CPU中的控制器详解

运算器只能完成运算，而控制器用于控制着整个CPU的工作。

图1

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。

为了说明这个问题，这里转载一个指令执行示意图。

图2

从上图可以看到，由CS：IP构成的寄存器总是给出当前要执行的指令地址，并在当前指令尚未执行完成的时候，给出下一条将要执行的指令地址。CS：IP就是图1中的PC指针。这是控制器的最主要作用。

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。

图3

假设现在要执行一条指令：MOV A, data1,这条指令的意思很简单，就是通过CPU找到内存中的某个数据data1,然后把它放到寄存器A里面。这条指令执行完应该分为以下几步：

第一步：找到这个数据在内存中的位置（地址号）。

第二步：保证这个数据可以被CPU读出（未被锁定）。

第三步：把这个数据读出来，并存入寄存器A中。

上面三步的时间顺序不能乱，否则指令执行肯定会出错。从图3可以看出，地址信号首先有效，然后是读信号有效，最后才是被读的数据出现在数据线上面。

这和我们实际生活中的这个例子非常类似，假设服务员要到宾馆的某个房间登记里面客人的身份信息，同样分为三步：

第一步：找到这个客人的位置（房间号）。

第二步：客人打开房门。

第三步：登记客人信息。

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。

图4

图5

计算机内部的主要工作过程是信息传送和加工的过程，为了便于对总线进行管理，组成了总线结构，使不同来源的信息分时在总线上传送。

从图4图5可以看到，总线的使用同样受到时序控制部件的控制。总线控制同样可以从图3得到很好的理解：当把数据从存储单元读出以前，地址信号必须保持有效。

从上图可以看到，一条指令何时占用总线，要由专门的时钟脉冲产生的时钟信号决定。

计算机还有一个DMA结构，当进行DMA操作时，cpu可以让出自己对总线的控制权。

也就是说，总线上什么时候有何种信号，什么时候没有，信号持续时间多长，甚至cpu的总线控制权都可以出让，这些都属于总线控制的内容。

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。

上图中有多个中断源，这些中断有可能同时产生中断请求，为了对这种情况进行管理，每个中断源都被赋予了一个优先级，以保证某个时刻只有一个中断可以得到响应。中断控制器有的在cpu芯片外部，比如8259A中断控制器，也有集成在cpu芯片内部的，

例如ARM 的Cortex系列。

按照上面的叙述，计算机控制器的功能主要包括：

指令控制、时序控制、总线控制和中断控制等。

审核编辑：汤梓红