[CA] Chapter 7-1: Processor(2-1)

⚙ Computer Architecture 공부

Branch instruction

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branch instruction: 조건에 따라 PC의 값을 변경하여 다음에 실행할 명령어의 위치를 바꾸는 역할을 한다. beq $t1, $t2, offset_value : $t1, $t2의 값이 같으면 PC를 현재 위치에서 offset_value만큼 이동해라

branch instruction의 target address 계산

branch instruction은 PC-relative addressing을 사용

• target address = (PC+4) + (offset_value * 4)
  • PC+4: 다음 명령어의 주소
  • offset_value * 4: 바이트 단위의 branch offset
• offset_value는 명령어에 16bits로 인코딩되어 있어서 이를 처리하기 위해:
  • Sign extension: 16bist 값을 32bits로 확장
  • Shift left 2bits: word 단위(4bytes)로 변환하기 위함

branch instruction 실행 시나리오

1. 조건이 참인 경우:
   • branch가 “taken”되었다고 표현
   • PC ← target address(다음 명령어는 target address에서 가져옴)
2. 조건이 거짓인 경우:
   • branch가 “not taken”되었다고 표현
   • PC ← PC + 4(다음 명령어는 순차적으로 실행)

DataPath Elements: Branch

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✅branch instruction을 위해 datapath에 필요한 요소:

1. target address 계산을 위한 요소:
   • Sign extension unit: offset_value를 16bits에서 32bits로 확장
   • Shift left 2 unit: offset_value를 word 단위로 변환
   • Adder: (PC + 4) + (offset_value * 4) 계산
2. register value 비교를 위한 요소:
   • Register file: $t1과 $t2 값을 제공
   • ALU: 두 레지스터 값을 비교(sub 연산을 통해)
   • ALU 연산 코드 = 0110: sub 연산 수행
3. branch 결정을 위한 요소:
   • Zero signal: ALU 결과가 0(두 값이 다름) 혹은 1(두 값이 같음)인지 확인
   • PCSrc control signal: PC의 다음 값을 선택(PC+4 또는 target address)

Execution of Branch

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beq $t1, $t2, offset_value → shift left 2 unit이 추가됨

✅실행 단계:

1. 명령어 해석:
   • • 명령어 beq $t1, $t2, offset_value에서 필요한 정보 추출:
   • 두 개의 레지스터 주소: $t1(Read register 1), $t2(Read register 2)
   • 오프셋 값: offset_value(16bits)
2. 두 가지 작업 병렬 수행:
   • target address 계산:
   • 오프셋 값을 16비트에서 32비트로 부호 확장
   • 부호 확장된 값을 왼쪽으로 2bits shift(word 단위 변환)
   • PC+4와 시프트된 오프셋을 더해 타겟 주소 계산: (PC+4) + (offset_value * 4)

• 레지스터 값 비교:
  • 레지스터 파일에서 $t1과 $t2의 값을 읽음
  • ALUSrc = 0: ALU의 두 번째 입력으로 레지스터 값($t2) 선택
  • ALU operation = 0110: 뺄셈 연산 수행($t1 - $t2)
  • 두 값이 같으면 결과가 0이 되고, ALU의 Zero 출력이 1이 됨

1. 분기 결정:
   • Zero = 1 (두 값이 같음):
   • PCSrc = 1: 타겟 주소가 다음 PC 값으로 선택됨
   • 다음 명령어는 타겟 주소에서 인출됨

• Zero = 0 (두 값이 다름):
  • PCSrc = 0: PC+4가 다음 PC 값으로 선택됨
  • 다음 명령어는 순차적으로 인출됨

1. PC 업데이트:
   • 선택된 주소(target address 또는 PC+4)가 PC 레지스터에 저장됨
   • 다음 클록 사이클에서 새로운 PC 값에 따라 명령어 인출 시작

조금 더 풀어서 적어보자면

1. 명령어 인출:
   • 주소 1000에서 beq $t1, $t2, 5 명령어 인출
   • PC+4 = 1004 계산
2. 타겟 주소 계산:
   • offset_value = 5 (16bits 표현: 0x0005)
   • 부호 확장: 0x00000005 (32bits)
   • 왼쪽 시프트: 0x00000014 (십진수로 20)
   • 타겟 주소 = 1004 + 20 = 1024 (0x400)
3. 조건 평가:
   • $t1 = 25, $t2 = 25 읽기
   • ALU 연산: 25 - 25 = 0
   • Zero = 1 (두 값이 같음)
   • Branch = 1 (beq 명령어)
   • PCSrc = 1 AND 1 = 1
4. PC 업데이트:
   • PCSrc = 1이므로 PC ← 1024
   • 다음 명령어는 주소 1024에서 인출됨

• 만약 $t1 = 25, $t2 = 30이었다면:
  • ALU 연산: 25 - 30 = -5
  • Zero = 0 (두 값이 다름)
  • PCSrc = 1 AND 0 = 0
  • PC ← 1004 (PC+4)
  • 다음 명령어는 순차적으로 주소 1004에서 인출됨