[CS] 제어 유니트

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제어 유니트의 기능

• 제어 유니트가 수행하는 주요 기능
  • 명령어 코드 해독
  • 명령어 실행에 필요한 제어 신호들의 발생
• 명령어 사이클 루틴
  1. 인출 사이클
  2. 간접 사이클
  3. 실행 사이클
  4. 인터럽트 사이클

• 프로그램 카운터에 저장되어있는 다음 멸령어의 주소를 MAR로 이동 -> 메모리의 MAR 위치에 있는 데이터를 MBR로 이동 -> 카운터 1증가 -> MBR에 있는 데이터의 해독을 위해 IR로 이동
• 루틴 - 명령어 인출과 같은 CPU의 특정 기능을 위하여 그룹 단위
• 명령어 사이클을 위한 마이크로 프로그램은 인출 사이클 루틴, 간접 사이클 루틴, 그리고 실행 사이클 루틴들로 구성

제어 유니트의 구조

• 명령어 해독기 - IR(Instruction Register)로부터 들어오는 명령어의 연산 코드를 해독하여 해당 연산을 수행하기 위한 루틴의 시작 주소를 결정
• 제어 주소 레지스터(Control Address Register: CAR) - 다음에 실행할 마이크로 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
• 제어 기억장치(Control Memory) - 마이크로 명령어들로 이루어진 마이크로 프로그램을 저장하는 내부 기억장치
• 제어 버퍼 레지스터(Control Buffer Register: CBR) - 제어 기억장치로부터 읽힌 마이크로 명령어를 일시적으로 저장하는 레지스터
• 서브루틴 레지스터(SuBroutine Register: SBR) - 마이크로 프로그램에서 서브루틴이 호출되는 경우에, 현재의 CAR 내용을 일시적으로 저장하는 레지스터
• 순서 제어 모듈(Sequencing Module) - 마이크로 명령어의 실행 순서를 결정하는 회로들의 집합

사이클

• 매핑 방식(사상 방식) - 명령어의 연산 코드를 특정 비트 패턴과 조합
  1. 제어 기억장치의 용량이 2w라면 사상합수 전체 길이 = w
  2. 각 루틴이 최대 n개의 마이크로명령어로 구성된다면 2k = n을 만족하는 k에 대해서 사상함수 끝 k자리를 0으로 만듬
  3. 실행 사이클이 처음~절반이면 사상함수 첫번째 자리를 0, 절반~끝이라면 사상함수 첫번째 자리를 1
  4. 2,3 방법을 통해 구현하고, 사상함수의 남은 자리를 x로 채움
• 예시

명령어 사이클 루틴

인출 사이클 루틴

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

   간접 사이클 루틴

4. t(0): IR(addr) -> MAR
5. t(1): M[MAR] -> MBR
6. t(2): MBR -> IR(addr)

   실행 사이클 루틴

   • NOP
   1. t(0): PC +1 -> PC
      • LOAD(I)
   2. t(0): IR(addr) -> MAR
   3. t(1): M[MAR] -> MBR
   4. t(2): MBR -> AC
      • STORE(I)
   5. t(0): IR(addr) -> MAR
   6. t(1): AC -> MBR
   7. t(2): MBR -> M[MAR]
      • ADD
   8. t(0): IR(addr) -> MAR
   9. t(1): M[MAR] -> MBR
   10. t(2): AC + MBR -> AC
       • SUB
   11. t(0): IR(addr) -> MAR
   12. t(1): M[MAR] -> MBR
   13. t(2): AC - MVR -> AC
       • JUMP
   14. t(0): IR(addr) -> PC

마이크로 명령어의 형식

• 연산 필드 - 연산 필드의 개수만큼 마이크로 연산을 동시에 수행 가능
• 조건 필드(CD) - 분기에 사용될 조건 플래그를 지정 (if, switch문과 같은 조건문)
• 분기 필드(BR) - 분기의 종류, 다음에 실행할 마이크로 명령어의 주소를 결정하는 방법을 명시
• 주소 필드(ADF) - 분기가 발생하는 경우, 목적지 마이크로 명령어의 주소로 사용

마이크로 프로그래밍

수직적 마이크로 프로그래밍

• 마이크로 명령어의 opcode에 encoded bits를 포함
• 해독기를 통해서 그 bit들이 필요한 수 만큼의 제어 신호들로 확장하는 방식
• 장점 - 마이크로 명령어의 길이(bit 수) 최소화 -> 제어 기억장치 용량 감소
• 단점 - 해독 동작에 걸리는 만큼의 지연시간 발생

수평적 마이크로 프로그래밍

• 연산 필드의 각 비트와 제어신호를 1:1로 대응시키는 방식
• 필요한 제어 신호 수만큼의 비트들로 이루어진 opcode bit들이 마이크로 명령어에 포함되어야 함
• 장점 - 하드웨어가 간단하며 해독에 따른 지연 시간 x, 추가적인 하드웨어(해독기)가 필요 x
• 단점 - 마이크로 명령어의 비트수가 길어지기 떄문에 제어 기억장치 용량이 증가