컴퓨터 구조 4-4강. 단순한 구현

 

[ALU 제어]

: 명령어에 따라 ALU에서 수행하는 연산작업이 다른데, 그에 따른 ALU에 전달되는 제어 신호

# ALU 제어 신호의 종류 6가지

ALU 제어 신호	연산 종류
0000	AND
0001	OR
0010	add
0110	subtract
0111	set on less than
1100	NOR

 

# 명령어별 ALU 제어 신호

지시어 opcode	ALUop(명령어 제어 필드)	연산자 종류	funct	필요한 ALU 연산	들어오는 ALU 제어 신호
R-type	10	add	100000	add	0010
R-type	10	subtract	100010	subtract	0110
R-type	10	AND	100100	and	0000
R-type	10	OR	100101	or	0001
R-type	10	set on less then	101010	set on less than	0111
lw	00	lw	xxxxxx	add	0010
sw	00	sw	xxxxxx	add	0010
beq	01	branch on equal	xxxxxx	subtract	0110

: R-타입 명령어를 제외한 명령어 lw, sw, beq 명령어는 add와 subtract 연산으로 해결할 수 있다.

 

# 4비트 ALU 제어 신호를 위한 진리표

: 입력된 명령어에 따른 ALUop와 Funct 필드에 따라 ALU 제어 신호를 생성한다.

명령어의 ALUop(제어필드) - Op1, Op0	Funct field	Operation(발생하는 ALU 제어 신호)	비고
0 0	xxxxxx	0010	둘다 0이면 sw, lw => add
X 1	xxxxxx	0110	Op1값 1인게 beq밖에 없다
1 X	xx0000	0010	add
1 X	xx0010	0110	subtract
1 X	xx0100	0000	and
1 X	xx0101	0001	or
1 X	xx1010	0111	set on less then

: R타입은 Op1이 항상 1이다.

: ALUop가 00이면 기능 필드 값 상관없이 제어신호 정해진다.

: 이 진리표가 만들어지면, 최적화후 게이트로 변환작업을 기계적으로 수행한다.

 

 

 

[ALU 제어장치의 구현]

: 위에서 구한 명령어에 따른 ALU 제어 신호를 만들어 내기 위한 제어장치를 구현한다.

# 주 제어 유닛의 설계

 

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[데이터패스의 제어신호]

# 제어신호와 멀티플랙서가 있는 데이터 패스

# 제어신호의 기능

신호 이름	인가되지 않은 경우(0)	인가된 경우(1)
RegDst	명령어 rt 필드(20:16)가 Write reg로 입력	명령어 rd 필드(15:11)가 Write reg로 입력
RegWrite	아무 일 발생 X	Write reg에 저장된 레지스터에 Write data 작성
ALUSrc	Read data 2가 ALU의 두번째 피연산자가 된다	부호확장된 하위 16비트가 ALU의 두번째 피연산자가 된다.
PCSrc	PC+4가 새로운 PC값이 된다.	분기 목적지 주소가 새로운 PC값이 된다.
MemRead	아무 일 발생 X	데이터 메모리의 내용을 Read data 출력으로 내보낸다.
MemWrite	아무 일 발생 X	데이터 메모리의 내용을 Write data 입력 값으로 바꾼다.
MemtoReg	ALU 출력이 레지스터의 Write data 입력이 됨	데이터 메모리 출력이 레지스터의 Write data 입력이 된다

 

 

 

[명령어에 따른 데이터 패스와 제어신호]

1. R형식 명령어의 실행과정

  1) 명령어 인출 및 PC 증가

  2) 두 Read reg의 레지스터의값을 읽고, 해당 값을 계산

  3) ALU는 읽어들인 값에 대한 연산 (funct 필드 값을 사용해 ALU 제어신호 생성)

  4) ALU 계산 결과를 Write reg에 저장된 레지스터에 저장

R-형식 명령어의 데이터패스

# R-형식 명령어의 제어신호

RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	ALUOp
1	0	0	1	0	0	0	10

 

2. 적재(lw) 명령어의 실행과정

  1) 명령어 인출 및 PC 증가

  2) read용 reg 읽어 값 계산

  3) 읽어들인 read reg의 주소 값에 부호확장한 하위 16비트 값 더해 유효주소 계산

  4) ALU 계산 결과를 주소로 사용해 데이터 메모리 읽기

  5) 가져온 데이터를 Write reg에 저장

적재 명령어의 데이터패스

# 적재 명령어의 제어신호

RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	ALUOp
0	1	1	1	1	0	0	00

 

3. 저장(sw) 명령어의 실행과정

  1) 명령어 인출 및 PC 증가

  2) read용 reg 읽어 값 계산

  3) 읽어들인 read reg의 주소 값에 부호확장한 하위 16비트 값 더해 유효주소 계산

  4) ALU 계산 결과를 주소로 사용해 데이터 메모리에 쓰기

저장 명령어 데이터패스

# 저장 명령어의 제어신호

RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	ALUOp
X	1	X	0	0	1	0	00

 

4. 분기 명령어의 실행 과정

  1) 명령어 인출 및 PC 증가

  2) 두 Read reg의 레지스터의값을 읽고, 해당 값을 계산

  3) ALU에서 두 reg 값을 뺌, 별도의 주소 덧셈기는 하위 16비트 부호확장하고 자리이동한값과 PC+4 더해 주소 계산

  4) ALU zero 출력 이용해 PC에 넣을 값 선택

# 분기 명령어의 제어신호

RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	ALUOp
X	0	X	0	0	0	1	01

 

5. 점프 명령어가 추가된 데이터 패스

  : jump는 직접 워드 주소를 사용한다 => 새로운 멀티플렉서와 제어신호가 필요

# 점프 명령어의 제어신호

RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	MemRead	MemWrite	Branch	ALUOp	Jump
X	X	X	0	0	0	X	XX	1

 

 

# 각 명령어의 제어신호 종합

명령어	opcode	RegDst	ALUSrc	MemtoReg	RegWrite	memRead	MemWrite	Branch	ALUOp1	ALUOp2	Jump
R-형식	000000	1	0	0	1	0	0	0	1	0	0
lw	100011	0	1	1	1	1	0	0	0	0	0
sw	101011	X	1	X	0	0	1	0	0	0	0
beq	000100	X	0	X	0	0	0	1	0	1	0
j	000010	X	X	X	0	0	0	X	X	X	1