[Computer Architecture] Register 와 Memory

Review)

CPU가 CPU로써 기능을 가지려면 3 종류의 기능은 반드시 갖춰야 한다.

• data processing(ALU)
• data move(load, store)

• flowcontrol(branch, jump)

• extra…

3 가지 instructions을 정의해 볼 것이다.

Q)memory에서 가져오는데 memory를 적는 부분에 왜 register 주소($)를 사용하는가?

A)$2에 7000번지를 넣는다고 하고 아래와 같은 코드를 적으면 $2에 10을 더하는 것은 7000에 10을 더하여 7010번지 memory에 load하는 것과 같은 의미가 된다. 이 때의 $2를 base address라고 한다.

base addressing

lw $5, 10($2)

$2에 7000이 담겨있다고 하면 해당 값에 10만큼의 offset을 적용하였으므로 7010번지에 찾아가는 것이다.

base register를 찾은 다음에 offset을 적용하여 indirect(간접적으로) load한다.

direct로 하는 방법은 아래와 같다.

lw $5, 7010

이렇게 indirect방법으로 메모리 주소를 참조하는 이유는 direct 방법으로 하다보면 변수를 하나 넣거나 뺄 때 다른 메모리 주소들의 값들이 밀려서 매 번 달라질 것이기 때문이다.

즉, indirect로 하게 되면 $2라는 주소(base address라고 한다.)를 간접적으로 참조하여 해당 값이 바뀌어도 정확히 내가 원하는 값에 접근할 수 있기 때문이다.

$0에는 항상 0이라는 값이 들어있다. 이를 이용하여 위의 표현을 다음과 같이 표현할 수 있다.

0은 특정 연산을 할 때, 비교를 할 때 굉장히 중요한 지표(기준) 이기 때문에 따로 지정해 둔 것이다.

lw $5, 7010($0) #zero register가 base register

그래서 이런식으로 사용할 수도 있겠지만 이렇게는 잘 사용하지 않는다.

• 모든 instruction은 32bit으로 정해져 있다.
• datapath(register file + ALU)
• Control(PC, IR, Control unit)
• Fetch - (decode &) Execute
• 명령어(instruction)를 IR에 가져와서 Decode해야 하는데 무슨 명령어 인지 구분하기 위해서, 즉 , 알아먹기 위해서 모든 명령어는 다음과 같이 표현된다.
  • 총 32bit로 이루어져 있다.
  • 32bit의 초반 6bit는 op-code 부분으로 표현된다.
  • 만약 add 의 경우 인자가 3 개가 필요하기 때문에 각각의 정보를 담는 5bit를 할당하여 이에 대한 15bit가 데이터 부분으로 표현된다.(R-type)
  • 만약 addi의 경우 한 개의 opcode 6bit, data 두 개와 Constant(immediate) 정보를 포함하기 때문에 앞의 두 데이터에 대해서는 5bit씩 할당하고 Const에 대한 부분은 나머지 16bit가 들어간다.(R-type)
    • 그래서 Const는 16bit로 표현될 수 있기 때문에 -2¹⁵ ~ 2¹⁵(+-32k) 범위 내의 constant 값만 사용할 수 있다.
  • lw 와 sw 의 경우 register 정보 2 개와 constant 정보 1 개가 필요하기 때문에 위의 addi와 똑같은 구조의 bit를 사용하면 된다.(I-type)
  • J(Jump)의 경우 constant 1 개의 정보 만을 필요로 하기 때문에 6bit의 opcode와 나머지 26bit의 const. 정보가 차지하는 구조를 사용한다.(J-type)

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Architecture Design Principles

Underlying design principles, as articulated by Hennessy and Patterson:

1. Simplicity favors regularity
   • simple한 것은 regularity를 선호한다.
2. Make the common cast that
3. Smaller is a faster
4. Good design demands good compromises

Chapter 6. Architecture

Instructions

# indicates a single-line comment

Addition

• Addition

  • C code

    • a = b + c;
      

  • MIPS assembly code

    • add a, b, c
      

• add: mnemonic indicates operation to perform
• b, c: source operands (on which the operation is pperformed)
• a: destination operand (to which the result is written)

Subtraction

• Similar to addition - only mnemonic changes

  • C Code

    • a = b - c;
      

  • MIPS assembly code

    • sub a, b, c
      

• sub: mnmonic
• b,c : source operands
• a: destination operand

Design Principle 1

Simplicity favors regularity

• Consistent instruction format
• Same number of operands (two sources and one destination)
• easier to encode and handle in hardware

Multiple Instructions

• More complex code is handled by multiple MIPS instructions.

  • C Code

    • a = b + c - d;
      

  • MIPS assembly code

    • add t, b, c # t = b + c
      sub a, t, d # a = t - d
      

ALU의 input을 여러개로 할 수도 있지만 simple하게 구성해야 performance가 좋기 때문에 두 개로만 받는 형태로 취하겠다.

Design Principle 2

Make the common case fast 흔히 나오는 명령어들을 빠르게 만들자.

• MIPS includes only simple, commonly used instructions

• Hardware to decode and execute instructions can be simple, small, and fast
• More complex instructions (that are less common) performed using multiple simple instructions
• MIPS is a reduced instruction set computer (RISC), with a small number of simple instructions
• Other architectures, such as Intel’s x86, are complex instruction set computers (CISC)

CISC는 명령어가 매우 많은데 어떤 명령어는 가뭄에 콩나듯 사용하여 비효율 적인데 자주 사용하는 것만 사용하게끔 하고 이것들의 속도를 빠르게 만들어서 복잡한 명령어는 단순한 명령어 여러개를 사용하여 만든 것이 RISC.

Operands

• Operand location : physical location in computer
  • Registers - add $1, $2, $3
  • Memory - lw $1, 4($3)
  • Constants(also called immediates) - lw

Registers

• MIPS has 32 32-bit registers
• Registers are faster than (main)memory(CPU안에 있기 때문에)
• MIPS called “32-bit architecture” because it operates on 32-bit data

Why 32 bits?

Data memory에 있는 data가 register file에 들어가야 하는 상황에 register file의 bit수가 커지면 커질 수록 CPU가 느려져서 안 좋기 때문에 적당한 수인 ‘32’로 정한 것이다.

Design Principle 3

Smaller is Faster

• MIPS includes only a small number of registers.

MIPS Register Set

• $0
  • $zero 라고 쓰기도 함
  • Constant value인 0이 들어있음
• $at
  • assembler가 임시로 우리가 짠 코드를 그대로 바꿔주는 것이 아니라 pesdo 코드를 사용하기도 하는데 이를 위한 임시 공간을 말한다.(reservation)
• $t0
  • 아무나 쓸 수 있는 데이터(temporaries)
• $s
  • 아주 중요한 데이터( 함부로 버리면 안되는)
• $t8-$t9
  • more temporaries
• $k0-$k1
  • OS만 사용가능하도록 reserve 해 놓은 곳
• $ra
  • return address
  • 함수가 호출된 후에 할 일을 다 마치고 함수를 호출한 곳으로 다시 돌아와야 하는데 그 address를 반환해 주는데 사용되는 공간이다.

우리가 많이 쓰는 곳은 0, 8-25 이다. 나머지는 함부로 쓰기 위험한 것들이 많다.

Registers

• Registers:
  • $ before name
  • Example: $0, “register zero”, “dollar zero”
• Register used for specific purposes:
  • $0 always holds the constant value 0.
  • the saved register, $s0-$s7, used to hold variables
  • the temporary registers, $t0-$t9, used to hold intermediate values during a larger computation
  • Discuss others later

Instructions with Registers

• Revisit add instruction

  • C Code

    • a = b + c
      

  • MIPS assembly code

    • # $s0 = a, $s1 = b, $s2 = c
      add $s0, $s1, $s2
      

• addi instruction

  • C Code

    • a = b + 6
      

  • MIPS assembly code

    • # $s0 = a, $s1 = b
      addi $s0, $s1, 6
      

Memory Operands

Memory

• Too much data to fit in only 32 registers(word describes 32)
• Store more data in memory
• Memory is large, but slow(than CPU)
• Commonly used variables kept in registers

• First, we’ll discuss word-addressable memory
• Then we’ll discuss byte-addressable memory

MIPS and RISC_V are byte-addressable

byte-addressable?

• little endian
• big endian

MIPS는 big endian을 사용한다.

Word-Addressable Memory

다루지 않을 것임.

우리가 사용하는 것은 모두byte-addressable 이기 때문

Byte-Addressable Memory

register 정보는 32bit인데 byte 단위로 전달하기 때문에 4byte가 전달 된다.

즉, 하나의 address는 8bit이다.

• Each data byte has unique address
• Load/store words or single bytes: load byte(lb) and store byte(sb)
• 32-bit word = 4 bytes, so word address increments by 4

Reading Byte-Addressable Memory

• The address of a memory word must now be multiplied by 4.
• For example,
  • the address of memory word 2 is 2 x 4 = 8
  • the address of memory word 10 is 10 x 4 = 40(0x28)
• MIPS is byte-addressed, not word-addressed

Example: Load a word of data at memory address 8 into $s3.

• $s3 holds the value 0x01EE2842 after load
• 
• 8번지에 있던 데이터는 register의 $3로 전달된다.
• 01EE2842는 $s3로 간다.

Example: store the value held in $t7 into memory address 0x10(16)

• if $t7 holds the value 0xAABBCCDD, then after the sw completes, word 4 (at address 0x10) in memory will contain that value.

Big-Endian & Little-Endian Memory

32 bit를 꺼낼 때는 앞뒤 구분이 상관없는데 한 바이트만 꺼낸다 했을 때는 문제가 생긴다.

• How to number bytes within a word?
• Little-endian: byte numbers start at the little (least significant) end
  • low address가 lsb position

• Big-endian: byte numbers start at the big (most significant) end

• Word address is the same for big- or little-endian

• Jonathan Swift’s Gulliver’s Travels: the Little-Endians broke their eggs on the little end of the egg and the BigEndians broke their eggs on the big end
• It doesn’t really matter which addressing type used – except when the two systems need to share data!

Big-Endian & Little-Endian Example

word단위로 데이터를 처리하면 문제가 없는데 바이트 단위로 처리하는 경우(lb와 같이) 앞과 뒤의 구분이 명확해야 오해의 여지가 없기 때문에 이는 중요하다.

• Suppose $t0 initially contains 0x23456789
• After following code runs on big-endian system, what value is $s0?
• In a little-endian system?
  • sw $t0, 0($0)
  • lb $s0, 1($0)
• Big-endian: 0x00000045 (MSB에서 1 번째 바이트인 45, 0번째는 23 )
• Little-endian: 0x00000067(LSB에서 1 번째 바이트인 67, 0번째는 89)

MIPS: Big-endian

X86, ARM, RISC-V: Little-endian

Design Principle 4

Good desgin demands good compromises

• Multiple instruction formats allow flexibility
  • add, sub: use 3 register operands
  • lw, sw: use 2 register operands and a constant
• Number of instruction formats kept small
  • to adhere(준수하다) to design principles 1 and 3(simplicity favors rergularity and smaller is faster).

Constants/Immediates

• lw and sw use constants or immediates

• immediately available from instruction

• 16-bit two’s complement number

• addi: add immediate

• Subtract immediate (subi) necessary?

• C Code

  • a = b + 4;
    b = a - 12;
    

• MIPS assmembly code

  • # $s0 = a, $1 = b
    addi $s0, $s0, 4
    addi $s1, $s0, -12
    

Machine Language

• Binary representation of instructions
• Computers only understand 1’s and 0’s
• 32-bit instructions
  • Simplicity favors regularity: 32-bit data & instructions
• 3 instruction formats:
  • R-Type: register operands
  • I-Type: immediate operand
  • J-Type: for jumping (discuss later)

R-Type

• Register-type
• 3 register operands:
  • rs, rt: source registers
  • rd: destination register

add $rd, $rs, $rt

• Other fields:
  • op: the operation code or opcode(0 for R-type instructions)
  • funct: the function with opcode, tells computer what operation to perform
  • shamt: the shift amount for shift instrucrtions, otherwise it’s 0

assembly 언어에서 작성한 순서와 machine code에서의 순서와 조금 다른 것에 유의한다.

opcode와 funct를 같이 확인하여 무슨 연산인지 알게끔 만들어 놓은 구조이다.

R-type Examples

효율적으로 사용하기 위해 ALU를 사용하는 모든 명령은 opcode에 0을 주었다. 그래서 이 경우에는 funct code도 같이 보아야 구체적으로 어떤 ALU연산을 하는지를 알 수 있다.

• add: 32
• sub: 34

Q) address가 8bit인데 word address는 4비트씩 커지나요?

A) address가 8bit라는 게 아니라 한 address(한 칸)가 8bit라는 것이다. 그래서 한 byte address(총 32bit 짜리의)는 4개의 byte를 전달하고 나서 그 다음 byte address를 전달하는 word address는 4byte 뒤의 공간인 것이다.

• byte = 8 bit

Q) asdf

A)어떤 프로그램은 잘 돌아가다가 MIPS에 가서 돌리면 안되는 경우가 있는데 이를 고려를 잘 해 주어야 한다. 거의 그런일 없을 것이다. memory가 충분하여. 대부분 little endian을 사용한다.