什麼是控制器

計算機中規定執行指令的順序、解釋指令的操作碼和地址碼並根據譯碼要求將相應的控制信號送到運算器和其他部分的功能部件。

結構和基本操作

控制器主要由四部分組成：指令計數器、指令寄存器、譯碼控制電路和地址形成電路（圖1）。指令計數器存放應取指令的地址。指令寄存器存放應當執行的指令。譯碼控制電路解釋取來的指令，形成各種控制信號併發送給相應的部件。地址形成電路按尋址方式形成數據或指令地址。

控制器的基本操作是取指令、解釋指令和形成地址、取數據和分配執行。指令計數器發送地址，並按照這個地址將指令從存儲器取至指令寄存器。解釋指令和形成地址是解釋取到指令寄存器中的指令，並形成取數地址。取數據是按照形成的取數地址，將數據從存儲器取至運算器。分配執行是將控制信號送給執行部件(如運算器)，執行指令指定的操作。

同步控制和異步控制

控制器嚴格按照規定的先後順序發出控制信號，因此它需要有定時電路。定時的方法有同步和異步兩種。

同步控制是每隔一定時間間隔發出定時信號。這種信號往往採取脈衝形式，叫定時脈衝。時間間隔通常是不變的。它取決於定時脈衝的頻率。這種時間間隔俗稱節拍。當然，也有采用多種時間間隔的，或者在不同的部件中採用不同的時間間隔。一個節拍的長度，取決於應在該節拍內完成動作所需的時間延遲。因在各個節拍內完成的動作並不相同，統一的節拍長度採用最長的延遲時間。因此在很多節拍中出現空閒時間，會降低計算機操作速度。

為了減少甚至消除空閒時間，可以採用異步控制。它沒有單獨的定時信號。每個操作終結時，有反饋信號送給控制器，使之發出下一個或一批控制信號，開始後面的操作。每個操作完成後，立即開始下一個操作，從而加快速度。這種應答方式因要傳遞和判斷大量反饋信號，會使控制電路變得比較複雜。

硬連邏輯和微程序控制

在控制器中，除了定時電路外，另一個重要部分是形成併發送各種控制信號。每種控制信號驅動相應的部件，完成規定的動作。這種動作是根據具體指令的要求，在規定的時刻和特定的條件下完成的。特定的條件是指決定該操作是否執行的條件。以移位指令為例，它可以用每次移動一位，並將要求移動的位數減 1來實現。每移一位都檢查要求移動的位數。若不為0，則繼續執行移動一位的操作；若為0則停止執行。要求移動的位數是否為0，是決定應否執行移位操作的特定條件。形成併發送每種控制信號取決於三個因素：

（1）要求發送控制信號的指令；

（2）應當發送控制信號的時刻；

（3）允許發送控制信號的條件。

形成併發送各種控制信號有硬連邏輯和微程序控制兩種方法。

硬連邏輯用大量邏輯門電路形成控制信號。這些門的輸入信號是：指令操作碼、定時信號和各種組合好的條件。定時信號經過這組門電路後就變成控制信號。用這種方法構成的控制器，形成信號的時間與它所通過的門電路級數和每級門電路的延遲有關。常常需要採用各種邏輯化簡手段，減少門電路的數量和傳輸級數。

微程序控制使用一個稱做控制存儲器的高速存儲器，形成控制信號。用指令碼和各種條件組成存儲器地址。存取週期相當於節拍長度。一條指令的所有操作被分解為若干個按時序組合的微操作組，每組微操作由控制存儲器中的一個字表示。每取一個字就相應地發送一組控制信號。用這種方法構成的控制器，形成信號的時間與控制存儲器的存取週期有關。

先行控制

執行一條指令，控制器要完成四個基本操作。這四個操作可以串行執行（圖2中a）。一個操作完成後才做下一個操作。一條指令完成後再執行下一條指令。為了提高運算速度，可以採用重疊控制（圖2中b）。在重疊控制時，解釋本指令可以與取前條指令的數據和取下一條指令同時執行，這稱為先行控制，或稱指令流水線。由於指令相關性和條件轉移的存在，實現先行控制的控制器則複雜得多。