Data Path
단일 데이터 패스
단일 사이클 데이터 패스 (Single-cycle Datapath)
가장 간단한 데이터 패스이다.
모든 명령어를 한 클럭 내에 실행한다. (CPI = 1)
어느 데이터패스 자원도 명령어 당 두 번 사용되지 않는다.
두 번 이상 사용할 필요가 있는 요소는 필요한 만큼 설치 (예 : beq 의 추가 ALU)
다른 명령어들의 데이터패스 구성 요소 공유
구성 요소의 입력에 여러 개의 연결이 필요
멀티플렉서를 이용해 여러 입력 중 하나 선택
위의 그림에선 MUX 총 세 개가 있다.
왼쪽부터 1, 2, 3번이라고 할 때
1번 MUX 는 레지스터 1과 2를 funct 에 맞춰 연산할 것인지, (0)
아니면 뒤의 16비트가 부호확장된 값을 2번 레지스터와 더할 것인지 (1) 를 정한다.
즉 R 타입 명령어가 지나가면 이것은 0, 아니면 1이다.
2번 MUX 는 계산된 값이 PC에 들어갈지 말지를 정한다.
PC에 16비트가 부호확장되고, 2번 왼쪽으로 쉬프트되고
이와 PC + 4 를 더한 결과가 들어갈지, 즉 분기가 일어날지
아니면 그냥 PC + 4 가 들어갈지, 즉 분기가 일어나지 않을지를 결정한다.
3번 MUX 는 lw 에서 계산된 메모리 주소의 값이 Register 로 들어갈지 말지를 정한다.
끝을 잘 보면 MUX 의 결과가 Register file의 Write Data 로 이어진 것을 확인할 수 있다.
ALU 제어
ALU 는 Arithmetic Logic Unit 이다.
이곳에선 덧셈, 뺄셈, AND, OR 등의 모든 연산이 이루어진다.
두 수를 입력받아 ALU 에서 뭘 할지를 알려주어야 하므로
ALU op코드와 funct (fuction code) 로 ALU 를 제어한다.
예컨데 R-Type 은 op코드가 000000 이므로
맨 뒤에 추가적인 funct 코드 6비트로 그 확인이 필요하다.
따라서 ALU op 2비트와 funct 6비트, 도합 8비트로 ALU 제어신호를 만든다.
이때 ALU op 는 R 타입일 때 10, beq 이면 01, 메모리 참조일 땐 00을 갖는다.
주 제어 유닛의 설계
명령어는 op | rs | rt | rd | shamt | funct |
각각 6, 5, 5, 5, 5, 6비트이고
R 타입이 아니라면 rd부터의 16비트는 offset 이나 (메모리 참조)
주소로 쓰인다. (분기 명령어)
따라서 op 로 명령어를 확인한 후
rs, rt를 읽는다. (단, lw 는 이 레지스터의 값을 사용하지 않는다.)
그리고 이것이 R 타입 명령어라면 rd 에 write,
lw 라면 rt 에 write,
sw 라면 rt 를 읽는다. (베이스 레지스터)
그리고 R 타입이 아니라 메모리 참조나 분기 명령어라면
뒤의 16비트 값을 부호확장 해서 rs 에 더하거나 (lw / sw)
아니면 2번 쉬프트한 후 PC + 4 에 더한다. (beq)
중요한 점은, 뒤의 16비트 주소 중 상위 5비트를 rd 로 읽고
이 레지스터에 저장하는 불상사를 막기 위해 rd에 쓰지 말라고 (RegWrite)
미리 구분을 해줘야 한다는 점이다.
제어 신호의 기능
최종 데이터 패스는 이러하다.
명령어의 op코드 6비트가 Control 에서 위의 표에 맞는 값을 넣어 제어를 해주고
ALU Op 에 맞는 코드가 ALU Control 로 제어하고 있다.
각 명령어 별 데이터 패스와 제어 신호
R 형식
- 명령어 인출 및 PC 증가
- 두 레지스터를 레지스터 파일에서 읽고 주 제어 유닛이 제어선 값 계산
- ALU는 funct 값을 사용해 제어신호 생성
- ALU 계산 결과를 rd에 기록
R 형식에서 Control 은 ALU Op 가 10이 들어간다.
또한 유일하게 rd 를 읽으므로 RegDst 와,
rs 와 rt 의 연산 결과를 rs 에 저장하므로 RegWrite 가 활성화된다.
| RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 10 |
적재 (lw) 명령어
1 ~ 2 공통
- rs 레지스터와 하위 16비트의 부호확장된 값을 더해 주소 계산
- 계산된 주소로 가서 메모리 읽기
- rt에 저장
lw 는 메모리 참조 명령어이므로 ALUOp 는 00일 것이고
ALUSrc, 주소를 계산해야 하므로 활성화되고
메모리를 레지스터로 보내고, (MemToReg)
레지스터에 쓰고 (RegWrite)
메모리를 읽어야 하므로 (MemRead)
해당 부분이 활성화 된다.
| RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 00 |
저장 (sw) 명령어
1 ~ 3은 lw와 같음
- 계산된 주소에 rt 값을 저장
sw 역시 메모리 참조이므로 ALUOp 는 00이다.
주소를 계산하므로 ALUSrc 가 1이 되고
메모리에 쓰는 작업을 하므로 MemWrite 도 1이 된다.
sw 는 레지스터 자체에 접근을 하지 않으므로 RegWrite 가 0이 되는데
이때문에 뒤에 Reg이 붙는 모든 제어 신호는 어떤 값이 들어가든 상관이 없다.
따라서 RegDst, MemToReg 는 Don’t Care 가 된다.
| RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X | 1 | X | 0 | 0 | 1 | 0 | 00 |
분기 명령어
1~2 공통
- rs에서 rt 를 뺀다. 이와 동시에 주소를 계산
- ALU 의 Zero 출력을 통해 PC에 넣을 값을 선택한다.
이는 Branch 가 유일하게 1이 된다.
그리고 레지스터나 메모리에 어떠한 값도 쓰지 않으므로
RegWrite, MemWrite, MemRead 는 0이 되며
sw 에서와 같은 원리로 RegDst, MemToReg 은 X 이다.
ALUSrc 는 쓰이지 않으므로 0이다.
| RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X | 0 | X | 0 | 0 | 0 | 1 | 01 |
점프 명령어
점프 명령어는 뒤의 26비트 * 4 + PC+4의 상위 4비트로 주소를 계산한다.
이를 위해선 새로운 shift left 2 유닛이 필요하다. (기존 것은 Branch 에서의 Add 유닛에 물려있으므로)
j인지 아닌지 확인해줄 새로운 제어선이 필요하다.
메모리나 레지스터를 읽지도 쓰지도 않으므로
RegWrite, MemRead, MemWrite 가 모두 0이고
Jump 는 유일하게 1,
나머지는 모두 Don’t Care 이다.
| RegDst | ALUSrc | MemtoReg | RegWrite | MemRead | MemWrite | Branch | ALUOp | Jump |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X | X | X | 0 | 0 | 0 | X | XX | 1 |