5.4 控制器的功能和工作原理
如下图所示计算机硬件系统的五大功能部件及其连接关系。它们通过数据总线，地址总线和控制总线连接在一起，其中点划线框内的是控制器部件。
控制器是计算机系统的指挥中心，控制器的主要功能有：
1> 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置
2> 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作
3> 指挥并控制CPU，主存，输入和输出设备之间的数据流动方向。
根据控制器产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器，两类控制器中的PC和IR是相同的，但确定和表示指令执行步骤的办法以及给出控制各部件运行所需要的控制信号的方案是不同的。
硬布线控制器
硬布线控制器的基本原理是根据指令的要求，当前的时序及外部和内部的状态，按时间的顺序发送一系列微操作控制信号。它由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组合逻辑控制器。
硬布线的单元图
指令的操作码是决定控制单元发出不同操作命令（控制信号）的关键。为了简化控制单元（CU）的逻辑，将指令的操作码译码和节拍发生器从CU分离出来，便可得到减缓的控制单元图
CU的输入信号来源
CU的输出信号
硬布线控制器的时序系统及微操作
1> 时钟周期。用时钟信号控制节拍发生器，可以产生节拍，每个节拍的宽度正好对应一个时钟周期。
2> 机器周期。
3> 指令周期
4> 微操作命令分析。控制单元具有发出各种操作命令（控制信号）序列的功能。这些命令与指令有关，而且必须按一定次序发出，才能使机器有序地工作。
CPU的控制方式
1> 同步控制方式。系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号。通常以最长的微操作作序列和最烦琐的微操作作为标准。
2> 异步控制方式。异步控制方式不存在基准时标信号，各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络。
3> 联合控制。是介于同步，异步之间的一种折中。大部分采用同步控制，小部分采用异步控制的办法。
硬布线控制单元的设计步骤
微程序控制器
微程序控制器采用存储逻辑实现，把微操作信号代码化，使每条机器指令转换成为一段微程序并存入一个专门的存储器（控制存储器）中，微操作的控制信号由微指令产生
微指令通常包含至少两大部分信息：
1> 操作控制字段，又称微操作码字段，用于产生某一步操作所需的各种操作控制信号。
2> 顺序控制字段，又称为地址码字段，用于控制产生下一条要执行的微指令地址。
微程序和程序是两个不同的概念
微程序是由微指令组成的。用于描述机器指令。微程序实际上是机器指令的实时解析器，是由计算机设计者事先编制好并存放在控制存储器中的，一般不提供给用户。对于程序员来说，计算机系统中微程序的结构和功能是透明的，无需知道。而程序最终由机器指令组成，是由软件设计人员事先编制好并存放在主存或辅存中的
微程序控制器组成和工作过程
注意：若指令系统中具有n种机器指令，则控制存储器中的微程序数至少是n+1（1为公共的取值微程序）
微指令的格式
1> 水平型微指令
指令字中的一位对应一个控制信号
2> 垂直型微指令
3> 混合型微指令
微指令的译码方式
1> 直接编码（直接控制）方式
无须进行译码，微指令的微命令字段中每一位都代表一个微命令
2> 字段直接编码方式
3> 字段间接编码方式
微指令的地址形成方式
后继微地址的形成
1> 直接由微指令的下地址字段指出。微指令格式中设置一个下地址字段，由微指令的下地址字段直接指出后继微指令的地址，又称断定方式
2> 根据机器指令的操作码形成。机器指令取至指令寄存器后，微指令的地址由操作码经微地址形成部件形成
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