控制器

控制器（Control Unit），是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制中心，它指揮計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)地工作，保證計(jì)算機(jī)按照預(yù)先規(guī)定的目標(biāo)和步驟有條不紊地進(jìn)行操作及處理�？刂破鲝拇鎯�(chǔ)器中逐條取出指令，分析每條指令規(guī)定的是什么操作以及所需數(shù)據(jù)的存放位置等，然后根據(jù)分析的結(jié)果向計(jì)算機(jī)其它部件發(fā)出控制信號(hào)，統(tǒng)一指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)完成指令所規(guī)定的操作。計(jì)算機(jī)自動(dòng)工作的過程，實(shí)際上是自動(dòng)執(zhí)行程序的過程，而程序中的每條指令都是由控制器來分析執(zhí)行的，它是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“程序控制”的主要設(shè)備。
通常把控制器與運(yùn)算器合稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。工業(yè)生產(chǎn)中總是采用最先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路技術(shù)來制造中央處理器，即CPU芯片。它是計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備。它的性能，主要是工作速度和計(jì)算精度，對(duì)機(jī)器的整體性能有全面的影響。^[2]

控制器分組合邏輯控制器和微程序控制器，兩種控制器各有長(zhǎng)處和短處。組合邏輯控制器設(shè)計(jì)麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦設(shè)計(jì)完成，就不能再修改或擴(kuò)充，但它的速度快。微程序控制器設(shè)計(jì)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，修改或擴(kuò)充都方便，修改一條機(jī)器指令的功能，只需重編所對(duì)應(yīng)的微程序；要增加一條機(jī)器指令，只需在控制存儲(chǔ)器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程。具體對(duì)比如下：組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實(shí)現(xiàn)指令的功能^[3] 。

控制器模型

控制器

第一種辦法是在指令中包含了下一條指令的地址。在指令執(zhí)行過程中將這個(gè)地址送人指令地址寄存器即可達(dá)到程序持續(xù)運(yùn)行的目的。這個(gè)方法適用于早期以磁鼓、延遲線等串行裝置作為主存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)。根據(jù)本條指令的執(zhí)行時(shí)間恰當(dāng)?shù)貨Q定下一條指令的地址就可以縮短讀取下一條指令的等待時(shí)間，從而收到提高程序運(yùn)行速度的效果。

第二種辦法是順序執(zhí)行指令。一個(gè)程序由若干個(gè)程序段組成，每個(gè)程序段的指令可以設(shè)計(jì)成順序地存放在存儲(chǔ)器之中，所以只要指令地址寄存器兼有計(jì)數(shù)功能，在執(zhí)行指令的過程中進(jìn)行計(jì)數(shù)，自動(dòng)加一個(gè)增量，就可以形成下一條指令的地址，從而達(dá)到順序執(zhí)行指令的目的。這個(gè)辦法適用于以隨機(jī)存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)。當(dāng)程序的運(yùn)行需要從一個(gè)程序段轉(zhuǎn)向另一個(gè)程序段時(shí)，可以利用轉(zhuǎn)移指令來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)移指令中包含了即將轉(zhuǎn)去的程序段入口指令的地址。執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)將這個(gè)地址送人程序計(jì)數(shù)器(此時(shí)只作為指令地址寄存器，不計(jì)數(shù))作為下一條指令的地址，從而達(dá)到轉(zhuǎn)移程序段的目的。子程序的調(diào)用、中斷和陷阱的處理等都用類似的方法。在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器普及以后，

第二種辦法的整體運(yùn)行效果大大地優(yōu)于第一種辦法，因而順序執(zhí)行指令已經(jīng)成為主流計(jì)算機(jī)普遍采用的辦法，程序計(jì)數(shù)器就成為中央處理器不可或缺的一個(gè)控制部件

控制器

操作控制器

CPU內(nèi)的每個(gè)功能部件都完成一定的特定功能。信息在各部件之間傳送及數(shù)據(jù)的流動(dòng)控制部件的實(shí)現(xiàn)。通常把許多數(shù)字部件之間傳送信息的通路稱為“數(shù)據(jù)通路”。信息從什么地方開始，中間經(jīng)過哪個(gè)寄存器或多路開關(guān)，最后傳到哪個(gè)寄存器，都要加以控制。在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路的任務(wù)，是由稱為“操作控制器”的部件來完成的。

操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。

控制器

一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)基本上可以劃分為兩大部分---控制部件和執(zhí)行部件�？刂破骶褪强刂撇考�，而運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備相對(duì)控制器來說就是執(zhí)行部件。控制部件與執(zhí)行部件的一種聯(lián)系就是通過控制線�？刂撇考�通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，通常這種控制命令叫做微命令，而執(zhí)行部件接受微命令后所執(zhí)行的操作就叫做微操作。控制部件與執(zhí)行部件之間的另一種聯(lián)系就是反饋信息。執(zhí)行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況，以便使得控制部件根據(jù)執(zhí)行部件的狀態(tài)來下達(dá)新的微命令，這也叫做“狀態(tài)測(cè)試”。微操作在執(zhí)行部件中是組基本的操作。由于數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，微操作可分為相容性和相斥性兩種。

在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。一般的微指令格式由操作控制和順序控制兩部分構(gòu)成。操作控制部分用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號(hào)。其順序控制部分用來決定產(chǎn)生下一個(gè)微指令的地址。事實(shí)上一條機(jī)器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令組成的，那么當(dāng)執(zhí)行當(dāng)前的一條微指令的時(shí)候。必須指出后繼微指令的地址，以便當(dāng)前一條微指令執(zhí)行完畢以后，取下一條微指令執(zhí)行。

數(shù)據(jù)緩沖：由于I/O設(shè)備的速率較低而CPU和內(nèi)存的速率卻很高，故在控制器中必須設(shè)置一緩沖器。在輸出時(shí)，用此緩沖器暫存由主機(jī)高速傳來的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設(shè)備所具有的速率將緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備；在輸入時(shí)，緩沖器則用于暫存從I/O設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機(jī)。
差錯(cuò)控制：設(shè)備控制器還兼管對(duì)由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，通常是將差錯(cuò)檢測(cè)碼置位，并向 CPU報(bào)告，于是CPU將該次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，并重新進(jìn)行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。
數(shù)據(jù)交換：這是指實(shí)現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于前者，是通過數(shù)據(jù)總線，由CPU并行地把數(shù)據(jù)寫入控制器，或從控制器中并行地讀出數(shù)據(jù)；對(duì)于后者，是設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到控制器，或從控制器傳送給設(shè)備。為此，在控制器中須設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器。
狀態(tài)說明：標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)控制器應(yīng)記下設(shè)備的狀態(tài)供CPU了解。例如，僅當(dāng)該設(shè)備處于發(fā)送就緒狀態(tài)時(shí)，CPU才能啟動(dòng)控制器從設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。為此，在控制器中應(yīng)設(shè)置一狀態(tài)寄存器，用其中的每一位來反映設(shè)備的某一種狀態(tài)。當(dāng)CPU將該寄存器的內(nèi)容讀入后，便可了解該設(shè)備的狀態(tài)。
接收和識(shí)別命令：CPU可以向控制器發(fā)送多種不同的命令，設(shè)備控制器應(yīng)能接收并識(shí)別這些命令。為此，在控制器中應(yīng)具有相應(yīng)的控制寄存器，用來存放接收的命令和參數(shù)，并對(duì)所接收的命令進(jìn)行譯碼。例如，磁盤控制器可以接收CPU發(fā)來的Read、Write、Format等15條不同的命令，而且有些命令還帶有參數(shù)；相應(yīng)地，在磁盤控制器中有多個(gè)寄存器和命令譯碼器等。
地址識(shí)別：就像內(nèi)存中的每一個(gè)單元都有一個(gè)地址一樣，系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備也都有一個(gè)地址，而設(shè)備控制器又必須能夠識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。此外，為使CPU能向(或從)寄存器中寫入(或讀出)數(shù)據(jù)，這些寄存器都應(yīng)具有唯一的地址。^[4]

組合邏輯

組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實(shí)現(xiàn)指令的功能。

組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟

①設(shè)計(jì)機(jī)器的指令系統(tǒng)：規(guī)定指令的種類、指令的條數(shù)以及每一條指令的格式和功能。
②初步的總體設(shè)計(jì)：如寄存器設(shè)置、總線安排、運(yùn)算器設(shè)計(jì)、部件間的連接關(guān)系等。
③繪制指令流程圖：標(biāo)出每一條指令在什么時(shí)間、什么部件進(jìn)行何種操作。
④編排操作時(shí)間表：即根據(jù)指令流程圖分解各操作為微操作，按時(shí)間段列出機(jī)器應(yīng)進(jìn)行的微操作。
⑤列出微操作信號(hào)表達(dá)式，化簡(jiǎn)，電路實(shí)現(xiàn)。

控制器

（1）指令寄存器用來存放正在執(zhí)行的指令。指令分成兩部分：操作碼和地址碼。操作碼用來指示指令的操作性質(zhì)，如加法、減法等；地址碼給出本條指令的操作數(shù)地址或形成操作數(shù)地址的有關(guān)信息(這時(shí)通過地址形成電路來形成操作數(shù)地址)。有一種指令稱為轉(zhuǎn)移指令，它用來改變指令的正常執(zhí)行順序，這種指令的地址碼部分給出的是要轉(zhuǎn)去執(zhí)行的指令的地址。
（2）操作碼譯碼器用：來對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的控制電平，完成分析指令的功能。

（3）時(shí)序電路：用來產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)志信號(hào)。在微型計(jì)算機(jī)中，時(shí)間標(biāo)志信號(hào)一般為三級(jí)：指令周期、總線周期和時(shí)鐘周期。微操作命令產(chǎn)生電路產(chǎn)生完成指令規(guī)定操作的各種微操作命令。這些命令產(chǎn)生的主要依據(jù)是時(shí)間標(biāo)志和指令的操作性質(zhì)。該電路實(shí)際是各微操作控制信號(hào)表達(dá)式(如上面的A→L表達(dá)式)的電路實(shí)現(xiàn)，它是組合邏輯控制器中最為復(fù)雜的部分。

（4）指令計(jì)數(shù)器：用來形成下一條要執(zhí)行的指令的地址。通常，指令是順序執(zhí)行的，而指令在存儲(chǔ)器中是順序存放的。所以，一般情況下下一條要執(zhí)行的指令的地址可通過將現(xiàn)行地址加1形成，微操作命令“ 1”就用于這個(gè)目的。如果執(zhí)行的是轉(zhuǎn)移指令，則下一條要執(zhí)行的指令的地址是要轉(zhuǎn)移到的地址。該地址就在本轉(zhuǎn)移指令的地址碼字段，因此將其直接送往指令計(jì)數(shù)器。

微程序控制器的提出是因?yàn)榻M合邏輯設(shè)計(jì)存在不便于設(shè)計(jì)、不靈活、不易修改和擴(kuò)充等缺點(diǎn)。

微程序

微程序控制(簡(jiǎn)稱微碼控制)的基本思路是：用微指令產(chǎn)生微操作命令，用若干條微指令組成一段微程序?qū)崿F(xiàn)一條機(jī)器指令的功能(為了加以區(qū)別，將前面所講的指令稱為機(jī)器指令)。設(shè)機(jī)器指令M執(zhí)行時(shí)需要三個(gè)階段，每個(gè)階段需要發(fā)出如下命令：階段一發(fā)送K1、K8命令，階段二發(fā)送K0、K2、K3、K4命令，階段三發(fā)送K9命令。當(dāng)將第一條微指令送到微指令寄存器時(shí)，微指令寄存器的K1和K8為1，即發(fā)出K1和K8命令，該微指令指出下一條微指令地址為00101，從中取出第二條微指令，送到微指令寄存器時(shí)將發(fā)出K0、K2、K3、K4命令，接下來是取第三條微指令，發(fā)K9命令。

控制器

（1）控制存儲(chǔ)器(contmlMemory)用來存放各機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序。譯碼器用來形成機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址。當(dāng)將一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序的各條微指令逐條取出，并送到微指令寄存器時(shí)，其微操作命令也就按事先的設(shè)計(jì)發(fā)出，因而也就完成了一條機(jī)器指令的功能。對(duì)每一條機(jī)器指令都是如此。

（2）微指令的寬度直接決定了微程序控制器的寬度。為了簡(jiǎn)化控制存儲(chǔ)器，可采取一些措施來縮短微指令的寬度。如采用字段譯碼法一級(jí)分段譯碼。顯然，微指令的控制字段將大大縮短。，一些要同時(shí)產(chǎn)生的微操作命令不能安排在同一個(gè)字段中。為了進(jìn)一步縮短控制字段，還可以將字段譯碼設(shè)計(jì)成兩級(jí)或多級(jí)。

CPU

LED

門禁

電動(dòng)汽車

母聯(lián)

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)

火災(zāi)報(bào)警

不同種類的控制器

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