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”，因此它正是第二十八章的状态机：
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。
两种造法，只留一个印象
控制信号可以由固定逻辑直接生成，叫硬布线控制；也可以把每一步需要的信号编码成更小的“微指令”保存起来，叫微程序控制。
前者像固定线路，通常更快；后者像一本可查的步骤表，通常更灵活。我们的极简机器不必选边，只需知道两者最终都在做同一件事：按时发出正确的控制信号。
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
- 硬布线与微程序是两种实现思路
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。
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设计师 | 南国微雪