Learning Objectives
- 說明控制單元怎麼依照「現在第幾步」與 IR 產生控制訊號
- 讀懂控制表，補完指令的微步驟並用程式驗證
- 看見控制表填錯時，程式從哪一拍開始出問題
- 比較硬接線與微程式兩種控制單元的取捨
誰來按這些控制訊號
上一課你用 18 拍做完 3 條指令，每一拍都自己決定開什麼訊號，還要自己讀 IR 判斷下一步。這些判斷規則其實很固定：
- 每條指令開頭都一樣：把 PC 指的那一格抓到 IR，PC 加 1。這是擷取（fetch）。
- 接著看 IR 是哪條指令。這是解碼（decode）。
- 依照指令走它固定的幾步。這是執行（execute）。
既然是「現在在第幾步，加上輸入是什麼，決定輸出與下一步」，這就是第 9 課的有限狀態機。控制單元（control unit）就是這樣一個狀態機：
| 有限狀態機的部分 | 在控制單元裡 |
|---|---|
| 狀態 | 現在是哪個微步驟（F1、F2、F3、D、E1、E2、E3） |
| 輸入 | IR 的運算碼、旗標 Z 與 N |
| 輸出 | 這一拍的所有控制訊號 |
狀態怎麼走：
LDA、ADD、SUB、STA：
F1 → F2 → F3 → D → E1 → E2 → E3 → 回到 F1
JMP、JZ、JN、IN、OUT：
F1 → F2 → F3 → D → E1 → 回到 F1
HLT：
F1 → F2 → F3 → D → E1 → 停止
一個微步驟就是一個時脈週期，也就是上一課說的一拍。
用程式走一次控制單元的狀態
把「每個微步驟開哪些訊號」寫成表，控制單元要做的事就只剩下依序查表。看每條指令開頭為什麼都一樣，以及 LDA 和 JMP 的拍數差在哪裡。
控制表
把全部的「指令 × 微步驟」列成一張表，就是控制表。整顆 UC8 的行為都寫在這張表裡。
每一格要回答的問題都一樣：這一拍，誰送上匯流排、誰接收、記憶體要不要動作？ 上一課的限制還在：同一拍只能有一個來源，MDR 不能同時收記憶體和匯流排的值。
條件跳躍有一點特別：JZ 的 E1 只有 Z＝1 時才開訊號。狀態機的「輸入」包含旗標就是為了這一格。Z＝0 時這一拍什麼都不做，PC 在擷取時已經加過 1，自然走到下一條。
填錯一格會怎麼壞
控制表錯一格，症狀常常出現在別的地方，因為錯誤的值要等到有人用它才看得到。除錯時要回頭找「第一個不一樣的那一拍」，不是最後畫面出錯的那一拍。
下面的控制表是正確的，但你可以用「故障注入」選單把其中一格改壞。先猜會發生什麼，再跑。
硬接線與微程式
控制表要怎麼變成真的電路？有兩種做法。
硬接線（hardwired）：把控制表當成真值表，用第 3 課的方法化簡成閘。每個控制訊號都有一個布林式，例如「MEM_RD 在 F2，或在 LDA、ADD、SUB 的 E2 時是 1」。優點是快，缺點是改一格就要重新設計電路。
微程式（microprogramming）：把控制表原封不動存進控制單元裡一塊小 ROM，每一列叫一條微指令（microinstruction），每個位元對應一條控制線。電路只負責「依序讀 ROM 的下一列」。這個想法由 Maurice Wilkes 在 1951 年 7 月曼徹斯特大學的計算機會議上提出（論文題目是 The Best Way to Design an Automatic Calculating Machine），當時的動機是讓控制單元的設計有條理，也讓指令集可以修改。
| 硬接線 | 微程式 | |
|---|---|---|
| 速度 | 快，訊號直接由閘算出 | 較慢，每拍要讀一次 ROM |
| 指令變多變複雜時 | 電路快速變大，也難除錯 | ROM 多幾列就好 |
| 出廠後修改 | 做不到 | ROM 改成可覆寫就能修 |
兩者不是非選一個不可。現代 x86 處理器的解碼器就是混合的：常用指令由硬接線處理，複雜或少用的指令走晶片內的微碼 ROM，而且微碼可以在執行時更新來修正錯誤。
微指令就是一串 0 和 1
把幾列控制表編碼成二進位，看一條微指令長什麼樣子。UC8 有 18 條控制線，所以每條微指令 18 位元。
確認一下
控制單元這個有限狀態機的輸入是哪些？
JZ 的 E1 這一拍，Z＝0 時發生什麼事？
F3 這一拍開了 MDR_OUT、IR_IN、PC_INC。如果少了 IR_IN，下一拍解碼會看到什麼？
UC8 要增加一條新指令，兩種控制單元各要改什麼？
微指令的寬度由什麼決定（像 UC8 這樣每條控制線一個位元的設計）？
重點整理
- 控制單元是一個有限狀態機：依現在的微步驟、IR 的運算碼與旗標，決定這一拍的控制訊號。
- 每條指令都是擷取（3 拍）、解碼（1 拍）、再走自己的執行步驟（1～3 拍）。
- 控制表寫清楚了整顆 CPU 的行為；錯一格的症狀常常出現在很後面，要找第一個不一樣的那一拍。
- 一支程式跑得過，不代表控制表全對，測試只能抓到走得到的路徑。
- 硬接線快但難改，微程式慢一點但有條理也好改；現代 x86 兩者並用。
資料路徑與控制單元都有了。下一課把它們合起來，看整顆 UC8 跑一段真的程式，也算算它有多快。