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

⚙ Computer Architecture 공부

DataPath 요소 -Instruction Fetching

---

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

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

✅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

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

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

DataPath 통합(R-type+Load/Store)

---

• 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

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!!