ALU Control (ALU 제어)
- ALU used for
- Load / Store : add (메모리 주소를 계산하기 위해 더하는 용도)
- Branch : subtract (두 값을 빼서 같은지 확인한다)
- R-type : depends on the funct field
-
Encode different instruction by 4 bits
ALU control Function 0000 AND 0001 OR 0010 add 0110 subtract 0111 set - on - less - than 1100 NOR
- 명령어의 기능 필드 (funct field)(6비트)와 2비트 제어 필드 (ALUOp)를 입력으로 갖는 조그만 제어 유닛을 만들어서 4비트 ALU 제어 입력을 발생시킨다.
(Combinational logic derives ALU control)- 자세한 건 교재나 피피티 표 참고하자
The Main Control Unit (주 제어 유닛)
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R-type
0 rs rt rd shamt funct 31:26 25:21 20:16 15:11 10:6 5:0
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Load / Store
35 or 43 rs rt address 31:26 25:21 20:16 15:0
-
Branch
35 or 43 rs rt address 31:26 25:21 20:16 15:0
- opcode는 항상 31:26이다.
- rs는 읽어야 하는 레지스터이다. 25:21에 저장된다
- rt는 Load일 때를 제외하고, 읽어야 하는 레지스터이다.
Load일 때는 써야 하는 레지스터이다. - rd는 R-type일 때 써야 하는 레지스터이다.
- address에는 branch, load, store를 위한 16비트 변위가 저장되어 있다.
- 이처럼 목적지 레지스터(써야 하는 레지스터)는 명령어의 종류에 따라 달라지기 때문에 쓰기가 행해질 레지스터 번호로 명령어의 어떤 필드를 사용할 지 선택하기 위해 멀티플렉서를 사용해야 한다.
Datapath with Control
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opcode(instruction[31-26])을 통해 RegDst, Branch, MemRead, MemtoReg, ALUOp, MemWrite, ALUSrc, RegWrite 값을 결정하는 Control을 추가하였다.
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기능
신호 이름 인가되지 않은 경우(0) 인가된 경우 (1) RegDst rt가 Write register 가 된다 rd가 Write register가 된다 RegWrite Nothing Write register에 Write data 를 쓴다 ALUSrc Read data2가 ALU의 두 번째 operand가 된다 하위 16비트(instruction[15:0])가 sign extend된 값이 ALU의 두 번째 operand가 된다 PCSrc
(branch && zero)PC + 4가 새로운 PC값이 된다 branch target이 새로운 PC 값이 된다.
PC + 4 + targetMemRead Nothing address 입력이 지정하는 데이터 메모리 내용을 Read data 출력으로 내보낸다 (???) MemWrite Nothing address 입력이 지정하는 데이터 메모리 내용을 Write data 입력 값으로 바꾼다 MemtoReg ALU 출력이 레지스터의 Write data 입력이 된다 데이터 메모리 출력이 레지스터의 Write data 입력이 된다
R - type
add rd, rs, rt
-
control signal
signal value description RegDst 1 rd를 select한다 RegWrite 1 rd에 write가 가능하게 한다 ALUSrc 0 rt가 ALU의 두 번째 operand가 되게 한다 ALUOp OP to select an appropriate operation for ALU MemRead 0 memory를 읽지 못하게 한다 MemWrite 0 memory에 쓰지 못하게 한다 MemtoReg 0 ALU의 출력이 register에 write하는 값이 되게 한다 PCSrc 0 다음 PC를 선택한다
I-type
Load Instruction
lw rt, rs, imm
-
control signal
signal value description RegDst 0 rt에 write할 준비를 한다 RegWrite 1 rt에 쓸 수 있게 한다 ALUSrc 1 ALU의 두 번째 operand로 immediate을 선택한다 ALUOp OP add MemRead 1 reading memory가 가능하게 한다 MemWrite 0 writing memory는 불가능하게 한다 MemtoReg 1 메모리의 출력을 레지스터에 write하게 한다 PCSrc 0 다음 PC를 선택한다
Store Instruction
sw rt, rs, imm
-
control signal
signal value description RegDst X (Don't care) Not used RegWrite 0 writing register가 불가능하게 한다 ALUSrc 1 ALU의 두 번째 operand로 immediate을 선택한다 ALUOp OP add MemRead 0 reading memory가 불가능하게 한다 MemWrite 1 writing memory가 가능하게 한다 MemtoReg X (Don't care) Not used PCSrc 0 다음 PC를 선택한다
Branch-on-Equal Instruction
beq rs, rt, imm
-
control signal
signal value description RegDst X (Don't care) Not used RegWrite 0 writing register가 불가능하게 한다 ALUSrc 0 ALU의 두 번째 operand로 rt를 선택한다 ALUOp OP sub MemRead 0 reading memory가 불가능하게 한다 MemWrite 0 writing memory가 불가능하게 한다 MemtoReg X (Don't care) Not used PCSrc 1 PC + 4 + target으로 이동한다
Unconditional Jump Instruction
| 000010 (2) | address |
|---|---|
| 31:26 | 25:0 |
(ppt)
- jump는 word address를 이용한다
- (??) Update PC with concatenation of
- Top 4 bits of old PC
- 26-bit jump address
- (??) opcode에서 decode된 추가적인 control signal이 필요하다
(교재)
- 점프 명령어는 어떤 면에서는 분기 명령어와 비슷하지만
목적지 PC값 계산 방식이 다르고, 조건 분기가 아니라는 점이 다르다. - 점프 명령어의 목적지 주소는
현 PC + 4의 상위 4비트에 점프 명령어의 26비트 주소 필드, 그리고 00을 하위 2비트로 연접한 값으로 구성된다
(그림)
- Add에서 PC + 4 값을 출력한다
- instruction[25-0]을 왼쪽으로 두 번 shift하여 00을 하위 2비트로 붙인다
- 이 둘을 합친다. (4 + 26 + 2 = 32)
- 마지막으로 MUX를 이용해서 Jump == 1이면 위의 주소를 다음 목적지로 잡는다
-
control signal
signal value description RegDst X (Don't care) Not used RegWrite 0 writing register가 불가능하게 한다 ALUSrc X Not used ALUOp X Not used MemRead 0 reading memory가 불가능하게 한다 MemWrite 0 writing memory가 불가능하게 한다 MemtoReg X (Don't care) Not used PCSrc X Not used Jump 1 to select next PC
Performance Issue
- longest delay deterines clock period
- critical path : load instruction
- Instruction memory
-> register file
-> ALU
-> data memory
-> register file
- Not feasible to vary period for different instructions
- Violates design principle
- making the common case fast
- We will improve performance by pipelining
