[컴퓨터구조] CH4. RISC-V & RISC-V Instruction #2

CPU and Memory

1. 왜 CPU가 memory에 접근해야 하는가!

• 처음엔 모든 코드와 데이터들이 메인 메모리에 저장되어 있다
• CPU는 이 프로그램을 실행시키기 위해서 메인 메모리에 access(read/write) 해야 한다.
• 정리하자면 access 하는 목적에는 다음과 같은 두 이유가 있다.
  1. Instruciton read : CPU가 memory로 부터 instructions을 읽는다
  2. Data read/write : CPU가 memory로 부터 데이터를 읽거나, memory에 데이터를 쓴다.

2. Instruction Access(Read)

CPU는 메인 메모리에서 instruction 을 어떻게 읽어들이는가

1. 모든 CPU는 현재 실행중인 instruction의 위치, 주소를 계속 추적하는 특별한 register가 있답니다!
   • 그의 이름은 바로바로 Program Counter(PC)
     (x86 에서만 예외적으로 IP(instruction pointer) 라는 단어를 씀
   • RISC-V 역시 CPU 안에 PC라고 불리는 32-bit의 특별한 레지스터를 가지고 있다.
2. PC는 reset할 때마다 미리 지정된 주소로 초기화된다.
   • x86은 첫번째 instruction의 위치가 0xFFFF_FFF0임
   • ARM은 0x0000_0000
   • RISC-V는 구현하는 사람이 정의함 ; 우린 PC를 0x0000_0000으로 세팅할 것!
3. PC는 instruction이 하나씩 실행될 때마다 update 된다.

• PC가 0x0000 부터 4씩 증가해가며 memory의 instruction을 차례대로 읽어나간다.

3. Data Read/Write

1. Main Memory 안에 코드와 데이터가 저장되어있다.
   EX) int a, b, c; int dummy[100];
2. CPU는 제한된 개수의 레지스터만을 가지고 있다.
   • RV32I의 경우 32개의 레지스터가 있다
   • 따라서 CPU는 어느 정도 정해진 양만 레지스터에 즉시 저장할 수 있다.
3. 따라서 모든 정보를 레지스터에서 처리할 수 없으므로,
   CPU는 메모리와 레지스터 간에 데이터를 전송하는 instruction을 제공해야 한다.

4. Word

• 어떤 특정한 컴퓨터 디자인에 의해 사용되는 하나의 데이터의 단위

1. word는 한 번에 함께 처리되는, 어떤 고정된 크기의 bit들의 그룹이다.
2. 이 word의 크기, 즉 bits의 개수는 컴퓨터 구조마다 다르다.
   • word의 크기는 컴퓨터의 구조와 작동에 있어서 많은 부분에 반영된다.
   • 보통 컴퓨터에 있는 레지스터의 크기는 word의 크기임
   • 현재 컴퓨터의 word 크기는 일반적으로 32bit 또는 64bit!!
3. RV32I의 경우 word 크기가 32bits! (4bytes)
4. x86 의 경우 64-bit CPU 기반 컴퓨터임에도 불구하고, word 크기는 호환성 문제 때문에 여전히 16-bit를 사용한다.
5. Alignment Restriction : 단어의 메모리 주소는 항상 natural word boundaries 위에 있어야 함 (RV32I의 경우 4의 배수)
   • 예를 들어 단어에 접근하기 위해 메모리 주소를 쓴다면 0x0000_0000, 0x0000_1004 같이 4의 배수여야 정상적인 접근 가능

Memory Address

• 기본적으로 CPU는 byte 단위로 접근이 가능하다 (bit 단위 접근은 안됨) = load byte = lb instruction
• 그리고 한 단어가 4byte임 -> 단어의 주소를 2진수로 변환한 뒤 오른쪽으로 2번 shift 해주면 몇 번째 단어인지 알 수 있음!
  (왜냐, 저 비트 shift = 나누기 4임)
• bit 단위로 접근하고 싶다면 byte 를 읽어서 and operation 하기

Memory Access Instruction

1. lw (= load words)

: memory로부터 32bit word를 읽어서 register로 loads

• I type instruction

lw rd, address

lw t0, 24(s3)
#t0 <= [s3 + 24]
#s3는 memory의 주솟값

만약 s3 = 0x0000_0094 였다면
s3 + 24 = 0x0000_00ac

( 이 둘의 계산은 ALU에서 알아서 해줌 )

그럼 이제 CPU에서 address bus로 0x0000_00ac를 memory에 보내고,
0x0000_00ac 주솟값에 있는 단어를 읽어서 Data bus에 담아 CPU에 다시 돌려보낸다

그럼 이 메모리에 있던 단어를 CPU가 받아서 t0 레지스터에 저장하는 것!

• 여기서 s3가 base, 24가 offset 인데, 이 offset은 -2048 부터 +2047 까지 가능하다. (12-bit 2's complement)

2. sw (= store words)

: register에 있는 단어를 main memory에 store (write)

• S type instruction

sw rs2, address

sw t2, 8(s3) 
# [s3 + 8] <= t2
#lw랑 반대

Byte, Half-word Load/Store

한 번에 word단위가 아닌 byte나 half-word 단위로 load나 store을 하고 싶다면 다음과 같은 instruction이 있다.

lb : load byte
lh : load half-words (16bit)
lbu : load byte unsigned number
lhu : load half-words unsigned number
sb : store byte
sh : store half-words

3. lb

: memory에 있는 한 byte(=8bit)를 register로 load

• I type instruction

lb rd, address

lb t0, 1(s3)
# t0 <= [s3 + 1]

잠깐!!!!
register은 32 bit잖아 그럼 4 bit만 가져오면 앞엔 어떡해??!!?!

그럴 때 쓰는게 바로 Sign-extended
맨 왼 쪽 bit(MSB ; Most Significant Bit) 를 앞으로 쭉 확장해서 레지스터에 붙여넣어준다.
즉 레지스터 맨 오른쪽에 (LSB ; Least Significant Bit) 가져오고자 했던 byte를 넣고 그 앞에 비는 부분을
Sign-extended 해서 채워주는 것!

이 sign-extended를 써야 음수들도 그대로 보존된다.

ex) FF(= 1111 1111)는 앞에 FFFFFF를 추가해도 여전히 -1 !
02는 앞에 000000를 추가해도 여전히 2 !

만약 Sign-extended를 쓰고 싶지 않다면 lbu 쓰면 됨!
얘는 zero extended를 씀
알아서 unsigned로 생각하고 파악함
ex) FF = 000000FF = 255

4. sb

: register에 있는 한 byte(=8bit)를 register에 writes

• S type instruction

sb rs2, address

sb t0, -7(s3)
# [s3 + (-7)] <= t0[7:0]

sb는 레지스터에 저장된 데이터의 LSB로부터 값을 가져와 memory에 쓴다.

• 메모리의 단어의 다른 bits들은 건들지 않는다 !! (no sign extension!)
• 왜 -7을 imm 두개에 나눠서 저장하는가는 그냥 형식을 맞추기 위함이었나... 왤까 기억이 안나

5. lui(Load Upper Immediate), auipc(Add Upper Immediate to PC)

• U type instruction

lui는 뒤에 오는 24bit 숫자를 register에 저장하는 것
auipc는 현재 보고 있는 instruction의 주소(=PC)로 부터 상수만큼 더한 숫자를 저장하는 것

lui rd, imm20
# rd = {imm20, 12'b0}

auipc rd,imm20
# rd = PC + {imm20, 12'b0}

lui 와 auipc는 Not LSB!! 얘는 오른쪽에 붙여넣지 않고 왼쪽에 붙여넣은 다음 오른쪽은 0으로 채워준다.

ex) lui t0, 0x12345
-> t0 : 0x12345 | 0x000

auipc t0, 0x12345
-> t0 : (현재 PC) + 0x1234_5000

32 bit 상수를 register에 불러오려면 ?

1. lw instruction 사용
2. lui + addi instruction 사용

lui t0, 0x12345
addi t0, t0, 0x678

6. Pseudo Instructions

• RISC-V는 실제로 있는 명령어는 아니지만 그런 명령어들을 몇 개씩 묶어서 한 번에 편하게 쓸 수 있게 정의한 Pseudo instructions을 제공한다!

• li : 32bit 상수를 s0 레지스터에 load
• la : op1의 주소값을 s0 레지스터에 load
• mv : s1 값을 s2에 복사 붙여넣기 (옮기기)
• nop : 말그대로 아무것도 안하는.. (왜 있는걸까)