레지스터 파일과 메모리 소자

요약

프로세서가 계산에 쓰는 값들을 담아 두는 작은 서랍장이다. 서랍마다 번호가 있고, 번호를 대면 그 서랍의 값이 바로 나온다. 한 번에 서랍 둘을 들여다보고 하나에 새 값을 넣을 수 있어서, 두 값을 꺼내 계산하고 결과를 넣는 일이 한 박자에 된다. 꺼내는 것은 언제든 되지만 넣는 것은 박자가 오는 순간에만 된다. 그래서 같은 박자에 같은 서랍을 읽고 쓰면 읽히는 것은 옛값이다. 빠른 대신 한 칸에 드는 부품이 많아, 큰 메모리는 다른 방식으로 만든다.

예시로 보기

add $t0, $s1, $s2를 하려면 레지스터 두 개를 읽고 하나에 써야 한다. 플립플롭 묶음 32개에서 “이번에는 17번과 18번을 읽고 8번에 쓴다”를 명령마다 다르게 고르는 회로가 필요하다.

레지스터 4개짜리 8비트 레지스터 파일로 줄여서 본다. 처음에 R0 = 0, R1 = 7, R2 = 0, R3 = 0이다. 박자(사이클)마다 읽을 번호 둘, 쓸 번호, 쓸 값, 쓰기 허용 신호를 준다.

사이클	읽기 1	읽기 2	쓸 번호	쓸 값	쓰기 허용	사이클 동안 나오는 값	에지 뒤 R0~R3
1	R1	R2	R2	25	1	7, 0	0, 7, 25, 0
2	R2	R1	R3	32	1	25, 7	0, 7, 25, 32
3	R3	R2	R1	99	0	32, 25	0, 7, 25, 32
4	R1	R3	R1	57	1	7, 32	0, 57, 25, 32

사이클 1에서 R2를 읽으면서 R2에 25를 쓴다. 사이클 동안 읽히는 것은 옛값 0이다. 25는 사이클 끝의 에지에서 들어가고, 사이클 2에서 읽힌다.
사이클 3은 쓰기 허용이 0이라 99가 들어가지 않는다.
사이클 4는 R1에 $25 + 32 = 57$을 쓰면서 R1을 읽는다. 읽히는 것은 7이다.

검증: 위 표, 디코더가 32개 가운데 하나만 켜는 것, 32개 × 32비트 레지스터 파일을 무작위 20,000사이클 돌려 단순한 본보기와 비교(0번 레지스터는 늘 0), 카드 C2·C3 — 10_register-file_verify.py (실제 하드웨어가 아니라 파이썬 흉내. 상승 에지 하나를 함수 호출 하나로 본다)

구조

레지스터. D 플립플롭을 여러 개 나란히 놓고 같은 클록을 준 것이다. 32개면 32비트 값 하나를 담는다¹.

레지스터 파일. 레지스터 여러 개를 묶고, 번호를 대서 읽고 쓰게 만든 것이다. MIPS 프로세서의 레지스터 파일은 32비트 레지스터 32개에 읽는 곳 둘, 쓰는 곳 하나가 있다¹.

flowchart LR
    RR1["읽을 번호 1 (5비트)"] --> MX1["32입력 멀티플렉서 1"]
    RR2["읽을 번호 2 (5비트)"] --> MX2["32입력 멀티플렉서 2"]
    REGS["레지스터 0 ~ 31"] --> MX1
    REGS --> MX2
    MX1 --> RD1["읽은 값 1"]
    MX2 --> RD2["읽은 값 2"]
    WR["쓸 번호 (5비트)"] --> DEC["5→32 디코더"]
    DEC -->|"한 가닥만 1"| AND["가닥마다 쓰기 허용과 AND"]
    RW["쓰기 허용 (RegWrite)"] --> AND
    AND -->|"쓸 레지스터 하나만 켠다"| REGS
    WD["쓸 값 (32비트)"] --> REGS
    CLK["클록"] -.-> REGS

읽는 길에는 클록이 없고 쓰는 길에만 있다².

선	너비	하는 일
읽을 번호 1, 2	5비트씩	읽을 레지스터를 고른다
읽은 값 1, 2	32비트씩	그 레지스터에 지금 들어 있는 값
쓸 번호	5비트	쓸 레지스터를 고른다
쓸 값	32비트	넣을 값
쓰기 허용 (RegWrite)	1비트	1일 때만 에지에서 쓴다

읽기. 레지스터 32개의 출력을 32입력 멀티플렉서에 모두 잇고, 읽을 번호를 선택 신호로 준다. 읽는 곳이 둘이므로 멀티플렉서도 둘이다. 읽기는 아무 값도 바꾸지 않아서 번호만 주면 된다¹.

쓰기. 쓸 번호를 5→32 디코더에 넣어 32가닥 가운데 하나만 켠다. 가닥마다 쓰기 허용 신호와 AND해서 레지스터의 “이번 에지에 새 값을 받아라” 입력에 잇는다. 쓸 값은 32개 모두에 이어 두지만, 켜진 하나만 에지에서 받는다¹.

같은 사이클에 같은 레지스터를 읽고 쓰면. 쓰기는 에지에서 일어나므로 사이클 동안 읽히는 값은 앞 사이클까지 들어 있던 값이다. 지금 쓰고 있는 값을 바로 읽고 싶으면 회로를 더 달아야 한다¹.

0번 레지스터. MIPS에서 0번 레지스터($zero)는 늘 0이다. 0번에 쓰는 신호를 막아 두면 된다³⁴.

보장하는 것과 보장하지 않는 것

보장하는 것. 쓰기 허용이 1인 사이클의 에지 뒤에는 쓸 번호의 레지스터가 쓸 값을 담고, 다른 레지스터는 그대로다. 쓰기 허용이 0이면 쓸 번호와 쓸 값이 무엇이든 아무것도 바뀌지 않는다. 읽은 값은 멀티플렉서의 지연 뒤에 그 레지스터의 지금 값이다.

보장하지 않는 것.

이번 사이클에 쓰는 값이 이번 사이클의 읽기에 보이지 않는다. 명령이 겹쳐 도는 프로세서에서는 이것이 문제가 되어 따로 손을 쓴다: 데이터 해저드와 전방 전달.
한 사이클에 둘 이상의 레지스터에 쓰지 못한다. 쓰는 곳이 하나뿐이다.

더 큰 기억 장치

레지스터 파일은 칸마다 플립플롭이 있고 칸 수만큼 넓은 멀티플렉서가 필요해서 작은 기억 장치에만 쓴다. 더 큰 메모리는 두 가지 칸으로 만든다⁵.

	정적 램 (SRAM)	동적 램 (DRAM)
비트 하나를 담는 방법	서로 물린 인버터 한 쌍	축전기에 모은 전하
비트당 트랜지스터	4~6개	1개
가만히 두면	전원이 있는 한 그대로	전하가 새서 주기적으로 읽고 다시 써야 한다
빠르기와 값	빠르고 비트당 비싸다	느리고 비트당 싸다

DRAM에서 새는 전하를 다시 채우는 일을 리프레시라 부른다. “동적”이라는 이름이 여기서 왔다⁵. 이 둘이 어디에 쓰이는지는 메모리 계층에 이어진다.

활용

데이터패스에서 명령의 레지스터 번호 칸이 읽을 번호와 쓸 번호에 그대로 이어진다: 데이터패스의 구성 요소. 레지스터 32개의 이름과 쓰임은 MIPS 레지스터와 메모리 피연산자에 있다.
값을 쓰지 않는 명령(sw, beq)에서는 제어 장치가 쓰기 허용을 0으로 내린다. 그러지 않으면 쓸 번호 선에 걸려 있던 아무 레지스터나 망가진다.
x86의 레지스터는 수가 적고 이름마다 쓰임이 정해진 것이 있다: x86 레지스터.
흔한 실수. 읽기에도 클록이 필요하다고 생각하는 것. 읽기는 조합 회로라 번호를 주면 클록과 상관없이 값이 나온다.

연결

선수: 래치와 플립플롭, 멀티플렉서와 디코더
운영체제가 본 레지스터의 종류: 프로세서 레지스터

확인 문제

C1 MIPS 레지스터 파일의 입력과 출력을 너비와 함께 쓰고, 읽기와 쓰기에 각각 어떤 부품을 쓰는지 말하라.

답: 입력은 읽을 번호 둘(5비트씩), 쓸 번호(5비트), 쓸 값(32비트), 쓰기 허용(1비트), 클록. 출력은 읽은 값 둘(32비트씩). 읽기는 32입력 멀티플렉서 둘, 쓰기는 5→32 디코더와 쓰기 허용의 AND.
이유: 레지스터가 32개라 번호가 $\log_2 32 = 5$비트다.

C2 R1 = 7, R2 = 25인 레지스터 파일에서 한 사이클 동안 읽을 번호를 둘 다 R2로, 쓸 번호를 R2로, 쓸 값을 50으로, 쓰기 허용을 1로 준다. 이 사이클에 나오는 두 값과 다음 사이클에 같은 번호를 읽을 때 나오는 두 값은?

답: 이 사이클: 25, 25. 다음 사이클: 50, 50.
흔한 오답: 이 사이클에 50이 읽힌다고 답하는 것. 쓰기는 사이클 끝의 에지에서 일어난다.

C3 쓰기 허용 신호가 없고 사이클마다 늘 쓴다면 beq처럼 레지스터에 쓸 것이 없는 명령에서 무슨 일이 생기는가?

답: 쓸 번호와 쓸 값 선에는 늘 무슨 값이든 걸려 있다. 그 번호의 레지스터가 그 값으로 덮여, 프로그램이 쓰지 않은 레지스터가 바뀐다.
이유: 선에는 “값 없음”이 없다. 0이든 1이든 걸려 있으므로, 쓰지 말라는 뜻은 따로 신호 하나로 알려야 한다.

Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design, 부록 “The Basics of Logic Design”의 B.8절 “Memory Elements: Flip-flops, Latches, and Registers” 가운데 “Register Files” (D 플립플롭을 늘어놓은 레지스터, 읽는 곳 둘과 쓰는 곳 하나, 읽기는 멀티플렉서 한 쌍, 쓰기는 디코더, 같은 사이클에 읽고 쓰면 앞 사이클에 쓴 값이 읽힌다는 것). 절 번호는 공개된 PDF 기준이고 판에 따라 부록 문자가 다를 수 있다. https://www.doc.ic.ac.uk/~wl/teachlocal/arch/HP05/HP_AppB.pdf ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵
4개 × 8비트 추적 표와 다이어그램 1개는 직접 만들었다. 선의 이름은 ¹의 Verilog 예(Read1, Read2, WriteReg, WriteData, RegWrite)를 따랐고, 표는 흉내기로 확인했다. ↩
Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design (MIPS Edition), 2장 “Instructions: Language of the Computer” (0번 레지스터 $zero는 늘 0). 책을 직접 열지 못해 장까지만 적는다. ↩
0번에 쓰는 신호를 막는다는 것은 $zero를 만드는 한 가지 방법으로, 검증 코드의 흉내기가 이렇게 한다. 책의 부록 회로에는 이 부분이 그려져 있지 않다. ↩
¹과 같은 부록의 B.9절 “Memory Elements: SRAMs and DRAMs” (SRAM은 인버터 한 쌍에 값을 두고 전원이 있는 한 지킨다, 비트당 트랜지스터 4~6개, DRAM은 축전기의 전하와 트랜지스터 1개, 주기적인 리프레시, SRAM이 더 빠르고 덜 촘촘하고 비트당 비싸다). ↩ ↩²