控制器原理及应用_控制器原理和功能解读

计算机系统的硬件结构主要由控制器、运算器、存储器和输入输出设备四部分组成，其中控制器和运算器统称为中央处理器。简称CPU。它是计算机硬件系统的指挥中心。它包括两部分：控制器和运算器。控制器的作用是控制计算机各部分的协调，运算器负责计算机的算术运算和逻辑运算。

控制器(英文名：Controller)是指按照预定的顺序改变主电路或控制电路的接线和电路中的电阻值，以控制电机的启动、调速、制动和反转的主命令装置。它由程序计数器、指令寄存器、指令解码器、时序发生器和操作控制器组成。发布命令的是‘决策机构’，也就是协调和指挥整个计算机系统的运行。

要添加一条机器指令，只需在控制存储器中添加一个微程序，但这是通过执行一个微程序来实现的。具体比较如下：组合逻辑控制器又称硬连线控制器，由逻辑电路组成，完全依靠硬件实现指令的功能。

(1)算术单元

1、算术逻辑单元ALU(算术逻辑单元)

ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非异或)和移位运算。在某些CPU中，还有专门处理移位操作的移位器。

通常ALU由两个输入和一个输出组成。整数单元有时被称为IEU(整数执行单元)。我们通常所说的“CPU是XX位”是指ALU能够处理的数据位数。

2、浮点单元(浮点单元)

FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些fpu也有向量运算的功能，有些则有专门的向量处理单元。

3、通用寄存器组

通用寄存器组是一组速度最快的存储器，用于存储参与运算的操作数和中间结果。

RISC与CISC在通用寄存器的设计上有很大的不同。CISC通常寄存器很少，这主要是受当时硬件成本的限制。例如，x86指令集只有八个通用寄存器。因此，CISC的CPU执行大部分时间是访问内存中的数据，而不是寄存器中的数据。这会降低整个系统的速度。RISC系统往往有很多通用寄存器，使用重叠的寄存器窗口和寄存器文件来充分利用寄存器资源。

针对x86指令集只支持8个通用寄存器的缺点，Intel和AMD的最新CPU都采用了一种叫做“寄存器重命名”的技术，使得x86CPU突破了8个寄存器的限制，达到了32个甚至更多。但是，与RISC相比，该技术的寄存器操作需要多一个时钟周期来重命名寄存器。

4、特殊寄存器

专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能被程序改变，由CPU自己控制，表示某种状态。

(2)控制器

运算器只能完成运算，而控制器用来控制整个CPU。

1、命令控制器

指令控制器是控制器中非常重要的一部分。它需要取出并分析指令，然后交给执行单元(ALU或FPU)执行。同时还需要形成下一条指令的地址。

2、正时控制器

时序控制器的作用是为时序中的每条指令提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元，时钟发生器通过石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号，该脉冲信号是CPU的主频；倍频定义单元定义CPU的主频是内存主频(总线频率)的几倍。

3、总线控制器

总线控制器主要用于控制CPU的内部和外部总线，包括地址总线、数据总线、控制总线等。

4、中断控制器

中断控制器用于控制各种中断请求，并将中断请求按优先级排队，交给CPU逐一处理。