[CA] Chapter 6-2: Processor(1-2)

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R-Type 명령어 Datapath

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R-Type Datapath는 두 가지 구성요소로 이루어짐

1. Register File
   • 32개의 32bits register를 포함
   • 3개의 포트가 존재
   • 두 개의 read 포트: 동시에 두 개의 레지스터 값을 읽을 수 있음
   • 하나의 write 포트: 결과를 레지스터에 저장할 수 있음
2. **ALU**
   • 실제 연산을 수행하는 하드웨어
   • 어떤 연산을 수행할지는 4비트 제어 신호로 결정

Load/Store 명령어 Datapath

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1. Sign Extension Unit:
   • 명령어의 16비트 상수(offset/immediate)를 32비트로 확장
   • 최상위 비트(부호 비트)를 복제하여 16비트를 32비트로 확장
   • 음수 값을 올바르게 처리하기 위함
2. Data Memory:
   • 프로그램 데이터를 저장하는 메모리
   • 포트:
   • Address: 메모리 위치를 지정
   • Write data: 저장할 데이터 값
   • Read data: 메모리에서 읽어온 데이터 값 * 제어 신호:
   • MemRead: 메모리에서 데이터를 읽을 때 활성화
   • MemWrite: 메모리에 데이터를 쓸 때 활성화

통합 Datapath

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1. Mux(Multiplexer):
   • 두 개 이상의 입력 중 하나를 선택하여 출력으로 전달하는 장치
   • 선택은 Control Signal에 의해 결정됨
2. Control Signal:
   • ALUSrc: ALU의 두 번째 입력을 선택
   • 0: 레지스터 파일의 출력(R-Type)
   • 1: 부호 확장된 상수(load/store)

• MemtoReg: 레지스터에 쓸 데이터 선택
  • 0: ALU 결과(R-Type)
  • 1: 메모리에서 로드한 데이터(load)
• RegWrite: 레지스터 파일에 쓰기 작업 활성화
  • R-Type과 load 명령어에서 1, store 명령어에서 0
• MemRead: 데이터 메모리 읽기 활성화
  • load 명령어에서만 1
• MemWrite: 데이터 메모리 쓰기 활성화
  • store 명령어에서만 1

Execution of R-Type on the Datapath

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and instruction

and $s2, $s1, $t3는 R-type instruction → Register File과 ALU만 활용

✅실행 단계:

1. 명령어 해석:
   • Read register 1: 첫 번째 소스 레지스터($s1)
   • Read register 2: 두 번째 소스 레지스터($t3)
   • Write register: 목적지 레지스터($s2)
2. 레지스터 값 읽기:
   • Read data 1: $s1의 값
   • Read data 2: $t3의 값
3. ALU 연산:
   • ALUSrc = 0: ALU의 두 번째 입력으로 레지스터 값(Read data 2)을 선택
   • ALU operation = 0000(and 연산): 두 값에 비트단위 and 연산을 수행
   • 결과가 ALU result에 저장됨
4. 결과 저장:
   • MemtoReg = 0: 레지스터에 쓸 데이터로 ALU 결과를 선택
   • RegWrite = 1: 레지스터 파일에 쓰기 작업을 활성화
   • 결과가 목적지 레지스터($s2)에 저장됨

R-Type instruction에서는 다음과 같은 control signal이 활성화:

• ALUSrc = 0 (레지스터 값 사용)
• MemtoReg = 0 (ALU 결과 선택)
• RegWrite = 1 (레지스터 쓰기 활성화)
• MemRead = 0 (메모리 읽기 비활성화)
• MemWrite = 0 (메모리 쓰기 비활성화)
• ALU operation: (and의 경우 0000)

sub instruction

sub $t1, $t2, $t3는 R-type instruction → Register File과 ALU만 활용

✅실행 단계:

1. 명령어 해석:
   • Read register 1: 첫 번째 소스 레지스터($t2)
   • Read register 2: 두 번째 소스 레지스터($t3)
   • Write register: 목적지 레지스터($t1)
2. 레지스터 값 읽기:
   • Read data 1: $t2의 값
   • Read data 2: $t3의 값
3. ALU 연산:
   • ALUSrc = 0: ALU의 두 번째 입력으로 레지스터 값(Read data 2)을 선택
   • ALU operation = 0110(sub 연산): 두 값에 비트단위 sub 연산을 수행
   • 결과가 ALU result에 저장됨
4. 결과 저장:
   • MemtoReg = 0: 레지스터에 쓸 데이터로 ALU 결과를 선택
   • RegWrite = 1: 레지스터 파일에 쓰기 작업을 활성화
   • 결과가 목적지 레지스터($s2)에 저장됨

Execution of Load on the Datapath

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load instruction

lw $s3, 32($t0)는 load instruction → base register와 offset을 더해서 메모리 주소 계산 과정 추가

✅실행 단계:

1. 명령어 해석:
   • Read register 1: base address 레지스터($t0)
   • Immediate value: offset(32)
   • Write register: 목적지 레지스터($s3)
2. base address 읽기:
   • Read data 1: $t0의 값
3. 오프셋 부호 확장:
   • 16bits offset을 32bits로 부호 확장
   • Sign-extend: 32(16bits) → 32(32bits)
4. address 계산:
   • ALUSrc = 1: ALU의 두 번째 입력으로 부호 확장된 offset(32)을 선택
   • ALU operation = 0010: add 연산을 수행
   • ALU에서 base address(Read data 1, $t0의 값)와 부호 확장된 offset(32)을 더해 메모리 주소를 계산
5. 메모리 접근:
   • 계산된 주소를 사용하여 Data Memory에 접근
   • MemRead = 1: 데이터 메모리 읽기 작업을 활성화
   • 메모리에서 데이터를 읽어옴
6. 데이터 저장:
   • MemtoReg = 1: 레지스터에 쓸 데이터로 메모리에서 읽어온 데이터를 선택
   • RegWrite = 1: 레지스터 파일에 쓰기 작업을 활성화
   • 메모리에서 읽어온 데이터가 목적지 레지스터($s3)에 저장됨

load instruction에서는 다음과 같은 control signal이 활성화:

• ALUSrc = 1 (부호 확장된 오프셋 사용)
• MemtoReg = 1 (메모리에서 읽어온 데이터 선택)
• RegWrite = 1 (레지스터 쓰기 활성화)
• MemRead = 1 (메모리 읽기 활성화)
• MemWrite = 0 (메모리 쓰기 비활성화)
• ALU operation = 0010 (항상 덧셈 연산)

store instruction

sw $t1, 100($t2)는 store instruction → base register와 offset을 더해서 메모리 주소 계산 과정 추가

✅실행 단계:

1. 명령어 해석:
   • Read register 1: base address 레지스터($t2)
   • Immediate value: offset(100)
   • Write register: 목적지 레지스터($t1)
2. 레지스터 값 읽기:
   • Read data 1: $t2의 값
   • Read data 2: $t1의 값
3. 오프셋 부호 확장:
   • 16bits offset을 32bits로 부호 확장
   • Sign-extend: 32(16bits) → 32(32bits)
4. address 계산:
   • ALUSrc = 1: ALU의 두 번째 입력으로 부호 확장된 offset(100)을 선택
   • ALU operation = 0010: add 연산을 수행
   • ALU에서 base address(Read data 1, $t2의 값)와 부호 확장된 offset(100)을 더해 메모리 주소를 계산
5. 메모리에 데이터 쓰기:
   • Memwrite = 1: 계산된 주소에 데이터를 쓰기를 활성화
   • 계산된 주소(ALU result)는 데이터 메모리의 Address 입력으로 전달됨
   • $t1의 값(Read data 2)은 데이터 메모리의 Write data input으로 직접 전달됨
   • $t1 레지스터 값이 계산된 메모리 주소($t2 + 100)에 저장됨