[컴퓨터 구조] Lecture 12: The Processor

경희대학교 김정욱 교수님의 컴퓨터 구조 강의 내용을 기반으로 한 정리글

 

 

Processor: 컴퓨터를 실행하는 연산을 수행하는 intergrated electronic circuit 

 

 

Datapath of the Processor

• Fetch stage, Decode stage, Execut stage로 나뉨 -> stage들은 반복된다.

 

 

Fetch stage

• Fetch -> 꺼낸다는 의미
• 다음 명령어 -> 메모리 어드레스로부터 꺼내짐
• fetch operation의 끝에서 -> program counter는 다음 명령어(다음 cycle에서 읽힐 명령어)를 가리킨다.

 

Decode stage

• 인코딩된 명령어는 디코더에 의해 해석된다.

 

 

Execute stage

• 명령어가 무엇인지에 따라 -> 명령어가 요구하는 action을 수행

1. Branch Instruction: PC를 pc + 4가 아니라 branch로 변경
2. R format Instruction: read1과 read2를 피연산자로 인식하여 ALU에서 연산처리한 output을 그대로 data로 저장
3. I format Instruction(sw, lw): register 3개를 한 번에 const로 인식하여 ALU에 전달 -> ALU에서는 base address(첫 번째 피연산자)와 const의 연산 결과(데이터가 저장된 주소)를 data memory에 전달 -> data memory에서는 해당 주소에 저장된 데이터를 다시 register에 전달(lw), 혹은 해당 주소에 전달받은 데이터를 저장(sw)

 

Problem-Two different sources can meet -> sloution: Multiplexor(Controller)

 

Logic Design Basics

Datapath는 다음 두 가지 타입의 logic elements를 가진다.

• Combinational element: 현재의 inputs에 의해서만 ouput 결정-> 입력이 주어지면 바로 아웃풋
• ex) AND gate, Adder, Multiplexer, ALU, etc.
• State element: 데이터를 저장하기 위해 사용. inputs와 internal state의 contents에 의해서 output 결정

 

-> 클락 시그널이 라이징 엣지일 때의 D값 받아서 Q에 저장. 새로운 Rising edge가 나올 때까지 Q값 유지

 

Clocking Methodology

• Clocking Methodology: 언제 신호를 쓰고 읽을 수 있을지 결정
• Edge-triggered clocking: clock이 0에서 1로(rising edge) -> Update

 

Building Datapath (R-format)

Datapath elements

• Instruction memory: address가 주어지면, 프로그램의 instruction을 저장하고(instruction은 바로 다음 명령어로 갱신되기 때문) instructions를 제공하는 역할
• Program counter(PC): 현재 실행되고있는 프로그램의 명령어를 포함하는 레지스터
• Adder

 

Instruction Fetch

• Instruction을 꺼내고, pc를 증가시키는 역할

Register file

Input

• 2 read ports, 1 write port, 1 data

ouput

• read register에 따른 32bits contents 레지스터

Regwrite

• clock edge에서 데이터를 write(edge-triggered)

 

 

ALU

Input

• two 32-bit inputs

ouput

• 1-bit signal -> if result is zero
• 레지스터의 write data(32bits)

ALU operation(4-bits)

• 16 operations -> 16가지의 operations

 

Building Datapath (I-format) - Load/Store

Data memory

Input

• Address & Write data

Output

• Address에 위치한 read data

Read & Write controls는 별개

• Register file과 달리 datamemory는 read signal이 필요 -> 유효하지 않은 주소의 reading value는 문제를 일으킬 수 있음

 

 

Sign extension unit

• 16bits의 인풋(signed offset)과 32bit-base register를 더하기 위해 필요한 과정
• 16bits의 offset을 32bit로 변환 -> ex) 1111 -> 0000 1111(X) -> 1111 1111(O)

 

 

Building Datapath (I-format) - Branch(beq)

beq $t1, $t2, offset

 

• ALU: branch condition을 평가하기 위해 사용됨
• Adder: ouput -> branch target
• Branch 변위: (PC + 4) + 320bits (16bits에서 sign extend된 상태) + sll 2-bits