Learning Objectives
- 把資料路徑與控制單元對應到一顆完整 UC8 的每個微步驟
- 算出一條指令與一段程式要幾個時脈週期
- 說明時脈週期由最長路徑決定，以及加快哪個零件才有用
- 寫一段 UC8 迴圈程式，說明指令也放在記憶體裡的意義
這顆 CPU 的每個零件你都看過
手機裡的處理器看起來和前面的 NAND 閘毫無關係。可是它的基本工作方式和接下來要看的 UC8 一樣：擷取一條指令、解碼、執行，一直重複。
UC8 的零件都來自這條軌道：
| 零件 | 來自 |
|---|---|
| ALU 的加法與減法 | 第 5 課 |
| 匯流排來源的選擇、記憶體選列 | 第 4 課 |
| PC、IR、MAR、MDR、ACC | 第 7、8 課的正反器與暫存器 |
| 記憶體 | 第 10 課 |
| 資料路徑 | 第 11 課 |
| 控制單元 | 第 9 課的有限狀態機、第 12 課的控制表 |
下面用兩個模擬器看同一支程式：UC8 模擬器畫出整顆處理器，說明每一步在做什麼；控制表畫出同一拍開了哪些控制訊號。兩者的指令集與微步驟完全相同，微步驟的計數也一致。
一條指令要幾個時脈週期
UC8 一個微步驟就是一個時脈週期，所以指令的拍數可以直接從控制表數出來：
| 指令 | 擷取 | 解碼 | 執行 | 合計 |
|---|---|---|---|---|
| LDA、ADD、SUB、STA | 3 | 1 | 3 | 7 |
| JMP、JZ、JN、IN、OUT、HLT | 3 | 1 | 1 | 5 |
用到記憶體資料的指令比較慢，因為位址與資料都要多搬一次。剛才那支程式 3 條 7 拍、2 條 5 拍，共 31 拍。
時脈可以多快？第 6 課說過，週期必須大於最長的延遲，否則上升緣到的時候，訊號還沒走完。CPU 的每一拍都用同一個時脈，所以最慢的那一個微步驟，決定全部微步驟的速度。
找出決定時脈的那條路徑
下面用示意的延遲值（不是任何真實晶片的數字）算每個微步驟的路徑長度。猜猜看：把 ALU 加快一倍，時脈可以變快嗎？
加快哪個零件才有用
剛才的結果值得記住：只有縮短最長的路徑，時脈才會變快。在這組示意值裡，週期是 22；ALU 快一倍，週期還是 22。記憶體快一倍，週期只到 19，因為最長的路徑換成了 ALU 那條。
真實的處理器面對的是同一個問題。記憶體比邏輯閘慢很多，如果每一拍都要等記憶體，整顆 CPU 都會被拖慢。常見的解法有：讓讀記憶體佔好幾拍，其他步驟就能用短週期；在 CPU 旁邊放一塊又小又快的記憶體；把工作切得更細。這些都是接下來的主題。
寫程式的時候也一樣。下面的實作題中，迴圈加總每多跑一圈就多走固定的拍數。以參考作法來算，輸入 n 時總共是 52n + 24 拍：n＝1 是 76 拍，n＝5 是 284 拍，n＝10 是 544 拍。
指令也放在記憶體裡
剛才刪掉 HLT 的時候，CPU 把資料 12 當成指令來擷取。12 的二進位是 000 01100，運算碼是系統指令，但沒有定義這個編號，CPU 只好停下來。記憶體不知道一格是指令還是資料，全看 PC 有沒有指到它。
指令與資料放在同一個記憶體的設計，常被稱為馮紐曼架構（von Neumann architecture），名稱來自 John von Neumann 署名、日期為 1945 年 6 月 30 日的 First Draft of a Report on the EDVAC。不過這份草稿沒有列出 EDVAC 設計團隊的其他人，例如 John Mauchly 與 J. Presper Eckert，所以這個名稱至今仍有爭議。
這個設計的代價與好處都很明顯：
- 好處：換一支程式不用改接線，把新的內容載入記憶體就好。編譯器、作業系統都依賴這一點：對它們來說，程式就是資料。
- 代價：程式和資料共用一條路，同一拍只能走一筆，擷取指令和讀資料要排隊。資料也可能被當成指令執行，有些安全漏洞就是這樣發生的，所以現代系統會把記憶體標成「可執行」或「不可執行」。
從 UC8 到真實的 CPU
UC8 完整地示範了基本原理，但真實處理器還多了很多東西。這裡各用一句話帶過：
- 管線（pipeline）：把擷取、解碼、執行分成好幾段同時進行，就像生產線，理想情況下每一拍都可以完成一條指令，不像 UC8 每條指令要 5 到 7 拍。
- 快取（cache）：在 CPU 旁邊放一塊小而快的記憶體，存最近用過的內容，不用每次都等主記憶體。
- 多核心（multicore）：同一顆晶片裡放好幾個完整的核心，可以真的同時執行好幾段程式。
想繼續往下學：計算機組織課程會把這些主題講完整；作業系統軌會看程式怎麼共用這顆 CPU 與記憶體。
確認一下
一段程式有 LDA x、ADD y、JMP 0 各一條，跑完一圈要幾個時脈週期？
最長路徑是記憶體讀取。把 ALU 換成快一倍的版本，這顆 CPU 的時脈可以提高嗎？
UC8 的 PC 指到一格內容是 000 01100 的資料。CPU 會怎麼處理？
參考作法的迴圈加總，輸入 n＝16 時總和是 136，超過 8 位元能表示的 127。UC8 會輸出什麼？
為什麼 UC8 把指令放進記憶體，而不是把程式接成電路？
重點整理
- UC8 是前面所有零件的組合：資料路徑做事、控制單元查控制表決定每一拍做什麼。
- 一個微步驟就是一個時脈週期；UC8 的指令要 5 或 7 拍，一段程式的總拍數可以直接算出來。
- 時脈週期由最長路徑決定，只有縮短最長的路徑才會變快。
- 指令與資料放在同一個記憶體，CPU 靠 PC 決定把哪一格當成指令；這讓換程式變得容易，也帶來把資料當指令執行的風險。
- 真實處理器在這個基礎上加了管線、快取與多核心。
到這裡你已經從一個開關走到一顆會跑程式的 CPU。真實晶片的電晶體多到不可能一條一條接，下一課學著讀工程師實際使用的語言：Verilog。