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[컴퓨터구조] 제어 유니트

2022. 2. 7. 15:15ㆍMajor`/컴퓨터구조

제어 유니트 (Control Unit)

CPU에서 명령어를 인출하여 해독하고 실행하는 과정이 순차적으로 발생하기 위해서 순간마다 적절한 제어 신호를 생성해서 해당 하드웨어 모듈로 보내주는 장치

- 기능 1) 명령어 코드의 해독 

- 기능 2) 명령어 실행에 필요한 제어 신호 생성 

≫ 명령어 사이클이 적절히 수행되도록 모든 동작들을 제어하는 장치

 

- 명령어 사이클에는 인출 사이클/간접 사이클/실행 사이클/인터럽트 사이클로 구성

  • 각 사이클에는 여러 개의 마이크로-연산들이 수행된다

 

Example) 인출 사이클

t(0) : PC -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR / PC + 1 -> PC
t(2) : MBR -> IR

- t(1)에서는 두 개의 마이크로-연산이 동시에 수행된다

- 각 마이크로-연산들이 실제로 수행되려면 2진 비트들로 표현되어야 한다

  • 비트들로 이루어진 각 단어 : 마이크로 명령어(Microinstruction)/제어 단어(Control Word) 
  • 마이크로 명령어들의 집합 : 마이크로프로그램(Microprogram) 
  • CPU의 특정 기능을 수행하기 위해 마이크로프로그램을 논리적으로 묶은 그룹 : 루틴(Routine) 

- 명령어 실행을 하나의 마이크로프로그램이라고 생각해보면

  • 해당 마이크로프로그램은 3개의 루틴으로 구성되어 있다 :: 인출 사이클 루틴/간접 사이클 루틴/실행 사이클 루틴 

 

 

 

제어 유니트의 내부구조

명령어 레지스터 (IR : Instruction Register)

- 현재 실행중인 명령어를 저장하고 있는 레지스터

 

명령어 해독기 (ID : Instruction Decoder)

- IR로부터 들어오는 명령어의 opcode를 해독

  • 해당 연산을 수행하기 위한 루틴의 시작 주소를 결정 :: 사상(Mapping) 방식 
    • 사상 방식을 통해서 결정된 주소는 CAR에 저장된다

※ 사상 함수 사용 이유

- 명령어가 수행될 때, 주기억장치에 접근하려면 명령어의 Operand를 주기억장치에 직접 적용될 수 있는 Operand로 변환해야 하기 때문이다

 

제어 주소 레지스터 (CAR : Control Address Register)

- 다음에 실행할 마이크로명령어의 주소를 저장하는 레지스터

  • → 해당 주소는 제어 기억장치의 특정 위치를 가리킨다

 

제어 기억장치 (CM : Control Memory)

- 마이크로프로그램을 저장하는 내부 기억장치

- ROM으로 만든다

 

Example) 용량이 128 word인 제어 기억장치

0 인출 사이클 루틴
.... 간접 사이클 루틴
..... 인터럽트 사이클 루틴
  ....
63
64 실행 사이클 루틴 1
... 실행 사이클 루틴 2
....  
  ....
127
  • 0 ~ 63 (64 word) : 공통 루틴(인출/간접/인터럽트)을 위한 마이크로프로그램 루틴들을 저장
  • 64 ~ 127 (64 word) : 각 명령어를 위한 실행 사이클 루틴들을 저장

 

제어 버퍼 레지스터 (CBR : Control Buffer Register)

- 제어 기억장치로부터 읽힌 마이크로명령어를 일시적으로 저장하는 레지스터

 

서브 루틴 레지스터 (SBR : Subroutine Register)

- 마이크로프로그램에서 서브루틴이 호출되는 경우에, 현재 CAR 내용을 일시적으로 저장하는 레지스터

 

순서 제어 모듈 (SM : Sequencing Module)

- 마이크로명령어의 실행 순서를 결정하는 회로들의 집합

 

 

 

CPU의 명령어 셋 설계

1. 명령어들의 종류/비트 패턴을 정의

2. 해당 명령어들의 실행에 필요한 하드웨어를 설계

3. 각 명령어를 위한 실행 사이클 루틴을 마이크로프로그래밍

 

- 마이크로프로그램은 루틴들의 집합이므로 CPU 설계 단계에서 확정되고, 변하지 않는다

  • 제어 기억장치는 ROM으로 만들어져서 CPU 칩 내에 포함된다

 

사상 함수 생성 방법

(1) 제어 기억장치의 용량이 2w라면

- 사상 함수 전체 길이 = w

 

(2) 각 루틴이 최대 n개의 마이크로명령어로 구성된다면

- 2k = n을 만족하는 k에 대해서

  • 사상 함수 끝 k자리를 0으로 만들어준다

 

(3) 실행 사이클이 처음~절반 or 절반~끝

- 처음~절반 : 사상 함수 첫번째 자리를 0

- 절반~끝 : 사상 함수 첫번째 자리를 1

 

(4) (2), (3) 방법을 통해 구현하고, 사상 함수의 남은 자리를 X로 채워준다

 

Example 1) 사상함수 생성

:: 제어 기억장치 용량이 1024이고, 각 루틴이 최대 16개의 마이크로명령어로 구성되고, 처음-절반 부분에 실행 사이클 루틴들을 저장

(1) 용량이 1024 = 210이므로 사상 함수 전체 길이 = 10

                   

(2) 각 루틴이 최대 24개의 마이크로명령어 구성 → 사상 함수 끝 4자리를 0으로 만들어준다

            0 0 0 0

(3) 처음-절반 부분에 실행 사이클 루틴들을 저장 → 사상 함수 첫번째 자리를 0으로 설정

0           0 0 0 0

(4) 나머지 자리를 X로 채워준다

0 X X X X X 0 0 0 0
  • 최종 사상 함수 : 0 XXXXX 0000 

 

Example 2) 사상함수 생성

:: 제어 기억장치 용량이 512이고, 각 루틴이 최대 8개의 마이크로명령어로 구성되고, 절반-끝 부분에 실행 사이클 루틴들을 저장

(1) 용량이 512 = 29이므로 사상 함수 전체 길이 = 9

                 

(2) 각 루틴이 최대 23개의 마이크로명령어 구성 → 사상 함수 끝 3자리를 0으로 만들어준다

            0 0 0

(3) 절반-끝 부분에 실행 사이클 루틴들을 저장 → 사상 함수 첫번째 자리를 1으로 설정

1           0 0 0

(4) 나머지 자리를 X로 채워준다

1 X X X X X 0 0 0
  • 최종 사상 함수 : 1 XXXXX 000 

마이크로명령어의 형식

연산 필드 

  • 연산 필드의 개수만큼 마이크로-연산을 동시에 수행할 수 있다

조건 필드(CD) 

  • 분기에 사용될 조건 플래그를 지정한다 (if, switch문과 같은 조건문)

분기 필드(BR) 

  • 분기의 종류, 다음에 실행할 마이크로명령어의 주소를 결정하는 방법을 명시한다

주소 필드(ADF) 

  • 분기가 발생하는 경우, 목적지 마이크로명령어의 주소로 사용한다

 

Ex) 연산 필드1 마이크로-연산

코드 마이크로-연산 기호
000 None NOP
001 PC → MAR PCTAR
010 IR(addr) → MAR IRTAR
011 AC + MBR → AC ADD
100 M[MAR] → MBR READ
101 MBR → AC BRTAC
110 MBR → IR BRTIR
111 MBR → M[MAR] WRITE

 

Ex) 연산 필드2 마이크로-연산

코드 마이크로-연산 기호
000 None NOP
001 PC + 1 → PC INCPC
010 AC → MBR ACTBR
011 PC → MBR PCTBR
100 MBR → PC BRTPC
101 SP → MAR SPTAR
110 AC - MBR → AC SUB
111 IR(addr) → PC IRTPC

 

Ex) 조건 필드 코드 지정

코드 조건 기호 설명
00 1 U 무조건 분기
01 I 비트 I 간접 주소지정
>>I비트가 1이면 간접 사이클 루틴 호출
10 AC(S) S 누산기에 저장된 데이터의 부호
>> S플래그가 1(=음수)이면 분기
11 AC=0 Z AC에 저장된 데이터가 0
>> Z플래그가 1(=데이터가 0)이면 분기

 

Ex) 분기 필드 코드 지정

코드 기호 설명
00 JMP 1) 조건필드에 의해 분기가 일어나면
>> ADF → CAR (해당 마이크로명령어로 점프)
-------------------------------------------------------------------------------------------
2) 조건필드에 의해 분기가 일어나지 않으면
>> CAR + 1 → CAR (다음 마이크로명령어 실행)
01 CALL 1) 조건필드에 의해 분기가 일어나면
>> CAR + 1 → SBR / ADF → CAR
(다음 마이크로명령어를 SBR에 저장해놓고, 해당 마이크로명령어로 점프)
-------------------------------------------------------------------------------------------
2) 조건필드에 의해 분기가 일어나지 않으면
>> CAR + 1 → CAR (다음 마이크로명령어 실행)
10 RET SBR → CAR
>> 서브루틴으로부터 복귀
11 MAP 사상 방식을 통해 결정된 주소를 CAR에 저장
※ IF 1 XXXX 00
>> CAR(1) ← 1 / CAR(2-5) ← IR(op) / CAR(6,7) ← 0
0 인출 사이클 루틴
4 간접 사이클 루틴
8 인터럽트 사이클 루틴
  ....
63
64 실행 사이클 루틴 1 (NOP)
68 실행 사이클 루틴 2 (LOAD)
72 실행 사이클 루틴 3 (STORE)
76 실행 사이클 루틴 4 (ADD)
80 실행 사이클 루틴 5 (SUB)
84 실행 사이클 루틴 6 (JUMP)
  ....
127

1) 인출 사이클 루틴

t(0) : PC -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR / PC + 1 -> PC
t(2) : MBR -> IR
  ORG 0
(시작 주소 0)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
FETCH: PCTAR U JMP  NEXT ; PC → MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
READ, INCPC U JMP NEXT ; M[MAR] → MBR
; PC + 1 → PC
; 다음 마이크로명령어 실행
BRTIR U MAP   ; MBR → IR, 해당 명령어 실행
; 매핑을 통해서 CAR에 해당 명령어의 실행 사이클 루틴 시작 주소 적재

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
000 0000 001 000 00 00 000 0001
000 0001 100 001 00 00 000 0010
000 0010 110 000 00 11 ?

 

2) 간접 사이클 루틴

t(0) : IR(addr) -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR
t(2) : MBR -> IR(addr)
  ORG 4
(시작 주소 4)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
INDRT: IRTAR U JMP  NEXT ; IR(addr) → MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
READ U JMP NEXT ; M[MAR] → MBR
; 다음 마이크로명령어 실행
BRTIR U RET   ; MBR → IR(addr)
; 실행 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
000 0100 010 000 00 00 000 0101
000 0101 100 000 00 00 000 0110
000 0110 110 000 00 10 000 0000

 

3) 실행 사이클 루틴

명령어 연산 코드 루틴의 시작 주소 (사상 함수 적용)
>> 사상 함수 : 1 XXXX 00
NOP 0000 1 0000 00 = 64
LOAD(I)
: 간접 주소 지정		 0001 1 0001 00 = 68
STORE(I)
: 간접 주소 지정		 0010 1 0010 00 = 72
ADD 0011 1 0011 00 = 76
SUB 0100 1 0100 00 = 80
JUMP 0101 1 0101 00 = 84

 

NOP

t(0) : PC + 1 -> PC
  ORG 64
(시작 주소 64)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
NOP: INCPC U JMP FETCH ; PC + 1 -> PC
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0000 00 000 001 00 00 0000 000

 

LOAD(I)

t(0) : IR(addr) -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR
t(2) : MBR -> AC
  ORG 68
(시작 주소 68)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
LOAD(I): NOP I CALL INDRT ; I=1 : 간접 사이클 루틴 호출
IRTAR U JMP NEXT ; IR(addr) -> MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
READ U JMP NEXT ; M[MAR] -> MBR
; 다음 마이크로명령어 실행
BRTAC U JMP FETCH ; MBR -> AC
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

 

1) I = 1

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0001 00 000 000 01 01 000 0100
간접 사이클 루틴 시작
000 0100 010 000 00 00 000 0101
000 0101 100 000 00 00 000 0110
000 0110 110 000 00 10 1 0001 01
(간접 사이클에서
LOAD 실행 사이클로 복귀)
간접 사이클 루틴으로부터 복귀
1 0001 01 010 000 00 00 1 0001 10
1 0001 10 100 000 00 00 1 0001 11
1 0001 11 101 000 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

2) I = 0

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0001 00 000 000 01 01 1 0001 01
1 0001 01 010 000 00 00 1 0001 10
1 0001 10 100 000 00 00 1 0001 11
1 0001 11 101 000 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

STORE(I)

t(0) : IR(addr) -> MAR
t(1) : AC -> MBR
t(2) : MBR -> M[MAR]
  ORG 72
(시작 주소 72)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
STORE(I): NOP I CALL INDRT ; I=1 : 간접 사이클 루틴 호출
IRTAR U JMP NEXT ; IR(addr) -> MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
ACTBR U JMP NEXT ; AC -> MBR
; 다음 마이크로명령어 실행
WRITE U JMP FETCH ; MBR -> M[MAR]
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

 

1) I=1

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0010 00 000 000 01 01 000 0100
간접 사이클 루틴 시작
000 0100 010 000 00 00 000 0101
000 0101 100 000 00 00 000 0110
000 0100 110 000 00 10 1 0010 01
(간접 사이클에서
STORE 실행 사이클로 복귀)
간접 사이클 루틴으로부터 복귀
1 0010 01 010 000 00 00 1 0010 10
1 0010 10 000 010 00 00 1 0010 11
1 0010 11 111 000 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

2) I=0

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0010 00 000 000 01 01 1 0010 01
1 0010 01 010 000 00 00 1 0010 10
1 0010 10 000 010 00 00 1 0010 11
1 0010 11 111 000 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

ADD

t(0) : IR(addr) -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR
t(2) : AC + MBR -> AC
  ORG 76
(시작 주소 76)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
ADD: IRTAR U JMP NEXT ; IR(addr) ->MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
READ U JMP NEXT ; M[MAR] -> MBR
; 다음 마이크로명령어 실행
ADD U JMP FETCH ; AC + MBR -> AC
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0011 00 010 000 00 00 1 0011 01
1 0011 01 100 000 00 00 1 0011 10
1 0011 10 011 000 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

SUB

t(0) : IR(addr) -> MAR
t(1) : M[MAR] -> MBR
t(2) : AC - MBR -> AC
  ORG 80
(시작 주소 80)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
SUB: IRTAR U JMP NEXT ; IR(addr) -> MAR
; 다음 마이크로명령어 실행
READ U JMP NEXT ; M[MAR] -> MBR
; 다음 마이크로명령어 실행
SUB U JMP FETCH ; AC - MBR -> AC
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0100 00 010 000 00 00 1 0100 01
1 0100 01 100 000 00 00 1 0100 10
1 0100 10 000 110 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

 

JUMP

t(0) : IR(addr) -> PC
  ORG 84
(시작 주소 84)		      
  연산 기호 조건 기호 분기 기호 분기 목적지 설명
JUMP: IRTPC U JMP FETCH ; IR(addr) -> PC
; 인출 사이클 루틴으로 복귀

>> 마이크로명령어들을 2진 비트 패턴으로 변환

주소 마이크로-연산 필드 조건 필드(CD) 분기 필드(BR) 주소 필드(ADF)
1 0101 00 000 111 00 00 000 0000
(인출 사이클 루틴으로 복귀)

마이크로프로그램의 순서제어

- 순서제어 (Sequencing) : 다음에 실행할 마이크로명령어의 주소 결정

- CAR 초기값 : 0

- MUX1 : 다음에 실행할 마이크로명령어의 주소 선택

- MUX2 : 조건 플래그를 선택해서 주소선택 회로로 전송

 

주소 선택 방법

- BR = 분기필드

 

▶ BR = 00 (JUMP) or BR = 01 (CALL)

C = 0 

  • 다음 위치의 마이크로명령어 선택

C = 1 

  • 조건 필드가 1(분기 O)일 경우, ADF가 지정하는 위치로 JUMP or CALL
    • CALL 하면, CAR 내용을 SBR에 저장

 

▶ BR = 10 (RET)

- SBR 내용을 CAR에 저장 :: 복귀

 

▶ BR = 11 (MAP)

- 사상 결과를 CAR에 저장

수직적 마이크로프로그래밍

- 마이크로명령어의 opcode에 encoded bits를 포함시킨다

  • 해독기를 통해서 그 bit들이 필요한 수 만큼의 제어 신호들로 확장하는 방식

 

장점

- 마이크로명령어의 길이(bit 수) 최소화

  • 제어 기억장치 용량 감소

 

단점

- 해독 동작에 걸리는 만큼의 지연시간 발생

- 연산 필드가 n비트라면

  • 해독기를 통해서 최대 2n개 제어 신호들을 발생시킬 수 있다

수평적 마이크로프로그래밍

- 연산 필드의 각 비트와 제어신호를 1:1로 대응시키는 방식

  • 필요한 제어 신호 수만큼의 비트드로 이루어진 opcode bit들이 마이크로명령어에 포함되어야 한다

 

장점

- 하드웨어가 간단하고, 해독에 따른 지연 시간이 없다

- 추가적인 하드웨어(해독기)가 필요없다

 

단점

- 마이크로명령어의 비트 수가 길어지기 때문에 제어 기억장치 용량이 증가한다

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