Das Steuergerät Es handelt sich um eine digitale Schaltung, die den Betrieb steuert und alle Steuersignale im Prozessor eines Computers verarbeitet. Dadurch können die Logikeinheit, der Speicher sowie die Eingangs- und Ausgangsperipheriegeräte wissen, wie die von einem Programm empfangenen Befehle repliziert werden. Daher leitet es den gesamten Eingabe- und Ausgabefluss weiter, sucht nach Code für Programmoperationen und leitet andere Einheiten durch Senden von Zeit- und Steuersignalen..
Eine Steuereinheit lässt Eingangsdaten zu, die sie in Steuersignale umwandelt und die anschließend an den Zentralprozessor übertragen werden. Der Prozessor weist die verschiedenen Geräte an, welche Vorgänge auszuführen sind.
Diese Einheit ist die Komponente des Prozessors, der als Ihr Gehirn fungiert, die Anweisungen für fast alle Vorgänge generiert und sicherstellt, dass sie korrekt ausgeführt werden..
Beispiele für Geräte, die Steuereinheiten verwenden, sind die Zentraleinheit (CPU) und die Grafikeinheit (GPU)..
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Um eine Aktion auszuführen, muss die CPU-Steuereinheit das erforderliche Steuersignal in der richtigen Reihenfolge erzeugen. Es gibt zwei Ansätze, mit denen diese Steuersignale in der richtigen Reihenfolge erzeugt werden.
Die Steuereinheit besteht aus Logikgattern, Flip-Flops, digitalen Schaltungen, Codierern und Decodierern, die auf eine festgelegte Weise verdrahtet sind..
Es kann als eine Vorrichtung von Zuständen betrachtet werden, die in jedem Taktzyklus von einem Zustand zum anderen variiert, abhängig vom Inhalt des Befehlsregisters und der externen Eingänge..
Die Ausgabe dieser Zustandsvorrichtung sind die Steuersignale. Die von dieser Maschine ausgeführte Abfolge von Vorgängen wird durch die Verdrahtung der Logikelemente bestimmt. Aus diesem Grund heißt es "integriert".
Das Design basiert auf einer bestimmten Architektur. Wenn Änderungen am Befehlssatz erforderlich sind, sollten Änderungen an der Verkabelung und der Schaltung vorgenommen werden.
Dies ist die Basis für die RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computing), die nur eine geringe Anzahl von Befehlen enthält..
Steuersignale sind wichtig, um die Ausführung von Operationen zu steuern. Sie werden durch ausdrücklich entworfene Logikschaltungen verbreitet, in denen das Signalerzeugungsverfahren nicht ohne eine physikalische Änderung der Schaltungsstruktur modifiziert werden kann..
Die Steuersignale zur Ausführung einer Operation müssen nicht zu einem einzelnen Zeitpunkt gesendet werden, sondern über den gesamten Zeitraum, der dem Befehlsausführungszyklus entspricht..
Der Opcode eines Befehls enthält die Basisinformationen zum Senden des Steuersignals.
Der Opcode wird im Befehlsdecoder decodiert. Dies besteht aus einer Reihe von Decodern, die die verschiedenen Felder des Operationscodes der Anweisung decodieren.
Der Befehlsdecoder ermöglicht es der Steuereinheit, in den ersten Zustand einzutreten, der mit der Ausführung der neuen Operation verbunden ist, der so lange dauert, wie die Zeitsteuerungssignale und andere Eingangssignale unverändert bleiben..
Eine Änderung eines der obigen Signale veranlasst die Steuereinheit, den Zustand zu ändern.
Infolgedessen erfassen einige aus dem Befehlsdecoder kommende Leitungen Werte im Signal. Diese Leitungen sind mit der Steuersignalgeneratorvorrichtung für die verschiedenen Einheiten des Computers verbunden..
Durch Wiederholen der Organisation dieser Phasen wird die entsprechende Reihenfolge der internen Zustände in der Steuereinheit strukturiert..
Wenn ein neuer Befehl bei der Steuereinheit ankommt, befinden sich die eingebetteten Einheiten im Anfangszustand, um den neuen Befehl abzurufen.
Der wesentliche Unterschied dieses Ansatzes in Bezug auf die integrierte Einheit besteht in der Existenz eines Kontrolllagers, in dem die Mikroprogramme gespeichert werden, die die codierten Steuersignale enthalten, die für die Ausführung einer Operation wesentlich sind..
Der Operationscode des Befehls wird nicht decodiert, um sofort ein Steuersignal zu erzeugen, aber die Adresse eines Mikroprogramms, das im Steuerspeicher gespeichert ist, wird angezeigt.
Das heißt, die an die Anweisungen angehängten Steuersignale werden in speziellen Speicherzellen als austauschbare Firmware gespeichert..
Die mikroprogrammierte Steuereinheit ist aufgrund der Zeit, die zum Wiederherstellen der in der Speichereinheit gefundenen Vorgänge benötigt wird, langsamer als die eingebaute Einheit.
Es liegt in der Verantwortung der Steuereinheit, die Eingabe- und Ausgabegeräte, den Hauptspeicher und die logisch-arithmetische Einheit des Computers darüber zu informieren, wie die an den Prozessor ausgegebenen Operationen repliziert werden..
Ruft Programmoperationen in den Speicher ab und führt sie zum Prozessorregister. Abhängig davon, was dieses Register enthält, erzeugt die Steuereinheit ein Signal, das die Leistung dieser Operationen überwacht.
Abhängig von der Art der Operation, die Sie in die Steuereinheit eingeben, können Sie die Anzahl und Reihenfolge der generierten sequentiellen Schritte ändern, um die Teile der CPU auszuwählen und zu konfigurieren, die zum Erreichen des Ziels der Operation verwendet werden, unabhängig davon, ob es sich um eine Bewegung handelt , Daten ändern oder speichern.
Dieser Decodierungsvorgang wird erneut ausgeführt, wenn der Zähler auf die nächste gespeicherte Adresse des Programms erhöht wird. Von dieser Adresse aus wird die neue Operation in die Steuereinheit eingegeben und so weiter bis zum Ende des Programms.
Die von einer Steuereinheit ausgeführten Funktionen hängen aufgrund der bestehenden Unterschiede in der Struktur zwischen den verschiedenen Marken vom CPU-Typ ab. Das folgende Diagramm zeigt, wie die Anweisungen in einem Programm verarbeitet werden.
- Erledigt mehrere Aufgaben, z. B. das Suchen und Abrufen von Anweisungen, das Dekodieren, das Verwalten der Ausführung und das Speichern von Ergebnissen.
- Empfängt externe Anweisungen oder Befehle, die in eine Folge von Steuersignalen umgewandelt werden.
- Interpretieren Sie die Anweisungen.
- Steuert die sequentielle Ausführung von Anweisungen.
- Koordiniert die Abfolge der Datenbewegungen innerhalb, außerhalb und zwischen den vielen Prozessoruntereinheiten.
- Regelt und steuert die Synchronisation der Ausführungseinheiten, wie z. B. der arithmetischen logischen Einheit, und der im Prozessor enthaltenen Datenspeicher und Register.
- Sendet und empfängt Steuersignale an andere Computergeräte.
- Leitet und steuert den Datenfluss durch die verschiedenen Bereiche des Computers.
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