[Chapter 4.5 컴퓨터 구조 및 설계] 데이터패스 control unit, control signal

본 정리는 CS422-컴퓨터 구조 및 설계 : 하드웨어/소프트웨어 인터페이스. David A. Patterson, 존 헤네시 책을 바탕으로 하고 있음을 미리 알립니다.

우선 데이터 패스에 관한 이해가 있다는 것을 전제로 하겠습니다!

참고 : https://developbear.tistory.com/63

[Chapter 4.3 컴퓨터 구조 및 설계] processor datapath와 레지스터 파일

 

Control Signals

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우선 컨트롤 신호에는 무엇이 있는지 알아보자.

Signal name	0	1
RegDst	write address를 rd가 아닌 rt가 오게끔 한다.	write address를 rd가 오게끔 한다.
Reg write	레지스터에 데이터가 오더라도 wirte되지 않는다.	레지스터에 데이터가 write된다.
ALUSrc	ALU의 연산에 두번째에 오는 수가 rt레지스터에 있던 값이다.	ALU의 연산에 두번째에 오는 수가 상수 필드에 있던 수를 sign extend한 수이다.
PCSrc	다음 PC 레지스터에 PC+4한 값이 온다.	다음 PC 레지스터에 브랜치 타겟 주소가 온다.
MemRead	메모리에서 읽지 않는다.	ALU로부터 전달된 address로부터 해당 메모리 주소를 출력한다.
MemWrite	메모리에 쓰지 않는다.	ALU로부터 전달된 메모리 address에 데이터를 write한다.
MemtoReg	register에 쓰일 데이터가 ALU연산에서 나온 값이다.	register에 쓰일 데이터가 메모리에서 출력된 값이다.

 

즉 이 컨트롤 신호들을 기반으로 만들어진 데이터 패스와 신호는 다음과 같다.

직접 한번 데이터 패스를 그려보면서 왜 이렇게 되는지 이해해보는 것이 도움이 될 것이다.

 

Control Function

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그렇다면 어떻게 opcode가 Contol unit에 가서 저렇게 다양한 Control 신호를 내는 걸까?

 

우선 각 명령어에 따른 Control 신호는 다음과 같다.

이 opcode와 각 명령어 별로 나와야 하는 control 신호들은 다음과 같다.

위 opcode를 통해 논리 회로를 만들어 보면 다음과 같다.

천천히 한번 대입해보기를 바란다.

 

즉, 이런 논리 회로가 contol unit안에서 opcode를 받아들이고, 그에 알맞은 출력으로 Contol Signal을 보내고 있는 것이다.

 

ALU Control

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ALU는 다양하게 쓰인다.

• Load/Store - add
• Brancj - sub
• R-type - add or and 등등

이 다양한 Control 신호는 어떻게 나올 수 있는 걸까?

 

ALU control은 OPcode뿐만 아니라, function feild의 값도 활용하여 어떤 연산을 할지 정한다.

위에서 알 수 있듯, ALUop는 opcode로부터 나온다는 것을 알 수 있다.

 

우선 그럼, 명령어 별 ALUop와 function field를 알아보자.

이를 각 명령어 별 나와야 하는 ALU control 신호까지 함께 논리표로 나타내면 다음과 같다.

오른쪽부터 op0 op1 op2 op3으로 하고 한번 생각해보자.

 

op0의 경우 우선 ALUOp1이 무조건 1이어야 하고, F0 field와 F3 field를 보면 나머지 op때는 전부 0이고 op0이 1일 때만 둘 중 하나가 1인 것을 알 수 있다. 즉, ALUOP1 and (F0 + F3)인 것을 알 수 있다.

 

op 0 =  ALUOP1 and (F0 + F3)

 

op1의 경우 ALUOP1이 0일 땐 1이고, ALUOP1이 1일 땐 F2 field의 반대인 것을 알 수 있다.

 

op1 = (not  ALUOP1) + (ALUOP1 and (not F2))

 

op2의 경우 ALUOP0와 같거나, F1 feild와 같은 것을 알 수 있다.

 

op2 = (not ALUOp1 and ALUOp0) + (ALUOP1 and F2)

 

op3의 경우 그냥 0인 것을 알 수 있다.

 

op3 = 0

 

이를 회로로 나타내면 다음과 같다.

 

이렇게 컨트롤 신호가 어떤 신호를 가지고 어떻게 컨트롤 신호를 출력하는지 알 수 있었다.