[컴퓨터 구조] 프로세서[0] - 데이터패스 구현

 

 

 

 

 

 

🧐 기본적인 RISC-V 구현 개요

이제부터 다음 핵심적인 명령어들을 실행하기 위한 프로세서를 설계하는 과정을 통해, 프로세서에 대해 알아보도록 하겠습니다.

메모리 참조 명령어 : ld, sd

산술 논리 명령어 : add, sub, and, or

조건부 분기 명령어 :  beq

이러한 명령어를 구현하는 데 필요한 것의 대부분은 명령어가 어떤 명령어인지와 상관없이 동일합니다.

 

 

모든 명령어의 첫 두단계는 다음과 같이 동일합니다.

1. 프로그램 카운터(PC)를 프로그램이 저장되어 있는 메모리에 보내서 메모리로부터 명령어를 가져옵니다.

2. 읽을 레지스터를 선택하는 명령어 필드를 사용하여 하나 또는 2개의 레지스터를 읽습니다.

그러나 이 이후부터는 명령어의 종류에 따라 수행해야 할 행동들이 달라집니다.

 

RISC-V 명령어 집합의 단순함과 규칙적인 특성이 많은 종류의 명령어 실행을 비슷하게 만들어 줌으로써 구현을 단순화합니다.

 

 

예를 들어 모든 명령어 종류는 레지스터를 읽은 후 ALU를 사용하는데, 각각의 목적은 다음과 같습니다.

• 메모리 참조 명령어(ld, sd)는 주소 계산을 위해 사용합니다.
• 산술, 논리 명령어는 연산을 수행하기 위해 사용합니다.
• 조건부 분기 명령어는 비교하기 위해서 사용합니다.

 

ALU를 사용한 후 명령어 실행을 끝내기 위해 필요한 동작은 명령어 종류에 따라 서로 다릅니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 간단한 데이터패스

아래 그림은 여러 기능 유닛(장치)들과 그들 사이의 연결(데이터패스)을 추상적으로 표현한 것입니다.

위 그림은 프로세서 내의 데이터 흐름을 거의 다 보여주고 있지만 명령어 실행에 필요한 두 가지 측면이 제외되어 있습니다.

 

 

첫째로, 서로 다른 source에서 나온 데이터가 같은 유닛으로 가는 곳이 몇 군데 있습니다.

 

예를 들면 PC에 들어가는 값은 두 개의 덧셈기에서 나옵니다.

(하나는 4가 더해지고, 하나는 Instruction으로부터 나옵니다.)

 

ALU의 두번째 입력은 레지스터 혹은 명령어의 immediate 필드에서 나오며,

 

레지스터 파일에 쓰여질 데이터는 ALU나 Data memory에서 나옵니다.

실제로는 이들을 단순히 연결하는 것이 불가능하기 때문에 멀티플렉서를 통해 구현합니다.

 

 

 

둘째로 어떤 유닛(장치)들은 명령어 종류에 따라 다르게 제어되어야 합니다.

 

예를 들어 데이터 메모리는 적재 명령어일 때는 읽기, 저장 명령어일 때는 쓰기를 해야 합니다.

 

ALU는 여러 연산(더하기, 곱하기, 나누기, 빼기)들 중 하나를 수행해야 합니다.

이러한 동작들은 명령어의 여러 필드 값에 따라 정해지는 제어선에 의해 통제됩니다.

 

 

 

아래 그림은 위의 그림에서 제어선과 멀티플렉서를 추가한 그림입니다.

제어 유닛(control unit)은 기능 유닛들과 두 멀티플렉서(우측의 두 개에 해당)의 제어선 값을 결정하는 데 사용하는 것으로, 명령어를 입력으로 받습니다.

 

이제 위 그림을 하나하나 살펴보며 이해해 보도록 하겠습니다.

 

우선 데이터패스 설계를 시작하기 위해 RISC-V 명령어 종류 각각을 실행하는데 필요한 주요 구성 요소들을 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 명령어를 인출하고 PC를 증가시키는 데이터패스

 

아래는 프로그램 카운터(PC)로써, 현재 명령어의 주소를 가지고 있는 레지스터입니다.

 

 

 

아래는 프로그램의 명령어를 저장하고, 주소가 주어지면(Instruction address) 해당 주소에 저장된 명령어를 보내주는 메모리 유닛입니다.

Instruction address에 들어온 주소에 해당하는 Instruction을 출력한다.

 

명령어를 실행하기 위해서는 메모리에서 명령어를 가져오는(fetch) 것으로 시작해야 합니다.

 

다음 명령어 실행을 준비하기 위해서 프로그램 카운터가 다음 명령어를 가리키도록 4만큼 증가시켜야 합니다.

 

PC가 다음 명령어를 가리킬 수 있도록 값을 증가시켜주는 덧셈기가 필요한데, 이 덧셈기는 ALU를 가지고 쉽게 만들 수 있습니다.

 

ALU에서 실행할 수 있는 많은 연산들 중 덧셈만 사용하도록 제어선을 연결하면 됩니다.

 

이런 ALU는 영구적으로 덧셈기로 만들어지며, 다른 ALU 기능(곱하기, 빼기, 나누기)은 수행할 수 없으므로 아래 그림처럼 Add를 붙이도록 하겠습니다.

Add 연산만 수행할 수 있는 ALU

 

 

 

 

 

위에서 살펴본 세 가지 기본 유닛들을 합쳐 명령어를 인출하고, PC를 증가시켜 다음 명령어의 주소를 구하는 데이터패스를 만들면 아래와 같습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 R 형식 명령어의 데이터패스

모든 R형식 명령어들은 2개의 레지스터를 읽고, 해당 값들을 통해 ALU 연산을 수행하며 그 결과를 레지스터에 씁니다.

해당 타입 명령어들을 R 타입 명령어 또는 산술/논리 명령어라 부릅니다.

해당 명령어에는 add, sub, and, or 명령어를 포함하고 있습니다.

 

 

프로세서의 범용 레지스터 32개는 레지스터 파일(register file) 속에 들어있습니다.

 

레지스터 파일은 레지스터들을 모아 놓은 것으로, 파일 내의 레지스터의 번호를 지정하면 어떤 레지스터라도 읽고 쓸 수 있습니다.

 

 

 

R 형식 명령어들은 레지스터 피연산자 3개를 가지고 있기 때문에, 매 명령어마다 레지스터 파일에서 두 데이터를 읽고 데이터 하나를 써야 합니다.

 

레지스터에서 데이터를 읽기 위해서는 레지스터의 입력과 출력이 한번씩 필요합니다.

읽을 레지스터 번호를 지정(Read register)하는 입력과, 레지스터에서 읽은 값을 내보내는 출력(Read Data)입니다.

 

데이터를 쓰기 위해서는 입력이 2개 필요합니다.

한 입력은 레지스터 번호를 지정(Wrtie register)하고, 다른 입력은 레지스터에 쓸 데이터 값을 제공(Wrtie data)합니다.

 

 

 

레지스터 파일은 Read register 입력에 제공되는 번호에 해당하는 레지스터의 내용을 항상 출력합니다.

그러나 쓰기는 쓰기 제어 신호에 의해 제어되므로 클럭 에지에서 쓰기가 발생하기 위해서는 해당 제어 신호가 1이 되어야 합니다.

 

 

 

따라서 전체적으로 입력 4개(레지스터 번호 3개와 데이터 1개)와 출력 2개(모두 데이터)가 필요합니다.

 

이를 아래 그림에 나타내었습니다.

RegWrite가 1일 때만 Write register에 Write Data 값이 써진다.

 

 

 

ALU 에서는 해당 레지스터에서 읽은 두 데이터를 통해 연산을 수행하고 결과를 반환합니다.

ALU는 여러 연산을 수행할 수 있지만 명령어에 따라 수행되어야 하는 연산이 정해져 있습니다.

이를 제어하기 위해 ALU 제어 유닛이 사용되는데 이는 뒤에서 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 메모리(I-, S-) 형식 명령어의 데이터패스

ld 명령어와 sd 명령어는 두 개의 레지스터와 한 개의 immediate를 가집니다.

해당 명령어들은 베이스 레지스터와 명령어에 포함되어 있는 12비트 immediate를 통해 메모리 주소를 계산합니다.

 

저장 명령어라면 저장할 값을 레지스터 파일에서 읽어 와야 하며,

적재 명령어라면 메모리로부터 읽어들인 값을 지정된 레지스터에 써야 합니다.

 

 

따라서 두 명령어 모두 레지스터 파일과, 메모리 주소를 계산하는 데 사용될 ALU가 필요합니다.

또한 12비트 값을 64비트 값으로 부호확장하는 유닛이 필요하며, 

읽고 쓸 데이터 메모리가 필요합니다.

 

데이터 메모리는 저장 명령일 때만 쓰기를 해야 합니다.

따라서 데이터 메모리는 읽기 제어 신호와 쓰기 제어 신호, 주소 입력, 메모리에 쓸 데이터 입력이 필요합니다.

(읽기 제어 신호는 올바르지 않은 주소의 값을 읽는 것을 방지하기 위해 필요합니다.)

 

MemWrite와 MemRead는 동시에 1이 될 수 없습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 분기 명령어의 데이터패스

분기 명령어(beq)는 3개의 피연산자를 갖는데, 2개의 레지스터와 12비트의 offset입니다.

 

2개의 레지스터는 같은지 비교될 피연산자이며, 

12비트 offset은 분기 명령어의 주소에 대한 상대적인 분기 목적지 주소를 계산하는 데 사용되는 값입니다.

 

이 명령어를 구현하기 위해서는 PC값에다가 offset 필드를 부호확장한 값을 더해서 분기 목적지 주소를 계산해야 합니다.

 

분기 명령어에서는 주의해야 할 점이 두 가지 있는데 다음과 같습니다.

분기 주소 계산의 베이스 주소는 분기 명령어 주소입니다.

변위 필드는 하프워드 변위이므로, 왼쪽으로 1비트만큼 자리이동 하여야 합니다.

분기 목적지 주소를 계산하는 것 외에도, 분기 명령어는 두 피연산자 레지스터가 동일한지의 여부를 통해 next instruction으로 받아올 주소가 달라집니다.

 

두 피연산자 값이 같을 때 분기 목적지 주소가 새로운 PC값이 되며, 이때 분기가 일어났다(taken)라고 말합니다.

 

반대로 두 피연산자 값이 다를 때에는 다른 명령어와 동일하게 PC의 값이 4 증가되며, 이 값이 새로운 PC값이 됩니다.

이 경우에는 분기가 일어나지 않았다(not taken)라고 합니다.

 

 

따라서 분기 데이터패스는 분기 목적지 주소를 계산하고, 레지스터 내용을 비교하는 두 가지 일을 해야 합니다.

레지스터 내용의 비교는 ALU를 통해 이루어지며, 뺄셈을 하도록 만드는 제어 신호를 ALU에 함께 보냅니다.

 

분기를 다루는 데이터패스는 아래와 같습니다.

 

ALU는 연산 결과가 0인지를 연산의 종류에 관계없이 항상 출력하지만, 앞으로 해당 Zero 신호의 사용은 조건부 분기 명령어의 같은지의 비교 테스트를 구현하기 위해서만 사용하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 데이터패스 유닛 공유

위에서 살펴본 데이터패스 구성 요소들을 하나로 묶고 여기에 제어를 추가하여 데이터패스의 구현을 완성할 수 있습니다.

저희가 살펴볼 데이터패스는 모든 명령어가 한 클럭 사이클에 실행되도록 할 것이므로, 어느 데이터패스 자원도 명령어 당 두 번 이상 사용될 수 없습니다.

 

따라서 두 번 이상 사용할 필요가 있는 구성 요소는 필요한 만큼 여러개를 두어야 합니다.

 

그러므로 데이터 메모리와 별도로 명령어 메모리가 필요합니다.

(이들은 명령어 캐시와, 데이터 캐시로 분리되어 제공됩니다.)

 

몇몇 기능 유닛은 여러개를 사용할 필요가 있지만, 많은 구성 요소들이 서로 다른 명령어 흐름들이 공유하여 사용할 수 있습니다.

 

여러 명령어 종류에서 데이터패스 구성 요소들을 공유하기 위해서는 그 구성 요소의 입력으로 여러 연결을 허용해야 하며, 멀티플렉서와 제어 신호를 사용하여 그 입력들 중 하나를 사용해야 합니다.

 

아래는 이들을 모두 합쳐 만든 전체 데이터패스입니다.