控制器
复习
- PC 指向下一条指令
- 指令用操作码说明要做什么
- 执行一条指令仍要拆成若干个细小控制动作
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 也指向第一条指令。可存储器、寄存器和 ALU 都不会主动行动。我们还缺一个指挥员。
这个指挥员叫作控制器。
把一句话拆成动作
以“读取地址 20 到 A”为例，控制器不会喊出整句话，而会按拍发出细小信号：
- 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。不同指令的取指过程相同，执行阶段则各走各的路。
控制器也是状态机
控制器要记住自己目前在“取指第 1 拍”“译码”还是“执行”，因此它正是第二十三章的状态机：
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，开始下一条指令。只要时钟不停，这个循环就不停。
我们不必再为控制器添一套陌生零件。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。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
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？
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
思考题答案（仅供参考）
所有指令都要先按 PC 从存储器取回并识别，所以取指过程相同；操作码不同后，要打开的寄存器、ALU 功能和写回位置不同，执行步骤自然不同。
协议
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
封面图
设计师 | 南国微雪