[ 컴퓨터 구조 ] 7. (Multiple Cycle) 명령어별 Multiple Cycle 실행

Five Execution Steps

 

1. Instuction Fetch  // (1~2) 는 무슨 일을 하는지 읽는 단계 , 명령어가 어떤 거냐에 관계없이 공통으로 동작함.
   이걸 할 때, [ PC , Memory , Instuction Memory ] 가 일함
   ALU는 놀고있음 → 미리 PC+4 작업 시킴
   
   
2. Instruction Decode and Register Fetch
   또 놀고있을 거 대비해서 PC+(imm16) 해놓음 , 혹시 Instuction 이 Branch 일 수도 있으니까. 그거면 바로 branch하게
   Target address 미리 계산
   
   
3. Execution, Memory Address Computation or Branch Completion  // (3~5)는 1,2에서 읽은 거 실행하는 단계
4. Memory Access or R-Type instuction completion
5. Write-Back step
   
   

명령어에 따라 몇 번째 step까지 하는지 다름.

ex) ADD
1,2 에서 더하기를 한다는 것과 무엇과 무엇을 더하는지 알 수 있다.

3에서 더하기를 하고 4에서 레지스터에 적은 뒤에 끝낸다.

 

ex) SW
1,2 에서 SW를 한다는 것과 무엇을 Store하는지 알 수 있음.

3에서 Memory 주소를 구하고, 4에서 메모리에 접근하여 write를 하고 끝낸다.

Rs 표현법 : A , Reg [ IR [ 25 -21 ] ]

Rt 표현법 : B, Reg [ IR [ 20 - 16 ] ]

요약하자면
R type
1 CLK : PC값으로 Instruction 을 읽고, PC값 4증가

2 CLK : A register B regisetr에 Rs, Rt 값 담기 ,   Branch 일수도 있으니 미리 주소 계산해 두기

3 CLK : A와 B를 가지고 ALU에서 Instruction 에 맞게 계산하기

4 CLK : ALUOut에서 나온 값을 Register File에 Write

 

I type
1 CLK (공통): PC값으로 Instruction 을 읽고, PC값 4증가

2 CLK (공통) : A register B regisetr에 Rs, Rt 값 담기 ,   Branch 일수도 있으니 미리 주소 계산해 두기

3 CLK : [ 주소 계산 ] A + sign-extend (IR [15-0]);   = rs + imm16

4 CLK : (SW일 때) Memory [ ALUOut ] = B; / (LW일 때)  MDR = Memory[ ALUOut ] ; 

5 CLK : (LW일 때)  Reg[ IR [20 - 16] ] = MDR

Branch
1 CLK (공통): PC값으로 Instruction 을 읽고, PC값 4증가

2 CLK (공통) : A register B regisetr에 Rs, Rt 값 담기 ,   Branch 일수도 있으니 미리 주소 계산해 두기

3 CLK : Branch여부를 판단하여 branch

              PC = (A==B) ? ALUOut : PC+4;  ( PC값은 , A와 B가 같으면 ALUOut으로 하고, 아니면 PC+4)

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각 단계별로 하는 일을 자세히 알아보자

1. Instuction Fetch  (3:43)
   
   ▣ IR = Memory [PC];  메모리의 PC번째 데이터를 읽고, Instruction register에 저장해라
   ▣ PC = PC+4;            다음 PC명령어를 가리켜라.
   
   
   
2. Instruction Decode and Register Fetch (4:44)
   
   ▣ A = Reg [ IR [25-21] ];      A, B register에 필요한 값을 미리 받아놓는다.
   
   ▣ B = Reg [ IR [20-16] ];
   ▣ ALUOut = PC + ( sign-extend ( IR [ 15-0] ) << 2 ) ; 
   ↑    Branch 명령어가 들어왔을 수도 있으므로 Branch Target adress미리 계산
   
   + Decode 명령이 없는 이유 :  Decode는 Datapath가 아니라 Control 쪽에서 하기 때문.

ALU Out에서 PC로 가는 MUX가 빠져있음.

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      3.  Execution, Memory Address Computation or Branch Completion  // (3~5)는 1,2에서 읽은 거 실행하는 단계
        [ Instruction Dependent ] Inst가 뭐냐에 따라 명령어가 달라진다.
          
        1) Memory referenct 일 때  (lw , sw)
        ▣ A + sign-extend ( IR [ 15-0] ) ; // rs + (imm16) 임

        2) R-type 
        ▣ ALUOut = A op B;  // A와 B를 연산한다. op = add, sub, and...

        3) Branch
        ▣ If (A==B) PC = ALUOut;

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   4. Memory Access or R-Type instuction completion (11:45) 
        Branch 는 이전 명령에서 다 끝남. 나머지 I type이나 R type 볼 예정

       1) I-type  > LW
▣ MDR = Memory [ ALUOut ] ; // ALUOut 번째 Memory의 값을 Memory Data Register에 들어가서 저장(업데이트).

       

2) I-type  > SW

▣ Memory [ ALUOut ] = B; 
B= rt값임. 그 값을 Store니까 Memory에 Write 하도록 들어가야 한다. 

++여기서 생각해봐야 하는 거 (13:34)
B 는 2번째에 업데이트되었음.
하지만 얘네는 Control 신호를 받지 않기 때문에, 매 CLK Cycle에 값이 업데이트됨.

근데 우리는 지금 4번째 CLK 인데 이렇게 연산을 한다는 건 원하는 숫자들로 연산하는 게 아닌 그 뒤에 업데이트된 값으로 하는 게 아닌가?
→ 우리는 B= Rt 값을 Instruction Register값에 의해서 Update 된다. Instruction Register는 바뀌지 않았으므로 같은 값으로 계속 Update가 되므로 문제가 없다!

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3) R-type  > Add , Sub , and...

Reg [ IR [ 15-11] ] = ALUOut;

ALU연산 결과를 Register File 에 저장하면 됨 → Rd가 가리키는 곳으로 저장하면 됨 = ( IR [15-11]) 

 

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5. Write-Back step  (LW만 여기까지 옴)

Reg [ IR [20 - 16] ] = MDR ;  

Memory Data Register에 있는 값을 Register File에 Write 하는 거
 LW일 때는 목적지는 Rd가 아닌 Rt로 간다.

 

 

 

 

 

출처 : 한동대 SW중심대학