控制器原理和功能解讀

計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：控制器、運算器、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備，其中，控制器和運算器統(tǒng)稱為中央處理器。簡稱CPU.它是計算機硬件系統(tǒng)的指揮中心.它包括控制器和運算器兩個部件,其中,控制器的功能是控制計算機各部分協(xié)調(diào)工作,運算器則是負責計算機的算術(shù)運算和邏輯運算。

控制器(英文名稱:controller)是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的"決策機構(gòu)"，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。

要增加一條機器指令，只需在控制存儲器中增加一段微程序，但是，它是通過執(zhí)行一段微程序。具體對比如下：組合邏輯控制器又稱硬布線控制器，由邏輯電路構(gòu)成，完全靠硬件來實現(xiàn)指令的功能。

(一) 運算器

1、 算術(shù)邏輯運算單元ALU(Arithmetic and Logic Unit)

ALU主要完成對二進制數(shù)據(jù)的定點算術(shù)運算(加減乘除)、邏輯運算(與或非異或)以及移位操作。在某些CPU中還有專門用于處理移位操作的移位器。

通常ALU由兩個輸入端和一個輸出端。整數(shù)單元有時也稱為IEU(Integer Execution Unit)。我們通常所說的“CPU是XX位的”就是指ALU所能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

2、 浮點運算單元FPU(Floating Point Unit)

FPU主要負責浮點運算和高精度整數(shù)運算。有些FPU還具有向量運算的功能，另外一些則有專門的向量處理單元。

3、通用寄存器組

通用寄存器組是一組最快的存儲器，用來保存參加運算的操作數(shù)和中間結(jié)果。

在通用寄存器的設(shè)計上，RISC與CISC有著很大的不同。CISC的寄存器通常很少，主要是受了當時硬件成本所限。比如x86指令集只有8個通用寄存器。所以，CISC的CPU執(zhí)行是大多數(shù)時間是在訪問存儲器中的數(shù)據(jù)，而不是寄存器中的。這就拖慢了整個系統(tǒng)的速度。而RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術(shù)使寄存器資源得到充分的利用。

對于x86指令集只支持8個通用寄存器的缺點，Intel和AMD的最新CPU都采用了一種叫做“寄存器重命名”的技術(shù)，這種技術(shù)使x86CPU的寄存器可以突破8個的限制，達到32個甚至更多。不過，相對于RISC來說，這種技術(shù)的寄存器操作要多出一個時鐘周期，用來對寄存器進行重命名。

4、 專用寄存器

專用寄存器通常是一些狀態(tài)寄存器，不能通過程序改變，由CPU自己控制，表明某種狀態(tài)。

(二) 控制器

運算器只能完成運算，而控制器用于控制著整個CPU的工作。

1、 指令控制器

指令控制器是控制器中相當重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交給執(zhí)行單元(ALU或FPU)來執(zhí)行，同時還要形成下一條指令的地址。

2、 時序控制器

時序控制器的作用是為每條指令按時間順序提供控制信號。時序控制器包括時鐘發(fā)生器和倍頻定義單元，其中時鐘發(fā)生器由石英晶體振蕩器發(fā)出非常穩(wěn)定的脈沖信號，就是CPU的主頻;而倍頻定義單元則定義了CPU主頻是存儲器頻率(總線頻率)的幾倍。

3、 總線控制器

總線控制器主要用于控制CPU的內(nèi)外部總線，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等等。

4、中斷控制器

中斷控制器用于控制各種各樣的中斷請求，并根據(jù)優(yōu)先級的高低對中斷請求進行排隊，逐個交給CPU處理。