컴퓨터 구조론 Lecture 4 - 1

D0Lim·2021년 1월 7일

컴퓨터 구조론

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이 글은 필자가 수업시간에 들은 내용과 강의록을 토대로 정리한 글입니다.
수업 필기이다 보니, 오류가 있거나 설명이 부족한 부분이 있을 수 있습니다.
궁금하신 점이나 지적하실 점이 있다면 댓글로 달아주세요! 확인 후 내용을 추가하거나 답변해드리도록 하겠습니다 :)

자세히 살펴보기 전에…

CPU 성능에 영향을 미치는 요인들
- 명령 수(Instruction Count)
  - ISA와 컴파일러에 의해 결정됨
- CPI와 사이클 타임(Cycle time)
  - CPU 하드웨어 자체에 의해 결정됨
우리는 두 가지의 MIPS 적용에 대해서 알아볼 것이다.
- 간단한 버전으로 먼저 알아본다.
- 그 후, 파이프라인을 적용한 버전도 알아본다.
아래의 명령들을 구현해보면, 대부분의 측면을 보일 수 있다.
- 메모리 참조 : lw , sw
- 수식 / 논리 : add , sub , and , or , slt
- 제어 전달 : beq , j

간단한 버전

중간 고사에 이를 ‘정확히’ 그리는 문제가 시험 문제에 나온다. 여기서 정확히라는 것은 회로를 정확히 그리는 것을 의미한다. 요소들 중 하나도 빠지는 것이 없게만 그리면 된다. 그림 자체가 일치할 필요는 없다. 무조건 암기하자.

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명령 실행(Instruction Execution)

PC $\rightarrow$ 명령 메모리(Instruction memory)를 가리키고, 명령을 가져온다(fetch).
레지스터 번호 $\rightarrow$ 레지스터를 읽어오는 것에 사용된다.
명령의 종류(Class)에 영향을 받는다.
- ALU를 계산을 위해 사용한다거나...
  - 수학 / 수리적인 결과(Arithmetic Result)를 얻고 싶을 때!
  - 불러오기 / 저장하기 (load, store)를 위해서 메모리 주소를 알아야 할 때!
  - 분기 목적 주소(Branch target address)를 알아야 할 때!
- 불러오기 / 저장하기 (load, store)를 위해 데이터 메모리(Data memory)에 접근한다거나...
- PC를 PC + 4나 목적 주소로 설정한다거나...
아, 참고로 지금 우리는 {lw, sw, add, sub, and, or, slt, beq} 의 경우에 대해서'만' 생각하는 중이란걸 잊지 말자!

CPU 개요

그러면, 위의 개요들만을 가지고 간단하게, CPU가 어떻게 생겼을지 그려보자.

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멀티플렉서(Multiplexer)

논리회로 수업을 기억하는가? 그 수업시간에, 멀티플렉서(줄여서 '먹스') 라고 하는 것을 배운 적이 있다! 기억이 나지 않는다고 하더라도, 분명히 배웠다. (필자도 기억이 안나서 저번 학기 강의록을 뒤져보았다...)
멀티플렉서는 간단하게, 여러 입력신호를 받았을 때, 하나의 입력신호만을 선택할 수 있게 해주는 도구 정도로 생각하면 된다.
그렇다면, 위의 개요 그림에서 멀티플렉서가 필요한 자리는 어디일까? 바로, 아래와 같이 신호들이 합쳐지는 자리들이 될 것이다.

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제어(Control)

그렇다면, 이 회로들을 어떻게 제어할 수 있을까? 우리는 수행해야 할 특정명령들을 수행하기 위해서 때로는 ALU의 입력값을 선택해야하고, 때로는 데이터 메모리에 값을 쓸지, 혹은 거기서 값을 읽어올지 선택하는 등 활성화할 회로들을 잘 선택해야한다. 우리는 이를 제어하기 위해 아래 그림과 같이 제어 신호를 쏴주는 제어 회로(Control)를 이용한다.

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논리 디자인 기초(Logic Design Basic)

이 내용은 논리회로 수업시간에 어느정도 배운 그대로입니다. 혹시나 모르신다면, Google에 해당 내용(버스, ALU, State 등등..)을 검색해보시면 쉽게 이해하실 수 있으리라 생각합니다.

연달아 일어나는 요소(Sequential Elements)

레지스터
- 우리가 컴퓨터 구조론 시간에 배운 '그' 레지스터와 거의 비슷한 개념이다.
- 다만 이는, 논리회로에서의 레지스터이다. 즉, 프로세서의 레지스터가 아니다!
- 레지스터는 논리회로에서 잠깐동안 데이터(bit)를 저장하는 장소이다.
- 보통, 클락을 통해서 작동하고 클락이 0에서 1로 튈 때 정보가 업데이트 된다.
- 논리회로 시간에 배운 플립플랍을 이용해 구현할 수 있다.
읽기 제어가 포함된 레지스터
- 말그대로, Write 신호가 1일 때만 정보를 업데이트 할 수 있다.
- 정보를 저장한 상태로 두었다가, 나중에 써야할 때 쓰인다.

클러킹 방법론(Clocking Methodology)

여러가지의 논리회로들은, 클럭 사이클 동안 데이터를 바꿔놓는다. 다른 말로, 상태(State)를 바꿔 놓는다.
- 각각의 클럭 엣지(Clock edge)들 사이에 논리(logic)들이 들어간다.
- 이전 상태의 요소들을 입력으로써 받고, 다음 상태의 요소들로써 출력으로 내보낸다.
- 가장 긴 지연 시간(가장 긴 실행 시간)이 클럭 주기를 결정한다.

데이터패스 만들기(Building a Datapath)

Datapath
- 데이터와 주소를 처리하는 CPU의 요소들
  - 레지스터, ALU, 멀티플렉서, 메모리 등등 ...
회로를 점점 덧붙여가며 MIPS 데이터패스를 만들어보자!
- 일단은, 간단한 명령들에 한해서만...
  - lw , sw
  - add , sub , and , or , slt
  - beq , j
- 위의 개요에서 그려보았던 디자인을 수정하는 방식으로 그려보도록 하자!

명령 가져오기(Instruction Fetch)

아래 그림과 같이, PC를 4씩 더해주면서, 다음 명령으로 넘어간다.
- 왜냐하면, 워드(Word)는 4 Byte 단위이기 때문이다.
또한, PC를 이용하여 실행해야 할 명령(Instruction)의 주소를 읽고, 명령 메모리(Instruction Memory)에서 명령을 끄집어낸다. 다른 말로, 가져온다.

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R-포맷 명령의 경우(R-Format Instructions)

두 피연산자 레지스터를 읽어야 한다.
산술 / 논리 연산을 수행해야 한다.
그리고 그 결과를 레지스터에 써야만 한다.
예시 : add , sub , and , or , slt
- 참고로, R-포맷의 경우 "opcode"가 000000이다. 즉, funct 코드가 어떤 작업을 할지 결정한다.
결론적으로, 아래 그림의 회로들이 필요하게 된다.

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불러오기 / 저장하기 명령(Load / Store)

피연산자 레지스터를 읽어와야 한다. (lw 명령을 생각해보자)
16비트 오프셋(offset)을 활용하여 주소를 계산해서 정확한 목적지를 알아내야 한다.
- ALU를 사용한다. 그렇지만, ALU에 들어가는 것은 32비트로 확장된 오프셋이다.
불러오기 : 메모리를 읽어와서 레지스터를 업데이트한다.
저장하기 : 레지스터 값을 메모리에 쓴다.

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분기 명령(Branch Instructions)

피연산자 레지스터를 읽어와야 한다.
피연산자를 비교해야 한다.
- 이 때, ALU로 값을 빼서, 'Zero'의 값을 결정한다. 이 값에 따라서 분기를 할 지 말지 결정하게 된다.
목적지 주소를 계산해야 한다.
- 얼마나 움직일지(변위, DIsplacement)를 부호 확장(Sign-extend)한다.
- 왼쪽으로 2번 시프팅한다. (워드는 4바이트이기 때문)
- 그리고 PC + 4를 더해준다.
  - 하지만 이것은 이미 명령을 가져오면서(Instruction fetch) 계산되어 있다.

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요소들 합치기(Composing the Elements)

외워야 한다고 나와있던 그림의 데이터패스는 명령을 한 클럭 사이클만에 수행한다.
- 각각의 데이터패스 요소들은 한 번에 하나의 함수(Function)만을 수행할 수 있다.
- 앞 부분을 보면 명령 가져오기에서 사용하는 메모리와 불러오기 / 저장하기에서 사용하는 메모리가 각각 다르다. 그래서 우리는 분리된 명령 메모리와 데이터 메모리가 필요하다.
각각 다른 명령마다 다른 입력 데이터(data sources)를 받는 경우엔 멀티플렉서를 쓴다. 하나의 입력 데이터만을 사용하기 위해서이다.
1. ALU의 입력이 '레지스터'이거나 '명령 자체의 즉시값(immediate field)'이거나
2. 레지스터에 값을 쓸 때 'ALU 출력값'을 쓰거나, '데이터 메모리'에서 가져오거나
3. 다음 PC를 'PC + 4'로 하거나, '분기 목적 주소'로 하거나
4. 쓸 레지스터의 번호(Register number)를 'Rt'에서 가져오거나, 'Rd'에서 가져오거나

제어가 포함된 전체 데이터패스(Full Datapath (with control))

즉, 아래와 같은 그림이 만들어질 것이다.

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출처

컴퓨터 구조론 수업시간 내용 및 강의록
Computer Organization and Design 5th (David Patterson 저)

D0Lim

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