🖥 Computer Science/컴퓨터 구조

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. A..

🧐 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-..

🧐 부동소수점 덧셈 덧셈의 경우에는 다음과 같은 과정을 통해 이루어집니다. 1. 더해지는 두 수 중 지수가 큰 수에 맞추어, 지수가 작은 수를 변경합니다. 이때 자리이동 이후 버려지는 수가 있을 수 있습니다. 2. 유효자리(frac)을 서로 더합니다. 3. 이 합은 정규화되지 않았을 수 있으므로, 이를 정규화 시킵니다. 이때 오버/언더플로우 여부를 확인하여야 합니다. 4. 비트 수의 표현범위가 넘어가는 경우 근사를 통해 자리수를 맞추어 주고, 또한 다시 정규화가 필요하다면 3, 4의 과정을 반복하여 진행합니다. 예를 들어 다음 두 부동소수점을 더해보도록 하겠습니다. $ 1.000 \times 2^{-1} + -1.110 \times 2^{-2} \;\;\;(0.5 + -0.4375)$ 1. 큰 수의 지수..

🧐 나눗셈 나눗셈은 다음과 같은 과정을 통해 계산됩니다. 나눗셈의 피연산자는 피제수(dividend)와 제수(divisor) 두 개이며, 몫(quotient) 과 나머지(remaunder) 두 개의 결과가 있습니다. 여기서 나머지는 제수보다 작습니다. 몫은 무시하고 나머지만을 구하기 위해 나눗샘 명령어를 사용하는 경우도 종종 있습니다. 🧐 나눗셈 알고리즘의 기본 아이디어 몫 레지스터 64비트를 0으로 초기화시키고 시작합니다. 나눗셈 알고리즘은 매번 반복할 때마다 제수를 오른쪽으로 한 비트씩 자리이동해야 합니다. 따라서 제수를 128비트 제수 레지스터의 왼쪽 절반에 넣고 시작합니다. 그리고 피제수와 자리를 맞추기 위해 반복할 때마다 오른쪽으로 한 비트씩 자리이동합니다. 나머지(remainder) 레지스터는..

🧐 곱셈 곱셈은 다음과 같은 과정을 통해 계산됩니다. 첫 번째 피연산자는 피승수(multiplicand)라고 부르고, 두 번째 피연산자는 승수(multiplier)라고 부릅니다. 최종 결과는 곱(product)라고 부릅니다. 주목할 점은 곱셈의 최종 결과의 자릿수가 피승수나 승수와 비교하여 상당히 크다는 것입니다. 부호 비트를 무시한다면 n비트의 피승수에 대한 m비트 승수의 곱셈 결과는 n + m 의 결과를 갖습니다. 결국 모든 가능한 곱을 표현하기 위해서는 n + m 비트가 필요합니다. 따라서 덧셈과 마찬가지로 오버플로우 문제가 발생합니다. 우선 이후 생각하도록 하고, 이진수 곱셈의 과정을 살펴보도록 하겠습니다. 🧐 곱셈 알고리즘의 기본 아이디어 승수는 64비트 승수 레지스터에 저장되어 있으며, 128..

🧐 덧셈과 뺄셈 컴퓨터에서 덧셈과 뺄셈은 십진수에서의 덧셈, 뺄셈과 비슷합니다. 단지 컴퓨터에서는 표현할 수 있는 수의 범위가 제한적이므로, 특정한 경우 오버플로우가 발생한다는 것만이 차이점입니다. ⭐️ 오버플로우 부호가 다른 두 수를 더하는 경우에는 오버플로우가 발생하지 않습니다. 이유는 계산 결과의 절대값이 두 피연산자 중 어느 하나보다는 커질 수 없기 때문입니다. 뺄셈의 경우에도 똑같이 오버플로우가 발생하지 않는 경우가 있습니다. 단 뺄셈이므로 반대가 됩니다. 즉 피연산자의 부호가 같은 경우에는 뺄셈에서 오버플로우가 발생하지 않습니다. 더하는 두 피연산자가 32비트라고 하면, 그 결과는 최대 33비트가 될 수 있습니다. 그러나 32비트가 최대 크기이므로, 부호 비트가 결과의 부호가 아니라 크기를 나..

RISC-V는 명령어의 길이를 32비트로 고정하여 하드웨어를 간단하게 만들었으나, 명령어 내에 32비트 이상의 상수나 주소를 표시할 수 없어 불편한 점도 있습니다. 이번에는 이러한 긴 상수 처리를 위한 일반적인 해법과, 분기 명령어에서 사용되는 명령어 주소의 최적화 방법을 알아보겠습니다. 🧐 큰 수치 피연산자 프로그램에서 사용하는 상수는 대체로 크기가 작으므로, 대부분의 경우 12비트 내로 표현이 가능합니다. 그러나 그렇지 않은 경우도 있으므로 더 큰 상수를 다룰 수 있어야 합니다. 이를 위해 RISC-V는 레지스터의 비트 12번째자리부터 31번째 자리까지에 20비트 상수값을 넣는 lui(load upper immediate) 명령어를 제공합니다. 위 명령어를 사용하면 남은 하위 12비트 공간은 0으로 ..

🧐 프로시저 (procedure) 프로시저나 함수는 이해하기 쉽고, 재사용이 가능하도록 프로그램을 구조화하는 방법 중 하나입니다. 프로그램이 프로시저를 실행할 때에는 다음과 같이 여섯 단계를 거쳐야 합니다. 1. 프로시저가 접근할 수 있는 곳에 인수를 넣는다. ( x10 - x17 레지스터 사용 ) 2. 프로시저로 제어를 넘긴다. ( jal x1, ProcedureAddress 명령어 사용 ) 3. 프로시저가 필요로 하는 메모리 자원을 획득한다. 4. 필요한 작업을 수행한다. 5. 호출한 프로그램이 접근할 수 있는 장소에 결과값을 넣는다. ( x10 - x17 레지스터 사용 ) 6. 프로시저는 프로그램 내의 여러 곳에서 호출될 수 있으므로, 원래 위치로 제어권을 돌려준다. ( jalr x0, 0(x1) ..