程序计数器

为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去，处理器必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入程序计数器，因此程序计数器的内容即是从内存提取的一条指令的地址。当执行指令时，处理器将自动修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。

但是，当遇到转移指令如JMP(跳转、外语全称:JUMP)指令时，后继指令的地址(即PC的内容)必须从指令寄存器中的地址字段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定，而不像通常一样按顺序来取得。因此程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

程序计数器是计算机处理器中的寄存器，它包含当前正在执行的指令的地址(位置)。当每个指令被获取，程序计数器的存储地址加一。在每个指令被获取之后，程序计数器指向顺序中的下一个指令。当计算机重启或复位时，程序计数器通常恢复到零。

冯 ·诺伊曼计算机体系结构的主要内容之一就是"程序预存储，计算机自动执行"!处理器要执行的程序(指令序列)都是以二进制代码序列方式预存储在计算机的存储器中，处理器将这些代码逐条地取到处理器中再译码、执行，以完成整个程序的执行。为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条取指指令的地址。程序计数器(PC )正是起到这种作用，所以通常又称之为'指令计数器'。

在程序开始执行前，将程序指令序列的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入PC，CPU按照 PC的指示从内存读取第一条指令(取指)。当执行指令时，CPU自动地修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数(指令字节数)，使 PC总是指向下一条将要取指的指令地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改PC 的过程通常只是简单的对PC 加"指令字节数"。

当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的目 标地址。处理器总是按照PC 指向取指、译码、执行，以此实现了程序转移。

ARM 处理器中使用R15 作为PC，它总是指向取指单元，并且ARM 处理器中只有一个PC 寄存器，被各模式共用。R15 有32 位宽度(下述标记为R15[31:0]，表示R15 的'第31位'到'第0位')，ARM 处理器可以直接寻址4GB的地址空间(2^32 = 4G )。

控制器的作用是控制和协调整个计算机的动作控制通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、定时与控制电路以及脉冲源、中断等共同完成。控制器由:指令寄存器Instruction Register、指令译码器Instruction Decoder、定时与控制电路Programmable Logic Array、程序计数器Program Counter、标志寄存器Flags Register、堆栈和堆栈指针Stack Pointer、寄存器组等构成。

CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。为此，在控制器中应具有相应的控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对所接收的命令进行译码。例如，磁盘控制器可以接收CPU发来的Read、Write、Format等15条不同的命令，而且有些命令还带有参数;相应地，在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。对于前者，是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器，或从控制器中并行地读出数据;对于后者，是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。为此，在控制器中须设置数据寄存器。

控制器应记下设备的状态供CPU了解。例如，仅当该设备处于发送就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此，在控制器中应设置一状态寄存器，用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后，便可了解该设备的状态。

就像内存中的每一个单元都有一个地址一样，系统中的每一个设备也都有一个地址，而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。此外，为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。例如，在IB-MPC机中规定，硬盘控制器中各寄存器的地址分别为320~32F之一。控制器应能正确识别这些地址，为此，在控制器中应配置地址译码器。

由于I/O设备的速率较低而CPU和内存的速率却很高，故在控制器中必须设置一缓冲器。在输出时，用此缓冲器暂存由主机高速传来的数据，然后才以I/O设备所具有的速率将缓冲器中的数据传送给I/O设备;在输入时，缓冲器则用于暂存从I/O设备送来的数据，待接收到一批数据后，再将缓冲器中的数据高速地传送给主机。

设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。若发现传送中出现了错误，通常是将差错检测码置位，并向CPU报告，于是CPU将本次传送来的数据作废，并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。