[컴퓨터 구조] 프로세서[1] - 데이터패스 제어

 

 

 

 

 

앞선 글에서 살펴본 데이터패스의 제어를 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

🧐 ALU 제어 유닛

RISC-V ALU는 제어 입력 4개를 사용하는 다음 4개의 조합을 정의합니다.

ALU는 명령어 종류에 따라 위의 네 가지 기능들 중 하나를 수행하게 됩니다.

ld, sd 명령어인 경우에는 메모리 주소를 계산하기 위한 덧셈용으로 ALU를 사용합니다.

R 타입 명령어의 경우에는 명령어의 funct7 필드([31 : 25])와 funct3 필드([14:12])값에 따라서 네 가지 연산(AND, OR, add, sub)들 중 하나를 수행하게 됩니다.

조건부 분기 명령어(beq)의 경우 ALU는 두 피연산자에 뺄셈을 한 후 결과가 0인지 아닌지를 테스트합니다.

 

 

 

 

 

따라서 이들을 통해 ALU 제어 유닛을 만들 수 있습니다.

ALU 제어 유닛의 입력은 다음과 같습니다.
- 명령어의 funct7 필드
- 명령어의 funct3 필드
- ALUOp라 불리는 2비트 제어 필드 (주 제어 유닛이 생성합니다.)

이들을 통해 4비트 ALU 제어 신호를 발생시킬 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ ALUOp

ALUOp는 ALU가 수행해야 할 연산을 표시하며 다음과 같습니다.

00 - 덧셈을 수행(적재나 저장 명령어의 경우)

01 - 뺄셈과 결과치가 0인지 테스트(beq의 경우) 

10 - funct7과 funct3을 통해 인해 ALU의 연산을 결정

ALU 제어 유닛의 출력은 4비트 신호이며, 이 4비트 신호는 앞선 ALU 제어 입력 4비트의 조합 중 하나로써 ALU를 직접 제어합니다.

 

 

 

 

다음은 ALU 제어 입력(ALU control input)이 어떻게 생성되는지에 대한 표입니다.

이때 ALUOp 신호는 주 제어 유닛(main control unit)이 만들어내는데, 이 과정은 조금 이따 살펴보도록 하겠습니다.

 

ALUOp가 00이거나 01인 경우에는 Funct7이나 Funct3의 값에 관계 없이 ALU 제어 입력(ALU control input)을 만들어내기 때문에 이들을 don't care 처리 하였습니다.

 

 

주 제어 유닛이 ALUOp를 생성하고, ALU 제어 유닛은 이것을 입력으로 받아서 ALU를 제어하는 실제 신호를 만들어 내는 형식의 다단계 디코딩은 많이 사용되는 구현 기법입니다.

다단계 제어를 사용하면 주 제어 유닛의 크기를 줄일 수 있습니다.

또한 여러 개의 작은 제어 유닛을 사용하면 제어 유닛의 속도를 증가시킬 수 있습니다.

 

제어 유닛의 속도가 클럭 사이클 시간에 큰 영향을 미치는 경우가 많으므로 이러한 최적화는 중요합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 ALU 제어 입력(비트) 만들어내기

2비트의 ALUOp 필드와, funct 필드들(funct3, funct7)을 4비트의 ALU 제어 비트로 사상시키기 위하여 진리표를 작성하면 다음과 같습니다.

00의 경우 ld 이거나 sd 명령어입니다.
01은 beq 명령어입니다.
10은 R-format 명령어입니다.

ALUOp의 값으로는 11이 사용되지 않으므로 절대 입력되지 않는다 생각할 수 있습니다.
따라서 이들을 don't care 항으로 처리하였습니다.
또한 앞서 살펴본 것 처럼 ALUOp가 00이거나 01인 경우에는 funct 필드들의 값은 아무런 영향이 없기 때문에 don't care입니다.

 

 

 

지금까지는 opcode와 2비트 신호(ALUOp)를 제어 입력으로 사용하는 ALU 제어 유닛의 설계 방법을 알아보았습니다.

이제부터는 주 제어 유닛을 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 주 제어 유닛

우선 데이터패스에 필요한 명령어 필드와 제어선들을 알아내는 것으로 시작하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

⭐️ 명령어 형식의 특징

명령어 필드들을 데이터패스에 연결하는 방법을 이해하기 위해서 네 가지 명령어 종류, 

즉 산술 명령어, 적재 명령어, 저장 명령어, 조건부 분기 명령어 종류의 형식을 다시 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

opcode 필드는 항상 명령어의 [6 : 0] 비트에 존재합니다.
opcode에 따라서는 funct3 필드와 funct7 필드가 확장 opcode 필드로 사용됩니다.

R-타입 명령어와 분기 명령어의 첫 번째 레지스터 피연산자는 항상 비트 [19 : 15]에 있는데,
이 필드가 적재/저장 명령어에서는 베이스 레지스터를 지정합니다.

R-타입 명령어와 분기 명령어의 두 번째 레지스터 피연산자는 항상 비트 [24 : 20]에 있습니다.
이 필드가 저장 명령어에서는 메모리에 저장될 레지스터 피연산자를 지정합니다.

분기나 적재/저장 명령어의 다른 피연산자 하나는 12비트 변위입니다.

R- 타입과 적재 명령어의 목적지 레지스터는 항상 비트 [11 : 7]에 있습니다.

 

 

 

 

이제 위의 정보를 모두 사용하여 필요한 모든 제어 신호를 추가한 데이터 패스는 다음과 같습니다.

 

 

 

 

⭐️ 제어 신호들의 역할

위 그림의 제어 신호들의 역할은 다음과 같습니다.

신호 이름	발생하지 않은 경우(0)	발생한 경우(1)
PCSrc (= Branch+ zero)	PC + 4가 새로운 PC의 값이 됩니다.	분기 목적지 주소기 새로운 PC의 값이 됩니다.
MemRead	X	Address 입력이 지정하는 데이터 메모리 내용을 Read data 출력으로 내보냅니다.
MemtoReg	ALU 출력이 레지스터의 Write data 입력이 됩니다.	데이터 메모리 출력이 레지스터의 Write data 입력이 됩니다.
ALUOp(2비트)	ALU 제어 유닛의 입력으로 들어가는 신호를 만들어냅니다. 00 : 덧셈(적재나 저장 명령어의 경우) 01 : 뺄셈과 결과가 0인지 테스트(beq의 경우) 10 : funct7과 funct3으로 인해 결정되는 연산
MemWrite	X	Adress 입력이 지정하는 데이터 메모리 내용을 Write data 입력값으로 바꿉니다.
ALUSrc	레지스터 파일의 두 번째 출력(Read data 2)이 ALU의 두 번째 피연산자가 됩니다.	명령어의 12비트 변위가 부호확장이 되어 ALU의 두 번째 피연산자가 됩니다.
RegWrite	X	Write register의 입력이 지정하는 레지스터에 Write data의 값을 씁니다.

 

제어 신호의 값은 opcode[6 : 0]에만 의존합니다.

 

 

이제 opcode 값에 대하여 제어 신호가 0, 1, don't care 중 어떤 값이 되어야 하는지를 정의하도록 하겠습니다.

 

 

R 형식 명령어들은 레지스터들만을 사용하며, 이들 사이의 유일한 차이점은 ALU가 수행하는 연산이기 때문에 하나로 묶어 표현할 수 있습니다. (ALUOp는 10이므로 ALU 제어 유닛에서 funct 필드들을 추가로 확인하여 ALU 제어 신호를 발생시킵니다.)

 

또한 RegWrite가 0인 경우 레지스터에 쓰지를 않으므로 MemtoReg 값이 무엇이 되든 상관없습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 R- format 명령어에 대한 Datapath

 

 

 

🧐 Load 명령어에 대한 Datapath

 

 

 

 

 

🧐 BEQ 명령어에 대한 Datapath