控制器
复习
- 一台会记事的小计算机：把运算器和存储器组装成能连续计算并保存结果的机器
- 指令系统基础：指令由操作码和操作数组成，可存入存储器
- 程序与程序计数器：程序是指令序列，PC 保存下一条指令地址
TL;DR
- 控制器按时钟节拍发出控制信号
- 一条指令要经历取指、译码和执行
- 控制器本质上是一台管理步骤的状态机
正文
程序已经写好，PC 也指向了第一条指令。可存储器不会自己去读，寄存器和 ALU 也不会主动行动——它们都只是安静地待着，等别人告诉自己该做什么。
我们还缺一个指挥员。这个指挥员叫作控制器（control unit）。
把一句话拆成动作
以“读取地址 20 到 A”这条指令为例。控制器不会把整句话一口气喊出去，而是把它拆成一拍一拍的细小信号：
- 把 PC 的值送到存储器地址线
- 读取指令，把它收进指令寄存器 IR；同时让 PC 加一
- 识别操作码，取出其中的地址 20
- 用地址 20 再读一次存储器，把数据写入 A
前两步叫取指，第 3 步叫译码，第 4 步叫执行。你可能会问：为什么不能一步到位？因为读出“地址 20”这件事本身，也要等前一步把指令取回来、识别出来才谈得上。一步依赖一步，所以必须分拍。
还有一点很关键：不同指令的取指过程完全相同，执行阶段则各走各的路。这为后面复用控制器留了伏笔。
控制器也是状态机
控制器要记住自己目前走到哪了——是“取指第 1 拍”，还是“译码”，还是“执行”。这听起来是不是很耳熟？没错，它正是前面讲过的状态机：
当前步骤 + 操作码 + 状态标志
↓
本拍控制信号 + 下一步骤
执行完成后，状态回到取指，开始处理下一条指令。只要时钟不停，这个循环就不停。
所以，我们不必为控制器再添一套陌生的零件。保存步骤的是寄存器，判断下一步的是组合逻辑，推动步骤前进的仍是时钟——全是我们已经造过的东西。复杂如控制器，也只是熟悉零件的重新组合。
指挥员到位了，下一章把它与运算器和寄存器装进同一个盒子。
思考题 1
为什么不同指令可以共用取指阶段，却要在执行阶段走不同的控制步骤？
思考题 2
控制器和前面用过的状态机，在结构上是同一类东西。那么“指令”和“状态机的状态”有什么相似之处？
小结
知识点
- 取指、译码与执行
- 指令寄存器 IR 保存当前指令
- 控制器是产生控制信号的状态机
参考资料
- Wikipedia(zh)：控制单元：处理器中发出控制信号的部件
- Wikipedia(zh)：有限状态机：控制器背后的通用模型
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
所有指令都要先按 PC 从存储器取回并识别，这一步对谁都一样，所以可以共用；而操作码不同，后面要打开的寄存器、要用的 ALU 功能、要写回的位置都不同，执行步骤自然各走各的。
思考题 2
本质上相似。指令的操作码决定了“接下来要做哪种动作”，状态机的状态也决定了“这一拍要做什么”。两者都是用一个编号来索引一套固定的动作。可以说，控制器就是把“指令”翻译成了“状态跳转”。
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设计师 | 南国微雪