快。
• 固定功能：一旦设计和实现完成，修改它就比较困难，需要改变物理电路。
• 设计复杂性：对于复杂的控制逻辑，硬布线控制器可能会变得非常复杂，难以设计和验证。

微程序控制器

定义：微程序控制器基于存储的微指令集来实现控制逻辑。它使用一块称为“控制存储器”或“微指令存储器”的特殊存储器来存储微指令。每一个微指令定义了一系列的控制信号。

特点：

• 灵活性：由于控制逻辑是存储在存储器中的，所以更改控制逻辑只需要更改存储的微指令，而无需更改硬件。
• 简化设计：对于复杂的控制逻辑，使用微指令可能会简化设计和验证过程。
• 性能：通常比硬布线控制器慢，因为它需要从控制存储器中读取微指令。
• 易于修改和扩展：添加新的指令或修改现有的指令相对容易。

指令、微指令、微命令

微命令是计算机硬件控制的基础指令，用于控制某些硬件单元完成某种操作。

一条机器指令对应一个微程序，一个微程序由数条微指令构成，每个微指令可以包含数个微命令。

微指令编码方式

1. 直接编码方式

微指令中的微命令字段中每位都代表一个微命令。

2. 字段直接编码方式

将微指令的微命令字段分为若干小段，把互斥行微命令组合在同一字段中，把相容性微命令组合在不同字段中，每个字段独立编码，每种编码代表一个微命令且各字段编码含义单独定义。