4.4 A Simple Implementation Scheme

간단한 구현 개요

🔑Table of Contents

1. ALU Control
2. The Main Control Unit
3. Datapath with Control
4. R-type Instruction
5. R-Type instuction의 Data 및 Control 흐름
6. Load Instruction
7. Load Instruction 의 Data 및 Control 흐름
8.  Branch-on-Equal Instruction
9. Branch Instruction의 data 및 control흐름
10. Implementing Jumps
11. Datapath with jumps added
12. Adding the Jump Operation
13. Performance Issues

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📌ALU Control

• ALU는 다음에 쓰임
  • Load/Store : F = add (레지스터에저장된 값 +4를 읽어 계산한다)
  • Branch: F = subtract
  • R-type: F는 funct fidld에 따라 다르다 

ALU control	기능
0000	AND
0001	OR
0010	add
0110	subtract
0111	set-on-less-than(SLT)
1100	NOR

 

opcode	ALUOP	Operation	funct	ALUfunction	ALUcontrol
lw	00	load word	x	add	0010
sw	00	store word	x	add	0010
beq	01	branch equal	x	subtract	0110
R-type	10	add	100000(32)	add	0010
		subtract	100010(34)	subtract	0110
		AND	100100(36)	AND	0000
		OR	100101(37)	OR	0001
		set-on- less-than(SLT)	101010(42)	set-on- less-than	0111

 

📌THE Main control Unit

control신호는 명령어로 부터 얻어진다

R-type	0	rs	rt	rd	shamt	funct
lw/sw	35 | 43	rs	rt	address
Branch	4	rs	rt	address

 

📌Datapath with Control

 

 

📌 R-Type Instruction

 

📌 R-Type Instruction의 Data 및 control흐름

 

→ PC +4 계산 && PC →instruction Memory

→ control 유닛

예 (add)

ALUOp	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
10	0	1	0	0	0	1	0

예(addi)

ALUOp	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
00	0	0	0	0	0	1	1

• RegDst : 데이터를 쓰기전에 어떤 값이 저장될지 결정 ((1)r-type: rd레지스터, (0)i-type : rt)
• ALUOp : ALU가 수행할 연산 유형지정
• RegWrite : 레지스터 쓰기활성화 여부 결정
• ALUSrc : ALU에 입력으로 들어갈 값 결정(레지스터 값 or 상수)

→ register File

• Read register1 : rs에서 값 읽기
• Read register 2 : rt에서 값 읽기

→ ALU

• Read data1 : rs
• Read data2 : rt    → MUX(0 : rt 레지스터값 선택/1: i-type 명령어)
• control unit에서 ALU Control에 따라 ALU가 지정된 연산 수행

→ Register

 

📌 Load Instruction

 

📌 Load word Instruction의 Data 및 Control 흐름

→ PC +4 계산 && PC →instruction Memory

→ control 유닛

(lw)

ALUOp	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
00	0	0	1	1	0	1	1

(sw)

ALUOp	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
00	0	x	0	x	1	0	1

※write back단계에서 레지스터값을 업데이트하지않아 mux가 필요하지않기에 RegDst가 사용되지 않음

• ALUOp : 주소 계산을 위해 add 연산지정
• RegWrite : (1), 메모리에서 읽은 데이터를 레지스터에 저장하기 위함
• ALUSrc : (1), ALU의 두번째 입력으로 immediate값을 선택해야함

→ register File

• Read register1 : rs에서 값 읽기
• Read register 2 : rt 필드는 사용되지않음

→ ALU

• Read data1 : rs
• Read data2 : MUX를 통해 선택된 immediate 값
• ALU = rs주소값 + immediate(3) 메모리 주소계산

→ Data Memory 

• 계산된 메모리 주소에서 데이터를 읽어옴
• read Data →  MUX(1: data memory의 출력값 / 0: ALU의 연산) 

→ Register

 

📌 Branch-on-Equal Instruction

 

📌 Branch Instruction의 data 및 control흐름

→ PC +4 계산 && PC →instruction Memory

→ control 유닛

ALUOp	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
01	1	x	0	x	0	0	0

• ALUOp : 두 레지스터 값 비교를 위해 subtract 연산지정
• RegWrite : 비활성화(0)
• ALUSrc : 비활성화(0), ALU의 두번째 입력은 rt값

→ Sign Extend → Shift left 2 → Add (분기주소계산) → Mux (0:조건거짓일때 다음명령어로, 1:참일때 분기주소로)

→ register File (Read register1 : rs에서 값 읽기, Read register 2 : rt에서 값 읽기)

 

→ ALU ( Read data1 : rs, Read data2 : rt)

• ALU = rs값 - rt 값
  • 결과가 0이면 조건이 참 : 분기
  • 결과가 0이 아니면 거짓 , 분기 안하고 다음 명령어로 이동

 

📌Implementing Jumps

2

address

• word address를 사용한점프 (직접주소를 사용)
• 이어붙이기 방식으로 PC계산
  • 26비트의 주소
  • 왼쪽으로 shift2번해서 *4의결과
  • 현재PC + 상위 4비트를 합침 = 32비트
  • opcode로부터 해석된 추가적인 control신호가 필요함

📌 Datapath with jumps added

 

📌 Adding the Jump Operation

→ PC +4 계산 && PC →instruction Memory

→ control 유닛

ALUOp	jump	Branch	RegDst	MemRead	MemToReg	MemWrite	RegWrite	ALUSrc
x	1	0	x	0	x	0	0	x

• ALUOp : (0)
• RegWrite : (0)
• ALUSrc : (0)
• Jump: (1)

→ Shift left 2 

→Mux (1 : jump일경우 jump주소로,  0:아닐경우 다음명령어로)

 

 

📌 Performance Issues

• 가장 지연시간이 긴 부분이 전체클럭주기를 결정
  • 특히 치명적인 경로(경로가 길어 delay가 클 확률이 높은) : load instruction
  • instruction memory → register → ALU → data memory → register
• 다른명령어에 다른 주기로 실행 불가
  • 모든 명령어는 한 클럭사이클에 실행되어야하며 모두 같은 클럭 사이클 시간이어야함
• 설계 원칙을 위반한다
  • 가장 느린것에 맞춰지니까 자주 사용되는 경로를 빠르게 해라에 위배됨
  • 자주 사용되는 경로를 빠르게 하려고 해봤자 가장 느린것에 맞춰짐
• 따라서, 파이프라이닝을 통해 성능을 향상시킬 것임