요약

이어달리기에서 주자는 바통을 다음 주자에게 넘기고 곧바로 다음 바통을 받으러 돌아간다. 파이프라인의 단계 사이에도 바통 구실을 하는 저장 칸이 있어서, 앞 단계가 만든 값과 “이 명령어는 무엇을 해야 하는가”라는 쪽지를 함께 실어 다음 단계로 넘긴다. 이 칸 덕분에 다섯 명령어가 한 회로 안에서 섞이지 않는다. 다만 뒤 단계에서 쓸 것을 하나라도 빠뜨리고 넘기면, 그 자리에 엉뚱한 명령어의 값이 들어온다.

예시로 보기

단계 사이에 저장 칸이 없다고 하자. lw $t0, 0($gp)가 MEM 단계에서 메모리를 읽고 있을 때, 명령어 메모리는 이미 세 칸 뒤 명령어를 내보내고 있다. lw가 “어느 레지스터에 쓸지”를 명령어 메모리 쪽에서 다시 읽으려 하면 남의 명령어를 읽게 된다.

명령어 네 개를 차례로 넣고 5번째 사이클을 본다.

명령어 5번째 사이클에 있는 단계
lw $t0, 0($gp) WB (지금 레지스터에 쓴다)
add $t1, $s1, $s2 MEM
sub $t2, $s3, $s4 EX
and $t3, $s5, $s6 ID

lw가 쓸 번호는 $t0다. 그런데 이 사이클에 해독 단계의 명령어 칸에 들어 있는 것은 and다. 쓸 번호를 거기서 가져오면 메모리에서 읽은 값이 $t0가 아닌 엉뚱한 레지스터에 들어간다. 그래서 lw는 자기의 쓸 번호를 ID에서 WB까지 직접 들고 가야 한다1.

검증: 5번째 사이클의 단계 배치, 쓸 번호를 들고 가지 않으면 3칸 뒤 명령어의 번호가 쓰임, 아래 표의 비트 수와 제어 신호 개수(9 → 5 → 2) — 28_pipeline-registers_verify.py

네 개의 레지스터

단계 사이마다 하나씩, 앞뒤 단계의 이름을 붙여 부른다2. 클록이 올라갈 때마다 앞 단계의 결과를 받아 한 사이클 동안 들고 있다. 따로 쓰기 신호가 없고 사이클마다 새 값을 받는다(멈춰야 할 때만 예외다: 적재-사용 해저드와 스톨).

레지스터 실어 나르는 값 누가 쓰나
IF/ID 명령어 32비트, PC + 4 ID가 해독하고 레지스터를 읽는다
ID/EX 레지스터에서 읽은 값 둘, 부호 확장한 값, PC + 4, 레지스터 번호 rs·rt·rd EX의 ALU와 분기용 가산기
EX/MEM ALU 결과, Zero, 분기 목표, 읽은 값 2(sw가 쓸 값), 쓸 레지스터 번호 MEM의 데이터 메모리
MEM/WB 메모리에서 읽은 값, ALU 결과, 쓸 레지스터 번호 WB가 레지스터에 쓴다

규칙은 하나다. 뒤 단계에서 한 번이라도 쓸 값은 그 단계에 닿을 때까지 모든 레지스터를 거쳐 실어 보낸다. ALU 결과가 MEM/WB에도 있는 것은 R형이 WB에서 그 값을 쓰기 때문이다. 쓸 레지스터 번호는 EX에서 rt와 rd 가운데 하나로 정해진 뒤 EX/MEM, MEM/WB를 거쳐 WB까지 간다.

IF/ID는 \(32 + 32 = 64\)비트다. 나머지의 크기는 무엇을 싣느냐에 따라 달라진다. 위 표대로면 값만 143, 102, 69비트다3.

제어 신호도 함께 간다

제어 신호는 단일 사이클과 똑같이 ID 단계에서 opcode를 보고 만든다4. 다른 점은 쓰는 때다. 단일 사이클에서는 만든 사이클에 다 썼지만, 여기서는 신호마다 쓰이는 단계가 다르다. 그래서 신호를 쓰이는 단계별로 세 묶음으로 나눠 명령어와 함께 실어 보낸다.

묶음 신호 쓰이는 까닭
EX에서 쓴다 RegDst, ALUOp(2비트), ALUSrc 쓸 번호 고르기, ALU의 연산과 둘째 입력이 EX에 있다
MEM에서 쓴다 Branch, MemRead, MemWrite 데이터 메모리와 분기 판정이 MEM에 있다
WB에서 쓴다 RegWrite, MemtoReg 레지스터 쓰기와 쓸 값 고르기가 WB에 있다

묶음은 “그 신호가 움직이는 부품이 어느 단계에 있는가”로 정했다5.

쓰고 난 묶음은 버린다. 그래서 실려 가는 신호가 단계를 지날수록 준다.

ID에서 만든 9비트
   │
[ID/EX]   EX 묶음 4 + MEM 묶음 3 + WB 묶음 2  = 9비트
   │      EX에서 4비트를 쓰고 버린다
[EX/MEM]              MEM 묶음 3 + WB 묶음 2  = 5비트
   │      MEM에서 3비트를 쓰고 버린다
[MEM/WB]                           WB 묶음 2  = 2비트

이 구조 덕분에 “명령어를 없던 일로 만들기”가 쉽다. 그 명령어의 제어 신호를 모두 0으로 바꾸면 된다. RegWrite와 MemWrite가 0이면 아무것도 고치지 않으므로, 나머지 단계를 지나가도 흔적이 없다. 이렇게 속이 빈 채 지나가는 칸을 거품(bubble)이라 부른다6.

활용

  • 해저드를 알아채는 회로는 모두 이 레지스터에 실린 값을 읽는다. “EX/MEM에 있는 명령어의 쓸 번호가 ID/EX에 있는 명령어의 rs와 같은가”처럼 묻는다. 표기는 EX/MEM.RegisterRd처럼 “레지스터 이름.칸 이름”으로 쓴다7. → 데이터 해저드와 전방 전달
  • 흔한 실수: 제어 신호를 단계마다 다시 만든다고 생각하는 것. ID에서 한 번 만들고 실어 보낸다. 뒤 단계에는 opcode가 없다.
  • 흔한 실수: WB에서 쓸 레지스터 번호를 IF/ID에서 가져오는 것. 그 자리에는 세 칸 뒤 명령어가 있다.

연결

확인 문제

C1 제어 신호를 쓰이는 단계별 세 묶음으로 나눠 쓰라. ID/EX, EX/MEM, MEM/WB에 실리는 제어 신호는 각각 몇 비트인가?

답: EX: RegDst, ALUOp(2비트), ALUSrc. MEM: Branch, MemRead, MemWrite. WB: RegWrite, MemtoReg. 실리는 비트는 9, 5, 2.
이유: 쓰고 난 묶음은 다음 레지스터에 싣지 않는다. \(4 + 3 + 2 = 9\), \(3 + 2 = 5\), \(2\).

C2 add는 데이터 메모리를 쓰지 않는데도 ALU 결과를 EX/MEM과 MEM/WB 두 레지스터에 실어 보낸다. 왜인가?

답: add가 결과를 레지스터에 쓰는 것은 두 단계 뒤인 WB에서다. 그 사이 EX 단계에는 다음 명령어가, MEM 단계에는 그다음 명령어가 들어와 ALU 출력이 바뀐다. 자기 결과를 들고 가지 않으면 WB에서 남의 결과를 쓰게 된다.

C3 sw $t0, 12($s3)가 지나갈 때, EX/MEM 레지스터의 칸 가운데 이 명령어가 실제로 쓰는 값 둘과 MEM 묶음 신호의 값을 쓰라.

답: 값: ALU 결과(주소 = $s3 + 12)와 읽은 값 2($t0의 값, 메모리에 쓸 값). 신호: Branch 0, MemRead 0, MemWrite 1.
이유: sw는 레지스터에 쓰지 않으므로 쓸 레지스터 번호 칸은 실려 가지만 쓰이지 않는다(WB 묶음의 RegWrite가 0).

  1. 교재 출판사 강의 슬라이드 “Chapter 4 — The Processor” (Cooper Union 게시본), 슬라이드 25~26 (WB for Load: 틀린 레지스터 번호, Corrected Datapath for Load), https://ee.cooper.edu/~curro/comparch/pipeline/chapter4_pipelining_END_FA11.pdf ↩

  2. 같은 슬라이드, 19 (Pipeline registers: 앞 사이클에 만든 정보를 들고 있을 레지스터가 단계 사이에 필요하다). Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design (MIPS Edition), 4장 “The Processor” ↩

  3. 143, 102, 69비트는 위 표의 칸을 그대로 더한 값이고 교재의 수치가 아니다. 전방 전달에 쓰는 rs 번호까지 실었기 때문에 교재의 그림과 다를 수 있다. ↩

  4. 같은 슬라이드, 33~35 (Pipelined Control: 제어 신호는 단일 사이클 구현처럼 명령어에서 만든다) ↩

  5. 단일 사이클 데이터패스에서 각 신호가 닿는 부품이 다섯 단계 가운데 어디에 놓이는지로 정했다. Branch를 MEM 묶음에 둔 것은 분기를 MEM 단계에서 정하는 기본 설계를 따른 것이다. 분기를 ID에서 정하도록 고친 설계(제어 해저드와 분기 예측)에서는 Branch가 ID에서 쓰인다. ↩

  6. 같은 슬라이드, 47 (How to Stall the Pipeline: ID/EX의 제어 값을 0으로 만들면 EX·MEM·WB가 아무 일도 하지 않는다) ↩

  7. 같은 슬라이드, 38 (Detecting the Need to Forward: ID/EX.RegisterRs 같은 표기) ↩