The Processor

• micro architecture : cpu의 내부구조

  • 외부적으로 동일한 ISA를 가진 cpu는 동일한 인터페이스를 갖는다
  • 내부적으로 cpu는 성능/효율성 목표에 따라 서로 다르게 구성될 수 있다.
  • 우리가 생각해볼 마이크로 아키텍처 예시
    • Single-cycle 단일주기
      • 각 명령어는 한주기로 실행된다 ⇒ cpi = 1
      • 긴 경로로인해 지연된다면, 클럭주파수가 제한됨(낮은 성과)
    • Pipelined 파이프라인
      • 실행은 일련의 단계로 나뉜다. 여러개의 명령어가 겹쳐서 실행된다.

• 명령어들의 실행 구조

  • 연산(add, sub, and, or, lw, sw, beq) 이렇게 7가지만 예시로 들어서 공부할예정!

  • 기본 절차

    • 명령어를 메모리에서 load (메모리 주소 : PC, Program counter)
    • opcode를 이용한 명령 유형 식별
      • 명령어의 하위 7비트
    • 이 위의 2개의 절차는 모든 명령어 유형에서 똑같다.

  • 연산별 절차

    • 산술/논리연산 add, sub, and, or
      1. 레지스터 파일에서 2개의 피연산자 값 읽기(rs1, rs2)
      2. 계산 → ALU이용 (Arithmetic Logic Units)
      3. 결과를 레지스터 파일에 다시 저장(rd)
      4. PC에 4추가
    • 메모리 접근 가져오기 Load
      • 레지스터 파일에서 word 1개 읽기 (rs1) : base address
      • offset + base address (immediate 부분)더해주기
      • 데이터 메모리에서 word 로드
      • 로드된 단어를 rd에 저장
      • PC에 4추가
    • 메모리 접근 저장하기 Store
      • 레지스터 파일에서 word 1개 읽기 (rs1) : base address
      • offset + base address (immediate 부분)더해주기
      • rs2에서 단어 1개 읽기 : 저장할 값
      • 단어를 offset + base address 메모리 주소에 저장
      • PC에 4추가
    • Control transfer beq
      • 레지스터 파일에서 2개의 단어를 읽는다.(rs1, rs2)
      • 비교 연산 수행(ALU사용) : sub빼기 사용
      • rs1 == rs2 가 맞다면
        • PC = PC + immediate(jump할 주소와의 거리)
      • 아니라면
        • PC = PC +4

  • 전체적인 디자인

    

    • 명령어와 데이터 메모리?

      • 이 강의에서 프로세서 아키텍처를 설명할때 명령어 메모리와 데이터 메모리가 다른 캐시 메모리를 사용하기 때문에 별도의 메모리를 사용하는 것처럼 보인다
        • 실제로는 동일한 메모리에 있다.

      

  • Logic (입력에의한 출력에 대한)

    • And : 말그래도 and연산

    • Adder : 둘을 더하는 연산

    • Multiplexer : 여러개의 입력 → 그 중 한개의 출력을 선택!

      

      • 2 to 1 mux : 둘중 하나를 선택 → S가 0이라면 0에 해당하는 A를 선택, S가 1이라면 B를 선택
        • 선택되지 않은 값들은 무시!

    • Arithmetice/Logic Unit : 다양한 add, sub같은 함수를 처리하는과정

    

    

    • and말고도 위와 같이 있다~!

  • Decoder (nbit input, → 2^nbit output)

    • one-hot encoding : 쉽게 말해서 목록화하기 편한 인코딩방법(다른 값들과 1이 겹치지 않음)

  

  • Dont care value : X

    • 0 또는 1 중 하나의 값이 될 수 있다.

      • 최적화에 중요하다 : 적은 수의 게이트로 기능을 구현하기 때문에!

      

      • AorB true → D true
      • AorC true → E true
      • A, B, C 셋 중 정확히 하나만 True → F true (위의 그림에서 복잡하지만 잘 살펴보자!)
      • Dont care value 를 자세히 살펴보자!

      

      X 의 자리에 0,1 둘 중 뭐가 들어오든지 상관이 없기 때문에 → 구현안해도됨 → 필요성강조

      D나 E 중 하나만 1이어도 F가 1임 → D or E = F로 구현할 수 있기 때문에 그 이후 값들 → X로 표현! (F값이 뭐가 되든지 상관없을 때사용)

  • Sequential Elements 순서 요소(상태 요소)

    • Edge-triggered : 클럭이 0에서 1로 바뀔때마다 갱신(out해줌)
      • Write register(시그널)

    

    

    write가 올라와있는 상태 = 1 → 1일떄만 out해줌, 0이라면 → 그대로 진행

    • Logic value(논리값, 위와 같이 0/1을 지닌 clk, write 같은 것들)은 와이어를 통해서만 전달됌 → 여러개쓰려면 와이어도 여러개!

  • PC에서 명령어 메모리로 직접 명령한다고 생각해보자!

    • flip flop : 1비트를 저장할 수 있는 저장공간

    

    • 명령어 가져오기

    

    • R-format 명령어

    

    

    2개의 레지스터를 읽는 과정에서 값과 레지스터 2쌍과 destination 레지스터가 들어온다.

    RegWrite = 1이면 값을 write(out) (실제 값을 쓰는 것은 클럭이 1이 될때마다 !) sw, beq는 regwrite값이 0

    • Arithmetic Logic Unit (ALU)
    • DataPath

  • 실제 R-Type 실행 예시

  • I, S format

  • Immediate Generation Unit (ImmGen)

  • CPU for load/store

• 최종적인 전체 회로