控制器原理和功能解读

计算机系统的硬件结构主要由四部分组成：控制器、运算器、内存和输入输出设备，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.它包括控制器和运算器两个部件,其中,控制器的功能是控制计算机各部分协调工作,运算器则是负责计算机的算术运算和逻辑运算。

控制器(英文名称:controller)是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的"决策机构"，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程序。具体对比如下：组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能。

(一) 运算器

1、 算术逻辑运算单元ALU(Arithmetic and Logic Unit)

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)以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。

通常ALU由两个输入端和一个输出端。整数单元有时也称为IEU(Integer Execution Unit)。我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。

2、 浮点运算单元FPU(Floating Point Unit)

FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一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最快的存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。

在通用寄存器的设计上，RISC与CISC有着很大的不同。CISC的寄存器通常很少，主要是受了当时硬件成本所限。比如x86指令集只有8个通用寄存器。所以，CISC的CPU执行是大多数时间是在访问存储器中的数据，而不是寄存器中的。这就拖慢了整个系统的速度。而RISC系统往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重叠寄存器窗口和寄存器堆等技术使寄存器资源得到充分的利用。

对于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，这种技术使x86CPU的寄存器可以突破8个的限制，达到32个甚至更多。不过，相对于RISC来说，这种技术的寄存器操作要多出一个时钟周期，用来对寄存器进行重命名。

4、 专用寄存器

专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。

(二) 控制器

运算器只能完成运算，而控制器用于控制着整个CPU的工作。

1、 指令控制器

指令控制器是控制器中相当重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交给执行单元(ALU或FPU)来执行，同时还要形成下一条指令的地址。

2、 时序控制器

时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元，其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号，就是CPU的主频;而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率(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的内外部总线，包括地址总线、数据总线、控制总线等等。

4、中断控制器

中断控制器用于控制各种各样的中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。