05. MIPS single-cycle microacrchitecture

MIPS Multi-Cycle Architecture

1. 기본 개념

• Datapath / Controlpath:
  • 데이터 경로와 제어 경로를 분리하여 구현.
  • 데이터 경로는 명령어와 데이터를 처리하며, 제어 경로는 각 단계의 동작을 제어.
  • 사진 자료가 포함될 예정으로 자세한 설명은 생략.
• Clock Cycle Time / Clock:
  
  • Clock:
    • 주기적인 하드웨어 이벤트로 모든 하드웨어 컴포넌트에 신호를 전달.
    • 작업 시작 및 종료를 정의.
  • Clock Cycle Time:
    • 클럭 주기의 길이를 의미하며, 명령어 실행에 필요한 시간을 결정.

  2. Single-Cycle Microarchitecture

• 특징:
  • 모든 명령어가 동일한 클럭 사이클 시간을 사용.
  • 명령어가 하나의 클럭 사이클 내에서 실행 완료.
• 실생 시간 공식:
  • Execution Time = # of executed instructions * Clock Cycle Time
• 단점:
  • 모든 명령어가 동일한 클럭 사이클 시간을 사용하므로 복잡한 명령어도 단순한 명령어와 동일한 시간을 소비.
  • 실행 시간이 비효율적일 수 있음.

3. Multi-Cycle Microarchitecture

• 특징:
  • 명령어마다 다른 클럭 사이클을 사용.
  • 명령어의 복잡도에 따라 필요한 클럭 사이클 수가 다름.
• 실행 시간 공식:
  • Execution Time = # of executed instructions * Clock Cycle Time
• 장점:
  • 단순한 명령어는 더 적은 클럭 사이클을 사용하여 실행 시간을 단축.
  • 복잡한 명령어는 필요한 만큼의 클럭 사이클만 사용.

4. 실행 시간 비교

• Single-Cycle Machine:
  • 명령어 100개 실행.
  • Clock Cycle Time: 5ms
  • 실행 시간:
    • 100 cycles * 5ms = 500ms
• Multi-Cycle Machine:
  • 명령어 1개씩 R-Type, Load, Store, Jump, Branch 실행.
  • Clock Cycle Time: 1ms
  • 실행 시간:
    • (4 + 5 + 4 + 2 + 3) * 1ms = 310ms
• 비교 결과:
  • Multi-Cycle Machine이 더 적은 실행 시간을 소모하며 효율적.

Multi-Cycle Microarchitecture

1. Multi-Cycle Microinstructions

• 특징:
  • 명령어 실행이 여러 클럭 사이클에 걸쳐 수행됨.
  • 부분 실행 상태(Partial Execution State)를 기억하여 실행 진행 상황을 추적.
  • 명령어 실행의 각 단계는 독립적으로 진행.
• 명령어 실행 단계:
  • Cycle 1: Fetch
    • 명령어를 메모리에서 가져옴.
  • Cycle 2: Decode & Register Fetch
    • 명령어를 해독하고, 필요한 레지스터 값을 읽음.
  • Cycle 3: ALU
    • ALU 연산 수행 (산술/논리 연산, 주소 계산 등).
  • Cycle 4: Memory Access
    • 메모리 접근 단계.
    • 메모리 읽기 또는 쓰기가 완료되기까지 수백 사이클이 소요될 수 있음.

2. Multi-Cycle Microarchitecture 특징

• Control Logic과 유사한 동작:
  • 하드웨어를 제어하는 신호를 생성.
  • 특정 하드웨어(예: ALU, 메모리, 레지스터)를 작업에 맞게 동작시킴.
• 하드웨어 사용 방식:
  • 각 클럭 사이클마다 필요한 부분의 하드웨어만 사용.
  • 자원을 효율적으로 분배하여 병목 현상을 줄임.

3. Multi-Cycle Architecture의 장점

• 자원 효율성:
  • 단일 사이클에서 전체 하드웨어를 사용하는 대신, 필요한 부분만 사용하여 하드웨어 자원의 낭비를 줄임.
• 유연성:
  • 명령어의 실행 단계를 분리하여 복잡한 명령어도 효율적으로 처리 가능.

Micro Sequence (Micro Programming Table) 요약

• 구조
  • Stage (단계): 명령어 실행 단계 (IF, ID, EX, Mem, WB).
  • Control Signals (제어 신호): 하드웨어 동작을 제어하는 신호 (ReadInst, ALUSrc, - MemRead, MemWrite, Jump 등).
  • NextStage (다음 단계): 현재 단계가 끝난 후 이동할 다음 단계.
• 주요 제어 신호
  • ReadInst: IF 단계에서 명령어를 메모리에서 읽음.
  • ALUSrc: EX 단계에서 ALU 입력으로 즉시값(Immediate) 사용 여부를 결정.
  • MemRead: Mem 단계에서 메모리 읽기 (Load 명령어).
  • MemWrite: Mem 단계에서 메모리 쓰기 (Store 명령어).
  • Jump: ID 또는 EX 단계에서 Jump 명령어 실행.
• 실행 흐름
  • IF → ID → EX → Mem (필요 시) → WB
  • 각 단계에서 필요한 제어 신호만 활성화.
• 의미
  • Multi-Cycle Microarchitecture에서 명령어 실행 단계별 제어 신호와 동작을 명확히 정의.
  • 하드웨어 자원을 효율적으로 사용.