4. Single Cycle CPU

Program Visible State

• PC
  • 현재 실행중인 명령어의 주소를 저장하는 32비트 레지스터
• Registers
  • 5-bit의 read할 레지스터 주소를 넣으면, 저장된 값을 출력한다.
• Instruction memory
  • 명령어 주소를 넣으면 32비트 명령어 값이 나온다.
• Data memory
  • 주소를 넣으면 저장된 데이터가 나온다.

→ 사실 1-cycle CPU라 한번에 읽고 써야함. 우리 상식으로는 통하지 않는 것이지만, read는 항상 하도록 하고, write 신호를 half-cycle로 주면 하나의 cycle 내에서 read/write가 모두 가능해진다. (교육용 ㅋㅋ)

→ Combinational read, synchronous write.

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Instruction Processing

There are 5 generic steps!

1. IF : Instruction Fetch
   • 메모리에서 주소를 바탕으로 명령어를 불러온다.
2. ID : Instruction Decode
   • 나온 명령어를 바탕으로 combinational logic을 통해 이게 어떤 type의 명령어인지 확인한다.
   • 해당 결과에 따라 control signal들을 켜고 끈다.
3. EX : Execution
   • 각 type에 따라 지정된 행동을 수행한다.
   • ALU에서 덧셈을 한다.
4. MEM: 메모리에 엑세스하여 (load & store)를 한다.
5. WB : Load의 경우에는 write-back을 하여 레지스터에 다시 써줘야 한다.

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Let’s Start with R-type…

GP[rd] ← GP[rs] + GP[rt]

Note 1: ALU control signal has 3-bits

Note 2: Wrtie_enable at register files enabled in half-cycle

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For I-type too

Note 1: We need to sign-extend the immediate 16-bit to 32-bit.

Note 2: We need to select signals by MUX. (Signals are actually in circuit, even though MUX did not select it), due to (is rt is destination?) and (what data should we add?)

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Let’s add Load-Store datapath

Note 1: Need to check whether it is load

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Now for jump?

Note: Only for unconditional jump. J, JR(register의 값 주소로 jump), JAL (PC+4 r31에 저장하고 jump), JALR (PC+4를 지정 레지스터에 저장하고 JR 점프)

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Finally, for conditional jump

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어떤게 Decode되었을 때 어떤 control 신호를 켤지가 시험에 나올 것이니 꼭 확인할 것.

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Practice Here!