[CA] Chapter 10: Processor(5-1): Pipeline register

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이전 게시물을 정리해보자면: Pipeline은 마치 공장의 컨베이어 벨트이다.

• 세탁 → 건조 → 다림질 → 포장
• 각 단계가 동시에 다른 옷들을 처리할 수 있음

✅프로세서에서는 5단계로 나뉜다:

1. IF(Instruction Fetch): 명령어 가져오기
2. ID (Instruction Decode): 명령어 해석하기
3. EX (Execute): 실행하기
4. MEM (Memory Access): 메모리 접근하기
5. WB (Write Back): 결과 저장하기

📝각 단계 사이에는 Pipeline Register가 존재:

• IF/ID, ID/EX, EX/MEM, MEM/WB

LW INSTRUCTION IN PIPELINED DATAPATH

• 예시 명령어: lw $t1, 100($t2) (메모리 [$t2 + 100]의 값을 $t1에 저장)

  1. IF (Instruction Fetch)

  ---

• PC가 가리키는 주소에서 명령어 읽기
• 현재 예시: PC = 0x00400000에서 lw $t1, 100($t2) 가져옴

• PC+4로 다음 명령어 주소 계산

• IF/ID 레지스터에 저장되는 데이터:
  • 명령어: 32bits lw 명령어
  • PC+4: 다음 명령어 주소 (beq 명령어를 위해 보관)

2. ID (Instruction Decode)

---

• 명령어 분석: 이것은 LW 명령어임을 식별
• base register $t2의 값을 읽음

• 16-bit offset 100dmf 32-bit로 부호 확장

• 부호 확장 예시:
  • 16비트: 0000000001100100 (100)
  • 32비트: 00000000000000000000000001100100 (100)
• ID/EX 레지스터에 저장되는 데이터:
  • base register value: $t2의 32-bit 값
  • 부호확장된 오프셋: 32-bit로 확장된 100
  • target register: $t1 (나중에 쓰기 위해)

3. EX (Execute)

---

• 주소 계산: base register + sign-extended offset
• 계산식: $t2의 값 + 100 = target data memory address
  • 예시: 0x10010000 + 100 = 0x10010064
• ALU 연산:

  입력1: $t2 = 0x10010000 (베이스 주소) 
  입력2: 100 = 0x00000064 (오프셋) 
  출력: 0x10010064 (최종 메모리 주소)
  

• EX/MEM 레지스터에 저장되는 데이터:
  • 계산된 target data memory address: 0x10010064
  • target register: $t1 (여전히 보관중)

4. MEM (Memory Access)

---

• 메모리 읽기: 주소 0x10010064에서 데이터 읽기
• 읽은 데이터: 32-bit word

• 이 단계에서만 실제로 메모리에 접근!

• MEM/WB register에 저장되는 데이터:
  • 읽은 데이터 (예: 0x12345678)
  • target register: $t1

5. WB (Write Back)

---

• 최종 단계: 데이터를 target register에 저장
• $t1 register에 0x12345678 저장

• LW 명령어 실행 완료!

• 최종 결과

$t1 = 0x12345678 (메모리에서 읽은 값)
전체 과정 요약: lw $t1, 100($t2)
✅ → $t1 = Memory[$t2 + 100]

📝LW 명령어 5단계 요약:

1. IF: PC에서 명령어 가져오기, PC+4 계산
2. ID: 명령어 해석, 레지스터 읽기, 부호확장
3. EX: ALU로 메모리 주소 계산 (베이스 + 오프셋)
4. MEM: 계산된 주소에서 데이터 읽기
5. WB: 읽은 데이터를 목적지 레지스터에 저장

SW INSTRUCTION IN PIPELINED DATAPATH

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• 예시 명령어: sw $t1, 200($s0) - 메모리 [$s0 + 200] 주소에 $t1값 저장
• LW 명령어와 다르게 WB 단계에서 아무것도 안함(NO Write Back)

1. IF/ID (공통 단계)

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• IF stage: 명령어 가져오기
  • PC가 가리키는 주소에서 SW 명령어 읽기
  • PC + 4로 다음 명령어 주소 계산
  • 모든 명령어에 동일한 과정!
• ID stage: 명령어 해석 & 레지스터 읽기
  • 명령어 분석: sw명령어임을 식별
  • 두 개의 register 읽기:
    • base register: $s0(주소 계산용)
    • source register: $t1(저장할 데이터)
  • offset을 32bit sign-extended value로 만듦
• IF/ID register 저장 데이터: SW instruction (32bit), PC+4
• ID/EX register 저장 데이터: $s0의 값(base address), $t1의 값(저장할 데이터), 부호확장된 offset(200)

2. EX (Execute)

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• ALU에서 메모리 주소 계산 단계:
• 주소 계산: $s0 + offset = memory address
  • 계산과정: 0x10010000(베이스 주소) + 200(0x000000C8) = 0x100100C8

• source register($t1)의 데이터도 다음 단계로 전달

• EX/MEM register 저장 데이터: 계산된 메모리 주소(0x100100C8), 저장할 데이터($t1의 값)
• 🔄 LW vs SW 차이점 (EX 단계)
  LW는 주소만 계산해서 전달하지만, SW는 주소+저장할 데이터 모두 전달

MEM (Memory Access)

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• data memory에 쓰기 단계:
• 메모리 쓰기: 주소 0x100100C8에 데이터 저장
  • 저장할 데이터: $t1값
• 실제 메모리 접근이 일어나는 유일한 단계!

메모리 쓰기 동작: 주소: 0x100100C8 
쓰기 데이터: $t1(예:0x12345678) 
메모리 상태 변화: 
  이전: Memory[0x100100C8] = ??? (알 수 없음)
  이후: Memory[0x100100C8] = 0x12345678

• MEM/WB register 저장데이터: SW명령어는 레지스터에 쓸 데이터가 없음!! - 비어있거나 의미없는 값

🔄 LW vs SW 차이점 (MEM 단계)

• LW: 메모리에서 데이터를 읽어서 MEM/WB에 저장
• SW: 메모리에 데이터를 쓰고, WB용 데이터는 없음
  

WB (Write Back)

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• SW명령어 특징: 레지스터에 쓸 데이터가 없음
• WB 단계에서는 아무 작업도 수행 X
• 하지만 파이프라인 동기화를 위해 단계는 거쳐감!