[ 컴퓨터 구조 ] 15. Datapath - Single/Multi CLK Cycle (강의 multi 2)

( Single datapath에 있는 명령어들이 어떤 흐름으로 돌아가는지 파악 해야함 →  pdf 4-1 49페이지부터! ) 

 

Single CLK cycle

 

• Single CLK cycle은 모든 연산이 한 번에 돌아가야한다.

 

• 따라서 모든 것이 한 번에 될 때까지 기다려야함.
  → ALU가 여러 개가 있으므로 각각에 연산이 될 때까지 기다려야함.

 

• CLK time은 Datapath 중에 가장 긴 놈으로 맞추어서 작동함. 

 

주로 오래 걸리는 건 아래와 같은 것을 수행할 때다.

 

 

이것과 관련해서 생각해보면 위에 있는 3개의 연산을 다하는 LW가 가장 오래 걸린다. 

 

이러한 점이 Single CLK Cycle의 문제점이라고 할 수 있다. 

 

1. 복잡한 Inst일 땐 어떡할거냐 / 명령어마다 필요한 시간이 다름.
2. 낭비되는 Chip area가 너무 많다 ( = ALU가 너무 많다. ) 

 

  →  해결법 : 짧게 끝낼 수 있는 명령어는 짧게 = Multicycle datapath

 

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Multicycle datapath

 

Multicycle datapath의 가장 큰 특징은 [ 유닛의 재사용 ] 이다.

 

• ALU :  [ PC값 +4 ] ,  [ branch ] , [ Address 계산 ] 하는 용도로 3개를 쓰고 있었는데 
  MultiCycle에서는 하나로 합친다.
  
  
• Memory : [ Instruction ] , [ Data ] 를 가져오는 용도로 2개의 Memory단을 만들었었는데
  MultiCycle에서는 하나로 합친다.
  
  

그냥 Moore Machine 으로 구현한다 정도만 알면 됨

 

 

Multicycle datapath 에 대한 알고리즘은 간단하다

 

• 한 Inst를 여러 Steps으로 나눈다.
• 각 Step이 한 Clock Cycle을 차지한다.

1개 명령어 =        #개의 작업  →  #개의 Clk으로 나눈다.

 

Clock당 시간은 가장 오래 걸리는 작업에 맞춘다.

 

 

Singlecycle datapath  VS Multicycle datapath(중요!!) 

 

1. 1개의 메모리

2. 1개의 ALU

3. 앞 step에서 연산한 결과를 넘겨주는 Register

4. MUX가 더 필요함 ( ex. 메모리에서 data를 가져오는지 inst를 가져오는지 정하기 위함 )

 

 

 

Five Execution Steps

 

1. Instruction Fetch 
 : 명령어 가져오기 

 

 

2. Instruction Decode and Register Fetch

  : 가져온 명령어 해석 → 레지스터 값 읽기 
    레지스터 값 읽기 = 예를 들어 add $t1 , $t2, $r0 이렇게 있으면 t2랑 r0 레지스터 값 읽는 거

 

 

3. Execution( R-type ), Memory Address Computation ( LW / SW ), or Branch Completion 

  : Inst type 에 따라서 3개 중에 뭘 할지 정한다.

 

  * Branch 명령어면 여기에서 끝남.

 

 

4. Memory Access( LW / SW )  or R-type instruction completion

  : 메모리에 가서 작업을 한다 / R타입 연산 완료

 

  * R-Type 명령어  or SW면 여기에서 끝남.

 

 

5. Write-back step

: LW만 한다.

 

 

 

결론적으로 명령어 타입에 따른 명령어 개수를 보면

 

Branch Inst : 3

R type / SW : 4

Lw      : 5

 

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각 단계별 분석

1. Instruction Fetch 

: PC값을 이용해서 Mem에 있는 Instruction을 Register에 넣는다.

> PC값을 4 증가시킨다.

 

IR <= Memory[PC];
PC <= PC + 4;

 

RTL : Register Transfer Language

 

 

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2. Instruction Decode and Register Fetch

 

- 명령어에 있는 rs, rt Register값을 읽는다.

- 혹시나 하니까 Branch주소를 계산한다. ( 아직 R / I / J 에 따른 control을 못 만들어서 그럼 )

   >> 쓰진 않을거긴 한데 뭐 해서 안 좋을 거 없어서 한다고 함

 

A <= Reg[IR[25-21]];
B <= Reg[IR[20-16]];
ALUOut <= PC + (sign-extend(IR[15-0]) << 2);

 

 

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3. Execution( R-type ), Memory Address Computation ( LW / SW ), or Branch Completion

 

- 명령어 타입에 따라 명령어를 수행한다.

 

• Memory Reference :   ALUOut  =  A + sign-extend(IR[15-0]);   // I타입 : 메모리 주소 계산

 

• R-type :                       ALUOut = A op B;                                  // R타입 : opcode에 맞는 연산

 

• Branch :                      if (A==B) PC = ALUOut;                        // Branch 관련 명령어 : Branch 조건 연산

이런 명령어는 여기까지만 하고 끝!

 

 

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4. Memory Access( LW / SW )  or R-type instruction completion

 

• Loads and stores access memory

 

MDR = Memory[ALUOut];    // LW : 계산된 주소의 메모리 값을 Register로 가져오는 거

or

Memory[ALUOut] = B;          // SW : Regitser의 값을 계산된 메모리에 저장하는 것 이거 하고 끝

 

 

[ SW ]

B에서는 rs값= 저장할 값을 가져오고

ALUOut에서 저장할 주소를 가져온당~

 

 

 

[ R-type instructions completion ] 

Reg[IR[15-11]] <= ALUOut;       // 계산한 값 rd에 넣기

 

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5. Write-back step

• Reg[IR[20-16]] = MDR;

 

// 메모리에서 가져온 걸 레지스터에 넣었고,

그걸 다시 우리가 원했던 레지스터에 넣는다 ( 휴게소 정도로 생각하면 될 것 같다. )

 

 

 

 

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예제) 

Single : 어떤 명령어든지에  관계없이 한 명령어는 90ns가 걸린다.

 ( 10 + 10 + 20 + 10 ) * 90 = 4500ns

 

Multi : 각 명령어마다 소요되는 step의 수가 다르다. 따라서 그에 따른 계산을 따로 해야한다.

- Branch Inst : 3 개

- R type / SW : 4 개

- Lw      : 5 개

 

( 10*5 + 10*4 + 20*4 + 10*3 ) * 20 = 4000ns

  

 

(출처)

한동대학교 용환기교수님 - 컴퓨터구조