控制器

复习

1. 第二十八章：了解了时序逻辑电路的基本原理
2. 第三十五章：掌握了指令系统的基础知识
3. 第三十六章：了解了程序计数和指令译码的过程

TL;DR

• 控制器是 CPU 的指挥中心，负责按时序发出各种控制信号
• 实现方式主要有两种：硬布线控制器（快但难改）和微程序控制器（灵活但慢）
• 控制信号告诉各部件：什么时候开门、什么时候运算、什么时候写回

正文

指挥中心

　　到这一步，我们手里已经有 ALU、寄存器、存储器、时钟……但它们都是“哑巴“，只会被动等待命令。谁来发号施令？

　　答案是控制器（Control Unit）。它做的事情可以概括成三件：

1. 指令控制：取指、分析、执行
2. 时序控制：按节拍安排每一步
3. 数据流控制：开关数据通路，让数据流向正确的地方

　　如果说 CPU 是计算机的大脑，那控制器就是大脑里那个“决定下一步干什么“的部分。

两种实现思路

　　控制器怎么把“加法指令“变成一连串具体动作？有两条完全不同的路：

1. 硬布线控制器：用组合逻辑电路把控制信号“焊死“
   • 速度快
   • 但电路一旦做好就很难改，指令系统一变就得重新设计
   • 适合指令简单的系统
2. 微程序控制器：把每条指令对应的控制信号，当成“微指令“存在一个只读存储器里
   • 改指令就像改程序一样，改内容即可，灵活
   • 但要多读一次存储器，速度慢一些
   • 适合指令复杂的系统

　　两句话概括：硬布线是“用硬件算出来“，微程序是“把答案查出来“。前者快，后者活。

控制信号

　　不管哪种实现，最终都要输出一组控制信号，指挥各部件行动。典型的有：

• 时序类：时钟、复位、使能
• 功能类：ALU 选什么运算、寄存器读还是写、要不要访问存储器
• 状态类：更新哪些标志位、要不要响应中断

　　以一条加法指令为例，控制器大致会这样安排：

T1：取指令，PC 加 4
T2：译码，读出两个源寄存器
T3：命令 ALU 做加法
T4：把结果写回目标寄存器

　　可以看到，它其实就是一个“按时间表发号施令“的状态机——正是第二十八章讲过的时序逻辑。

思考题

　　硬布线控制器快、微程序控制器灵活。如果你要为一块主打低功耗、指令集简单的手表芯片选控制器，会选哪种？为什么？

小结

知识点

• 控制器的三大任务
• 硬布线控制器与微程序控制器
• 控制信号的种类与作用
• 用状态机理解控制器

参考资料

1. Wikipedia(zh)：控制单元：控制器的基本概念
2. Wikipedia(zh)：微程序：微程序控制的原理

思考题答案（仅供参考）

　　倾向选硬布线控制器。手表芯片指令集简单、对功耗和成本敏感、也不需要频繁修改指令，硬布线速度更快、电路更省，正合适。反过来，如果是需要不断扩展指令、追求兼容性的通用 CPU，微程序控制的灵活性就更有价值。

协议

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设计师 | 南国微雪