Datapath, Simple Implementation Scheme & Pipelineing [컴퓨터구조]

지금까지 배운 것은 다 이것을 위한 필수 지식에 불과했다.

진짜 이제부터 하나하나씩 뜯으면서 보자.

 

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먼저 ALU에 대한 것 부터 배워야 한다.

**ALU Control은 4-bit 이다.

 

 

또 ALU를 Control 하는 2-bit가 있는데 (opcode에서부터 온다)

나머지는 Instruction의 funct에서 온다.

 

 

그것을 ALUOp 라고 한다.

 

 

ALUOp에 따라서 ALU가 뭘할지 정해준다.

 

ALU는 아래 3가지를 한다.

1. Load/ Store일 때 add를 해주고

2. Branch일 때 sub를 해주고

3. R 타입일 때 operand에 맞추어 연산하는 것은 ALU가 하는 역할이다.

 

즉, 우리가 ALU 를 컨트롤해서 Combinational Logic을 만드는 것이 컴퓨터 구조의 주 목표이다.

 

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우선 알고넘어가자.

opcode는 항상 6비트를 가지면서

source register는 항상 읽는다.

또한 저 rd와 rt에 값을 write하게 된다.

또한 rt에서 값을 읽어온다.

offset이 있는 경우 sign-extend를 이용하더라.

 

실제로 ALU Control의 내부를 까보자면

 

이런 방식으로 

ALU Operation의 비트가 정해진다고 하겠다.

 

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어...?

근데 Jump는  offset이 26비트인데...? 어떻게하는거지..?

 

그 때 말했다.

PC의 최상위 4비트를 가져오고

26비트를 left shift 2번해서 26 + 2 + 4로 target address(32-bit)를 만든다고 했다.

 

즉, opcode만으로 ALU에게 계산을 바로 시킬 수가 없다.

아래와 같이 한다.

(흐린 부분 말고 찐한 부분 보자)

 

 

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그럼 그것을 Datapath 로 보면 어떨까??

 

 

저기서 컨트롤에서 나오는 모든 것이 1비트인데

ALUOp만 2비트로 나와서 ALU Control로 들어간다.

또한 저기 보면

Instruction의 하위 비트[5-0] funct가 ALU Control에 또 들어간다.

이 조합으로 4-bit ALU Control이 만들어지는 것이다.

 

조금 더 복잡해진 그림이 되었다.

 

각 신호들의 역할은 이렇다.

 

 

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흠.. 뭔가 복잡한데 operation마다 약간 성능의 차이가 있을 것 같은데

앞서 Clock은 가장 긴 instruction에 맞춘다고 했단 말이지..?

** 명령에 따라 다른 클럭을 사용하는 것은 매우 어렵기 때문이다.

 

 

Load 가 긴 명령어 중 하나이다.

Load가 실행되면 레지스터 파일에 담긴 target address를 ALU를 거쳐 계산해

메모리로가서 그 데이터를 다시 레지스터에 가져온다.

 

 

 

이렇게 간단하게 구현하면 비효율이 발생한다.

그래서 우리는 파이프라이닝으로 이것을 극복하고자 하는 것이다.

 

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파이프라이닝이란 무엇이냐?

 

예를 들어보자

 

4명이서 빨래를 해야한다.

만약 1사람씩 한다면 8시간이 걸린다.

 

 

그렇지만 파이프라이닝을 해서

작업을 겹쳐서하게 된다면

 

동시에 세탁기는 못돌리지만

친구가 빨래를 탈수할 때 내가 세탁기를 돌릴 수 있고

빨래를 널 때 내가 탈수를 할 수 있다는 말이다.

 

왜 그것이 가능할까?

왜 자원이 공유가 가능한 것일까?

해당 자원 사용이 다른 사용자에게 아무런 영향을 주지 않기 때문이다.

세탁기 쓸 때 탈수기 쓰면 탈수기 성능이 구려진다거나 그런 것이 없잖아??

파이프라이닝이란 것이 먼 개념이 아니다. 우리 주변에 일상에 있는 것들이다.

 

다만 저기서 명심해야할 점은

세탁도 안하고 탈수기를 쓰는 정신나간 사람은 없겠지..?

즉, 선행과정이 있기 때문에 저렇게 되는 것이다.

 

4가지에 대해선 파이프라이닝 한 것이  2.3배 빠르다.

 

하지만 이 작업을 계속하게 된다면

무한대를 어떻게 표현하지... 음... lim h -> 0  일 때 1/h 가 된다면...

아니 n이 발산한다면.. 해당 값은 4로 수렴하게되고

해당 값은 파이프라이닝의 개수에 근접할만큼 속도가 빨라진 것을 볼 수 있다.

 

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그렇다면 MIPS의 파이프라인은 어떻게 될까?

 

아주 중요하다.

각 단계에서 무엇을 하는지가 정말 중요하다. 

 

 

IF -> Instruction Fetch

ID -> Instruction Decode

EX -> Execution

MEM -> access Memory

WB -> Write result Back

 

또한 Instruction마다 각 단계에 걸리는 시간이 다르다.

 

Data Access, 즉, 메모리에 접근하게 된다면 시간이 많이 걸린다.

뭐 100 ps 위아래로 차이면 별로 차이 안날 것 같은데??라고 생각할 수 있다.

 

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음.. 그렇다면 빨래처럼 실제로

파이프라이닝을 한 것이 시간이 더 빠를까???

 

 

lw는 800 ps이지만

3번 실행한 것의 차이는

2400 vs 1400 이다.

실행을 많이할수록 차이가 벌어지겠지??

 

파이프라인을 꼭 해야하는 이유가 생겼다.

 

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그렇다면 pipeline의 성능은 얼마나 좋은걸까??

 

 

하지만 앞서 말했다시피

가장 느린 instruction 클럭에 맞춰지기 때문에 조금 다르게 계산해야한다.

**만약 모두가 같은 instruction의 실행 시간을 가지고 있다면 좋겠지만 실제는 그렇지 않다.

 

그러니까 저기 위에 perfectly balanced pipeline은 그냥 꿈이다.

 

그래서 MIPS에서 파이프라이닝의 성능을 볼 때는

시간보다는 처리량, throughput 을 본다.

 

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MIPS가 파이프라이닝에 적합한 이유

 

 

모든 명령어가 32bit이다 - > instruction fetch와 decode를 한 싸이클에 할 수 있다.

명령어의 포맷이 많지 않다. -> 한 스테이지에서 decode와 레지스터 접근이 가능하다.

Load/Store의 경우 3번째 단계에서 address를 구하고 4번째 단계에서 access를 하기에 나눠질 수 있다.

메모리 operands가 정렬되어있어서 메모리에 접근하는 것도 한 싸이클 내에서 된다.

 

여기서 싸이클은 우리가 단계로 나눴을 때 어느 한 단계에 걸리는 시간을 말한다.