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

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By xmoonanx
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[CA] Chapter 7-2: Processor(2-2)

⚙ Computer Architecture 공부

Execution of Store

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sw $s1, 30($t5) → $s1 레지스터의 값을 $t5 레지스터의 값에 30을 더한 메모리 주소에 저장

✅실행 단계:

  1. 명령어 해석:
    • Read register 1: base address 레지스터($t5)
    • Immediate value: offset(30)
    • Write register: 목적지 레지스터($s1)
  2. 레지스터 값 읽기:
    • Read data 1: $t5의 값
    • Read data 2: $s1의 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(30)을 선택
    • ALU operation = 0010: add 연산을 수행
    • ALU에서 base address(Read data 1, $t5의 값)와 부호 확장된 offset(30)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
    • $s1의 값(Read data 2)은 데이터 메모리의 Write data input으로 직접 전달됨
    • $s1 레지스터 값이 계산된 메모리 주소($t5 + 30)에 저장됨

📝정리:

  1. Rs, Rt, offset
    • Rs(Source Register): $t5 - 메모리 주소의 기본값을 제공하는 레지스터
    • Rt (Target Register): $s1 - 메모리에 저장할 데이터를 포함하는 레지스터
    • Offset: 30 - 메모리 주소 계산에 사용되는 상수값
  2. ALUSrc? ALU operation?
    • ALUSrc: 1 - ALU의 두 번째 입력으로 부호 확장된 상수(30)를 사용
    • ALU operation: 0010(add) - 덧셈 연산을 수행
  3. MemWrite? MemRead? RegWrite?
    • MemWrite: 1 - 메모리 쓰기 활성화
    • MemRead: 0 - 메모리 읽기 비활성화
    • RegWrite: 0 - 레지스터 쓰기 비활성화
  4. MemtoReg?
    • MemtoReg: X (Don’t care) - 레지스터에 쓰기를 하지 않으므로 중요하지 않음

Execution of branch

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beq $s3, $t1, 100 → $s3와 $t1의 값이 같으면 PC+4에 (100*4)를 더한 주소로 점프

✅실행 단계:

  1. 명령어 해석:
    • 두 개의 레지스터 주소: $s3(Read register 1), $t1(Read register 2)
    • 오프셋 값: 100(16bits)
  2. 두 가지 작업 병렬 수행:
    • target address 계산:
    • 오프셋 값 100을 16비트에서 32비트로 부호 확장
    • 부호 확장된 값을 왼쪽으로 2bits shift(word 단위 변환)
    • PC+4와 2bits 시프트된 오프셋을 더해 타겟 주소 계산: (PC+4) + (100 * 4)
  • 레지스터 값 비교:
    • 레지스터 파일에서 $s3과 $t1의 값을 읽음
    • ALUSrc = 0: ALU의 두 번째 입력으로 레지스터 값($t1) 선택
    • ALU operation = 0110: 뺄셈 연산 수행($s3 - $t1)
    • 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

📝정리:

  1. ALUSrc?
    • ALUSrc = 0: BEQ 명령에서는 두 레지스터 값을 비교해야 하므로, 두 번째 ALU 입력으로 레지스터 값을 사용
  2. ALU operation?
    • ALU operation = 0110 (sub)
  3. MemRead? MemWrite? RegWrite? MemtoReg?
    • MemRead = 0: BEQ 명령은 메모리 읽기 수행 X
    • MemWrite = 0: BEQ 명령은 메모리 쓰기 수행 X
    • RegWrite = 0: BEQ 명령은 레지스터에 값을 쓰지 않음
    • MemtoReg = X(Don’t care): RegWrite가 0이므로 중요하지 않음
  4. PCSrc?
    • Zero = 0(두 값이 다름): PCSrc = 0 → PC+4가 다음 PC 값
    • Zero = 1(두 값이 같음): PCSrc = 1 → 계산된 타겟 주소가 다음 PC 값

DataPath Elements for Jump

📚Jump Instruction: 무조건 분기 명령으로, 프로그램 실행 흐름을 지정된 주소로 즉시 변경

Pseudo-Direct Addressing

Pseudo-Direct Addressing: jump instruction의 target address 계산 방식

✅계산 방식:

  1. PC+4의 상위 4bits 추출 [31:28]
    • 현재 명령어 다음 명령어(PC+4)의 상위 4비트를 가져옴
    • 이는 현재 코드의 ‘영역’을 유지하기 위함
  2. 명령어의 하위 26비트 확장 [25:0] → [27:0]
    • 명령어에서 26비트 오프셋을 추출
    • 이 값을 왼쪽으로 2bits shift(× 4)하여 bytes address로 변환
    • 결과적으로 28bits 값 [27:0]
  3. 최종 타겟 주소 조합
    • jump target address [31:0] = (1) PC+4 [31:28] ⊕ (2) 확장된 오프셋 [27:0]

Jump의 데이터패스 요소

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  1. PC+4 추출기
    • 현재 PC+4의 상위 4bits [31:28]을 추출
  2. Shift left 2 Unit
    • 명령어의 26비트 오프셋 [25:0]을 왼쪽으로 2비트 시프트하여 [27:0]으로 확장
  3. Jump address 조합기
    • PC+4 [31:28]와 확장된 오프셋 [27:0]을 결합 → 최종 32bits jump target address [31:0]를 생성

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  1. MUX 추가
    • 이 MUX는 다음 세 가지 입력 중 하나를 선택:
      1. PC+4: 다음 명령어의 주소(순차적 실행)
      2. Branch Target: 조건부 분기(beq, bne 등)의 타겟 주소
      3. Jump Target: JUMP 명령의 타겟 주소
    • 선택하는 과정은 다음과 같음:
      1. (i)/(ii) 중 하나를 선택(기존 Branch MUX)
      2. (i)/(ii)의 결과와 (iii) 중 하나를 선택(새로운 Jump MUX)
  • Jump Contorl Signal:
    • 명령어 [31:26] = 000010(JUMP 명령의 op코드)일 때 Jump = 1로 설정
    • 이 신호는 새로운 MUX가 점프 타겟 주소(iii)를 선택하도록 제어
    • Jump = 0이면 MUX는 이전 결과인 (i)/(ii)를 선택

✅실행 단계:

  1. 명령어 가져오기(Fetch):
    • PC에 저장된 주소에서 명령어를 가져옴
  2. 명령어 해독(Decode):
    • 명령어의 “opcode [31:26] = 000010(JUMP)“인지 확인
    • JUMP로 확인되면 Jump Contorl Signal를 1로 설정
  3. 주소 계산(Execute):
    • PC+4의 상위 4비트 [31:28]를 추출
    • 명령어의 하위 26비트 [25:0]를 왼쪽으로 2비트 시프트
    • 두 부분을 결합하여 최종 점프 타겟 주소를 생성
  4. PC Update:
    • Jump = 1이므로, MUX는 계산된 점프 타겟 주소를 선택
    • PC는 이 점프 타겟 주소로 업데이트
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