Post

[CA] Chapter 6-1: Processor(1-1)

Posted Updated
By xmoonanx
11 min read
[CA] Chapter 6-1: Processor(1-1)

⚙ Computer Architecture 공부

DataPath 요소 -Instruction Fetching

alt text

프로세스가 작업을 수행하려면 어떤 명령어를 실행해야 하는지 알아야 함

  • Instruction memory: 프로그램의 명령어들을 저장하는 memory unit
    • address를 input으로 받으면, 해당 주소에 있는 instruction을 output으로 제공
    • → 이 output이 메모리의 일부분(Text Segment)
  • Program Counter ,PC: 현재 실행 중인 instruction의 address를 저장하는 register
    • 프로세서는 PC가 가리키는 address의 instruction을 실행
  • Adder: PC를 증가시켜 다음 명령어의 주소를 가리키도록 하는 logic
    • 프로세스가 한 명령어를 실행한 후, 다음 명령어로 넘어가기 위해 필요

alt text

명령어의 크기가 4bytes(32bits)임을 알 수 있다
즉, 일반적으로 PC는 4씩 증가

✅DataPath 작동 과정:

  1. 명령어 가져오기(Fetch):
    • PC가 가리키는 주소가 명령어 메모리에 전달됨
    • 명령어 메모리는 해당 주소에 저장된 명령어를 출력
  2. PC Update
    • 동시에, PC의 값은 Adder에 의해 4만큼 증가
    • 증가된 값 PC+4는 다음 명령어의 주소를 나타냄 → 이 값이 다시 PC에 저장됨

DataPath Elements: R-type

📚R-type instruction: 두 개의 register를 읽음 → 읽은 내용에 대한 arithmetic(산술)/logical operation을 수행 → 결과를 register에 기록하는 명령어

  • Ex: add, sub, and, or, slt etc

  • Register file: 프로세서의 32개 범용 register collection, CPU 내부에 있는 매우 빠른 임시 저장소

    • Reading data: 두 개의 register number 입력(Read registers 1,2)을 받아서 해당 레지스터의 값 출력(Read data 1,2)
    • Writing data: 쓸 레지스터 number(Write register)와 쓸 데이터(Write data)를 입력으로 받음
    • Writing은 control signal(RegWrite)에 의해 제어됨, 이 신호가 활성화(1)되어야 쓰기가 발생
    • register input은 5bits wide(32개 레지스터를 나타내기 위함), data input/output buses는 32bits wide

alt text ✅add 명령어 예시: add $t0, $t1, $t2

  1. 레지스터 파일은 $t1의 번호를 Read register 1로 받고, 그 값을 Read data 1으로 출력
  2. 동시에, $t2의 번호를 Read register 2로 받고, 그 값을 Read data 2로 출력
  3. ALU가 두 값을 더함
  4. 결과는 Write data를 통해 레지스터 파일로 돌아오고, $t0의 번호는 Write register로 지정됨
  5. RegWrite 신호가 1로 설정되어, 결과 값이 $t0에 기록됨

ALU(Arithmetic Logic Unit)

ALU: 다양한 arithmetic/logic operation을 수행하는 장치

ALU 구조 및 기능
  1. Input
    • two 32-bit operands(피연산자)를 입력으로 받음
    • Control Signal: 4-bit control signal(ALU operation)가 ALU가 수행할 연산을 결정
  2. Output
    • 32-bit result(ALU result)를 출력으로 생성
    • Zeor Flag: 결과가 0인 경우 1bits signal(참), 아닌 경우 0bits signal(거짓)생성

alt text

그림 하단 표는 4bits ALU 제어 코드 및 연산기능
예를 들어 add연산이면 명령어 해독기가 0010을 ALU control signal로 설정

DataPath Elements: Load/Store

load/store instruction: memory address를 계산하기 위해 base register와 명령어에 포함된 16bits offset field를 더함

  • E.g., lw %t1, offset_value($t2)
    • $t2값에 offset_value를 더한 주소에서 데이터를 읽어 $t1에 저장
  • E.g., sw %t1, offset_value($t2)
    • $t1값을 $t2값에 offset_value를 더한 주소에 저장

load/store instruction 계산 과정

  1. base register 값 읽기:
    • $t2의 값을 레지스터 파일에서 읽음
  2. offset 추출:
    • 명령어에서 16bits offset value를 추출
  3. memory address 계산:
    • ALU가 base register값과 offset을 더해 memory address 계산
    • $t2 + offset_value = memory address

lw와 sw 데이터 흐름 차이에 주의!!

  • lw
    • 계산된 주소의 메모리($t2)에서 데이터를 읽음
    • 이 데이터를 $t1 레지스터에 기록
  • sw
    • $t1 레지스터에서 데이터를 읽음
    • 이 데이터를 계산된 주소의 메모리($t2)에 기록

✅ALU는 32bits operation을 수행하므로, 16bits offset도 32bits로 확장해야한다

Sign Extension Unit(부호 확장 유닛)

📚Sign Extension Unit: 16bits offset field를 32bits로 확장

✅작동 방식:

  • 최상위 비트(부호 비트)가 0인 경우: 양수 값은 앞에 0을 채움
  • 최상위 비트(부호 비트)가 1인 경우: 음수 값은 앞에 1을 채움
1
2

0XXXXXXXXXXXXXXX → 0000000000000000 0XXXXXXXXXXXXXXX
1XXXXXXXXXXXXXXX → 1111111111111111 1XXXXXXXXXXXXXXX

Data Memory

📚Data Memory: 실제 데이터를 저장하고 읽어오는 memory unit

  • Interface:
    • Address: 계산된 메모리 주소를 입력으로 받음
    • Read data: 주소에서 읽은 데이터를 출력
    • Write data: 메모리에 기록할 데이터를 입력으로 받음
  • Control Signal:
    • MemRead: 메모리 읽기 작업을 활성화하는 Control Signal
    • MemWrite: 메모리 쓰기 작업을 활성화하는 Control Signal

alt text

DataPath 통합(R-type+Load/Store)

alt text

  • Mux(Multiplexers): 여러 입력 중 하나를 선택하여 출력으로 내보내는 회로
    • ALUSrc Mux: ALU의 두 번째 입력이 레지스터 파일에서 오는지(0) 또는 Sign Extension Unit에서 오는지(1) 선택
    • MemtoReg Mux: 레지스터 파일의 쓰기 데이터가 ALU 결과에서 오는지(0) 또는 데이터 메모리에서 오는지(1) 선택

✅Data flow control signal 정리:

  • ALUSrc: ALU의 두 번째 입력 선택 (0: 레지스터 값, 1: extensioned offset)
  • MemtoReg: 레지스터에 쓸 데이터 선택 (0: ALU 결과, 1: 메모리에서 읽은 값)
  • RegWrite: 레지스터 파일에 쓰기 작업 활성화
  • MemRead: 데이터 메모리 읽기 작업 활성화
  • MemWrite: 데이터 메모리 쓰기 작업 활성화

lw/sw 명령어 실행 과정

  • lw $t1, 100($t2)
    1. 레지스터 파일에서 $t2의 값을 읽음
    2. 명령어에서 offset(100)을 추출
    3. Sign Extension Unit이 16bits offset을 32bits로 확장
    4. ALU가 $t2 값과 확장된 offset을 더해 메모리 주소를 계산
    5. 계산된 주소를 데이터 메모리의 주소 입력으로 제공
    6. MemRead 신호가 활성화되어 메모리 읽기 작업을 수행
    7. 데이터 메모리가 해당 주소의 데이터를 출력
    8. 이 데이터가 레지스터 파일의 Write data input으로 전달됨
    9. RegWrite 신호가 활성화되어 데이터가 $t1 레지스터에 기록됨
  • sw $t1, 100($t2)
    1. 레지스터 파일에서 $t1(저장할 data),$t2(base register)의 값을 읽음
    2. 명령어에서 offset(100)을 추출
    3. Sign Extension Unit이 16bits offset을 32bits로 확장
    4. ALU가 $t2 값과 확장된 offset을 더해 메모리 주소를 계산
    5. 계산된 주소를 데이터 메모리의 주소 입력으로 제공
    6. $t1의 값을 데이터 메모리의 Write data input으로 제공
    7. MemWrite 신호가 활성화되어 $t1의 값이 계산된 메모리 주소에 기록됨

R-Type 명령어 실행 과정

  • add $t1, $t2, $t3

alt text

R-type 명령어 실행을 위한 Control Signal 설정

  • ALUSrc = 0: 레지스터 파일의 Read data 2를 ALU의 두 번째 입력으로 선택
  • MemtoReg = 0: ALU 결과를 레지스터 파일의 쓰기 데이터로 선택

✅과정:

  1. 명령어 해독:
    • 명령어가 R-type임을 식별
    • 첫 번째 소스 레지스터($t2), 두 번째 소스 레지스터($t3), 목적지 레지스터($t1)를 식별
    • ALU 연산을 add로 설정
  2. register value 읽기:
    • 레지스터 파일에서 $t2 값을 Read data 1로 읽음
    • 레지스터 파일에서 $t3 값을 Read data 2로 읽음
  3. ALU 연산:
    • ALUSrc = 0설정 → 두 번째 ALU 입력으로 레지스터 Read data 2($t3 값)를 선택
    • ALU가 두 값(Read data 1과 Read data 2)을 더함
    • 결과는 ALU result로 출력됨
  4. 결과 저장:
    • MemtoReg = 0설정 → ALU 결과를 레지스터 Wrtie data로 선택
    • RegWrite 신호가 활성화되어 결과 값이 $t1 레지스터에 기록됨

❌R-타입 명령어 실행 중에는 다음 구성 요소들이 사용되지 않는다

  • Sign Extension Unit: R-Type Instruction은 immediate value을 사용하지 않음
  • Data Memory: R-Type Instruction은 메모리 접근을 수행하지 않음

하지만 lw/sw는 레지스터 파일, ALU, Sign Extension Unit, 데이터 메모리 모두 사용!!

CS, Computer Architecture, CA, Assembly language
CS c cpp Computer Architecture CA Assembly language binary code
This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.