二、控制器

二、控制器

控制器（control unit，CU）是计算机的心脏，由它指挥全机各个部件自动、协调地工作。控制器的基本功能是根据指令计数器中指定的地址从内存取出一条指令，对其操作码进行译码，再由操作控制部件有序地控制各部件完成操作码规定的功能。控制器也记录操作中各个部件的状态，使计算机能有条不紊地自动完成程序规定的任务。

从宏观上看，控制器的作用是控制计算机各个部件协调工作。从微观上看，控制器的作用更是按一定顺序产生机器指令执行过程中所需要的全部控制信号，这些控制信号作用于计算机的部件以使其完成某种功能，从而达到执行指令的目的。所以，对控制器而言，真正的作用是机器指令执行过程的控制。

图2-7　控制器结构简图

控制器由指令寄存器（Instructions Register，IR）、指令译码器（Instructions Decoder，ID）、程序计数器（Program Counter，PC）和操作控制（Operation Controller，OC）4个部件组成。IR用以保存当前执行或即将执行的指令代码；ID用来解析和识别IR中所存放指令的性质和操作方法；OC则根据ID的译码结果，产生该指令执行过程中所需要的全部控制信号和时序信号；PC总是保存下一条要执行的指令地址，从而使程序可以自动、持续地运行，如图2-7所示。

1.机器指令

为了让计算机按照人的意识和思维正确运行，必须设计一系列计算机可以真正识别和执行的语言——机器指令。机器指令是一个按照一定格式构成的二进制代码串，用来描述一个计算机可以理解并执行的基本操作。计算机只能执行指令，它被指令所控制。机器指令通常有操作码和操作数两部分组成。

（1）操作码。指明指令所要完成操作的性质和功能。

（2）操作数。指明操作码执行时的操作数。操作数的形式可以是数据本身，也可以是存放数据的内存单元地址或寄存器名称。操作数又分为有源操作数和目的操作数，源操作数指明参加运算的操作数来源，目的操作数地址指明保存运算结果的存储单元地址或寄存器名称。

指令的基本格式如表2-1所示。

表2-1　指令的基本格式

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2.指令的执行过程

计算机的工作过程就是按照控制器的控制信号自动、有序地执行指令，指令是计算机正常工作的前提，所有程序都是由一条条指令序列组成的。一条机器指令的执行需要获得指令、分析指令、执行指令。大致过程如下：

（1）取指令。从存储单元地址等于当前程序计数器PC的内容的那个储存单元中读取当前要执行的指令，并把它存放到指令寄存器IR中。

（2）分析指令。指令译码器ID分析该指令（称为译码）。

（3）生成控制信号。操作控制器根据指令译码器ID的输出（译码结果），按一定的顺序产生该指令所需的控制信号。

（4）执行指令。在控制信号的作用下，计算机各部件完成相应的操作，实现数据的处理和结果的保存。

（5）重复执行。计算机分局PC中新的指令地址，重复执行上述4个过程，直至执行到指令结束。

图2-8　CPU外形

控制器和运算器是计算机的核心部件，这两个部分合成为计算机的中央处理器（Central Processing Unit，CPU），如图2-8所示。在微型计算机中通常称为微处理器（Micro Processing Unit，MPU）。微型计算机的发展与微处理器的发展是同步的。

时钟主屏指CPU的时钟频率，是微机性能的一个重要指标，它的高低一定程度地决定了计算机速度的高低。主屏以吉赫兹（GHz）为单位，一般来说，主屏越高，速度越快。由于微处理器发展迅速，微机的主屏也在不断地提高。奔腾（Pentium）处理器目前CPU的主屏已达到1～5吉赫兹（GHz）。