控制器
主要功能
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。
- 时序控制：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。
组成
要理解控制器的组成，就要从其功能出发，大体来说，控制器的组成也可以分为三个组件：
- 指令控制器：负责取指和译码，并且形成下一条指令的地址。
- 时序控制器：产生计算机运行所需的各种时序信号。控制指令的执行节奏，确保各个部件协调工作。
- 控制信号发生器：根据指令译码器的输出，产生具体的控制信号。这些控制信号用于控制计算机各个部件的微操作。
指令控制器
指令控制器由 CS:IP 获取当前要执行的指令地址。 其中 CS 为程序段寄存器，标记了进程代码段（.code）的开始，IP 为指令指针寄存器，标记了当前指令在代码段内的偏移。
获取当前指令地址后，输入输出控制电路从内存中读取指令放入指令寄存器中。 然后修改 IP 寄存器的值，使 CS:IP 指向下一条指令的地址。
时序控制器
时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元，其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号，就是 CPU 的主频；而倍频定义单元则定义了 CPU 主频是存储器频率（总线频率）的几倍。
晶体振荡器利用石英晶体的压电效应，当施加电压时，晶体在特定频率下可以产生稳定的振荡。 晶体振荡器产生精确的频率信号，作为电子设备的时钟源。这个时钟信号就像一个“节拍器”，控制着设备内部各个部件的协调运作。
晶体振荡器产生的频率信号直接决定了电子设备的时钟周期。一个指令周期中包含 取指令 和 执行指令 这两个 CPU 周期，而 CPU 周期又由多个时钟周期组成。
假设当前要执行 MOV R1, [addr] 这条指令，其功能就是找到内存中 addr 地址的数据，并且将其传输到寄存器 R1 中，这条指令的执行包含以下几个步骤：
- 将地址传入 MAR 中。
- 存储器从 MAR 中读取地址，并且读取数据，存入 MDR。
- 从 MDR 中取出数据，通过 CPU 内的数据总线传输到寄存器 R1 中。
上述过程的执行需要保证严格的时序关系，先后关系不可颠倒，否则会导致指令执行的出错。
通过这个简单的例子是为了说明这样一个原理：在 CPU 内部，一条指令的执行也会被拆分为若干的子过程，这些子过程需要满足严格的时序关系，而这种时序关系就是由时序控制器进行控制的。
控制信号发生器
控制信号发生器负责接收指令译码器的结果，并且在每个时钟周期内产生 控制信号。
其中控制信号可以是 CPU 内的控制信号，通过 CPU 内总线传输至 CPU 内其他部件。 也可以是 CPU 外的控制信号，发送至系统的控制总线，用于协调计算机其他设备与 CPU 的交互。
控制信号
控制信号是由控制信号发生器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。
寄存器传送语言
控制信号决定了计算机指令的执行顺序和数据流动。计算机内部组件根据控制信号执行相应操作，数据流动通常用寄存器传输语言（RTL）描述。
除了控制信号外，常常也需要我们用 RTL 描述数据流动，试题中的 RTL 一般需符合如下规范：
- 用 R 表示寄存器 R 的内容；
- 用 M[addr] 表示读取主存单元 addr 的内容；
- 传送方向用 “←” 表示，传送源在右，传送目的在左；
- 读取主存中的内容
指令执行的控制信号
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
在该阶段中：PC 提供了当前需要读取指令的地址，从相应地址读取指令后，增加 PC 的值，使其指向下一条指令的地址，接着通过译码部件完成译码。
该阶段主要包含如下表所示的控制信号：
| 时钟 | 功能 | 控制信号 | 解释 |
|---|---|---|---|
| C1 | MAR ← PC | PCout, MARin | 从 PC 中读取指令地址至 MAR 中 |
| C2 | MDR ← M(MAR) | MemR, MDRin | 存储器从 MAR 地址所在的内存单元读取数据 并加载到 MDR 中 |
| C3 | MUXop ← PCIncr | PCIncr | 在二路选择器中生成值 1 添加入 ALU 的一端 |
| C4 | T2 ← PC + 1 | MARout, T2in, Add | ALU 计算下一条指令的地址 |
| C5 | PC ← T2 | T2out, PCin | 将计算得到的地址加载进 PC 中 |
| C6 | 指令译码 | 无 | 由指令译码器件完成 |
执行和写回阶段
通过译码得到的控制信号，可以控制指令的执行和写回，对于 ADD R0, (R1) 为例，该阶段包含如下控制信号：
| 时钟 | 功能 | 控制信号 | 解释 |
|---|---|---|---|
| C7 | MAR ← R1 | R1out,MARin | 将 R1 中的内容加载进 MAR |
| C8 | MDR ← M(MAR) | MemR, MDRin | 存储器从 MAR 地址所在的内存单元读取数据 并加载到 MDR 中 |
| C9 | T1 ← R0 | R0out, T1in | 将 R0 的内容存储在暂存器 T1 |
| C10 | T2 ← MDR + T1 | MDRout, MUXop,Add, T2in | 将MDR的内容存储进入ALU另一个入口执行加法操作 并将结果存储进入 T2 |
| C11 | R0 ← T2 | T2out, R0in | 将计算结果写回 R0 |
注意
为什么需要暂存器 T1?
采用了单数据总线的系统，无法在一个时钟周期同时将两个不同的数字同时添加到 ALU 的两端，在一个时钟周期内 ALU 两端会接受到相同的数据，所以必须要在当前时钟周期暂存一个数据，在下一个时钟周期再向 ALU 添加另一个数据。
ALU 的输出端也可能有一个暂存器，也是为了避免数据传输时在单总线结构上出现的数据冲突。
种类
控制器的种类分为硬布线控制器和微程序控制器，这里了解即可。简而言之，硬布线控制器就是通过硬件的方式实现控制信号的输出，微程序控制器对指令的 OP 字段进行进一步编码，通过软件的方式实现控制信号的输出。
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
- 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。
- 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。