CPU: ALU 컨트롤 신호란?
ALU 컨트롤 신호(ALU Control Signal)는 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 **ALU(Arithmetic Logic Unit, 산술 논리 장치)**가 어떤 특정 연산을 수행할지 지시하는 신호입니다. ALU는 여러 가지 연산(덧셈, 뺄셈, 논리 AND, OR 등)을 수행할 수 있도록 설계되어 있으며, 이 중에서 어떤 연산을 실제로 수행할지를 결정하는 것이 바로 ALU 컨트롤 신호입니다.
1. ALU 컨트롤 신호의 역할과 필요성
ALU는 CPU의 "계산 엔진"입니다. 두 개의 피연산자(operand)를 입력받아 어떤 연산을 수행한 후 결과를 출력합니다. 하지만 ALU는 하나의 고정된 연산만 수행하는 것이 아니라, 명령어에 따라 다양한 연산을 수행해야 합니다.
역할: ALU 컨트롤 신호는 ALU에 "지금은 덧셈을 해라", "이번에는 뺄셈을 해라", "논리 AND 연산을 해라" 등과 같이 수행할 연산의 종류를 알려주는 명령어와 같습니다.
필요성:
다양한 명령어 지원: 컴퓨터는
add,sub,and,or,lw,sw,beq등 수많은 명령어를 실행합니다. 이 명령어들은 모두 ALU를 사용하지만, ALU가 수행해야 하는 구체적인 연산은 다릅니다. ALU 컨트롤 신호는 이러한 명령어의 요구사항에 맞춰 ALU의 동작을 동적으로 변경합니다.하드웨어 재활용: 하나의 ALU 회로를 재활용하여 다양한 기능을 수행하게 함으로써 하드웨어 자원을 효율적으로 사용하고 복잡성을 줄입니다. 모든 연산마다 별도의 회로를 만드는 것보다 훨씬 효율적입니다.
2. ALU 컨트롤 신호의 생성
ALU 컨트롤 신호는 CPU의 **제어 유닛(Control Unit)**에 의해 생성됩니다. 제어 유닛은 현재 실행 중인 명령어의 opcode와 (R-Type 명령의 경우) funct 필드를 분석하여 적절한 ALU 컨트롤 신호를 결정합니다.
ALU 컨트롤 신호는 일반적으로 몇 비트로 구성되며, 이 비트들의 조합이 특정 ALU 연산에 매핑됩니다. 예를 들어, MIPS의 경우 ALU는 4비트의 ALU 컨트롤 신호를 받는다고 가정할 수 있습니다.
| ALU 컨트롤 신호 (예시) | ALU 연산 |
|---|---|
0000 | AND |
0001 | OR |
0010 | ADD |
0110 | SUBTRACT |
0111 | Set-on-Less-Than (SLT) |
1100 | NOR |
3. ALU 컨트롤 신호 결정 메커니즘 (MIPS 기준)
MIPS에서는 ALU 컨트롤 신호가 명령어의 Opcode와 Funct 필드를 통해 결정되는 다단계 디코딩 방식을 사용합니다.
3.1. 중간 제어 신호: ALUOp (ALU Operation)
제어 유닛은 먼저 명령어의 Opcode만을 보고 ALUOp라는 중간 제어 신호를 생성합니다. ALUOp는 명령어의 일반적인 유형을 나타내는 2비트 신호입니다.
ALUOp = 00:lw(load word),sw(store word)와 같은 메모리 접근 명령어. 이들은 주소 계산을 위해 덧셈을 수행해야 합니다 (Base Register + Offset).ALUOp = 01:beq(branch if equal)와 같은 분기 명령어. 두 레지스터 값이 같은지 확인하기 위해 뺄셈을 수행해야 합니다 (레지스터 A - 레지스터 B, 결과가 0이면 같음).ALUOp = 10:add,sub,and등과 같은 R-Type 명령어. 이 명령어들은Opcode만으로는 정확한 ALU 연산을 알 수 없으므로, 더 상세한 정보(Funct필드)가 필요하다는 것을 나타냅니다.
3.2. 최종 ALUControl 신호 생성
ALUOp 신호와 R-Type 명령어의 경우 Funct 필드를 조합하여 최종 4비트 ALUControl 신호를 생성합니다. 이는 별도의 ALU Control Unit이라는 논리 블록에서 수행됩니다.
Case 1:
ALUOp = 00(Load/Store 명령어)Opcode가lw또는sw인 경우, ALU는 항상 주소 계산을 위한 덧셈(ADD)을 수행해야 합니다.따라서
ALUControl은0010으로 설정됩니다.
Case 2:
ALUOp = 01(Branch Equal 명령어)Opcode가beq인 경우, ALU는 항상 두 레지스터 값의 차이를 계산하기 위한 뺄셈(SUBTRACT)을 수행해야 합니다.따라서
ALUControl은0110으로 설정됩니다.
Case 3:
ALUOp = 10(R-Type 명령어)이 경우,
ALU Control Unit은ALUOp = 10이라는 정보와 R-Type 명령어의 6비트Funct필드(Instruction[5:0])를 입력으로 받아 최종ALUControl신호를 결정합니다.예시:
add(Funct =100000):ALUControl = 0010(ADD)sub(Funct =100010):ALUControl = 0110(SUBTRACT)and(Funct =100100):ALUControl = 0000(AND)or(Funct =100101):ALUControl = 0001(OR)slt(Funct =101010):ALUControl = 0111(Set-on-Less-Than)
이러한 계층적(multilevel) 디코딩 방식은 제어 로직의 복잡성을 줄이고 효율적인 구현을 가능하게 합니다. 명령어의 모든 비트를 직접 사용하여 ALU 컨트롤 신호를 만드는 것보다 훨씬 단순합니다.
4. 파이프라인에서의 ALU 컨트롤 신호 흐름
ALU 컨트롤 신호는 MIPS 5단계 파이프라인의 ID(Instruction Decode) 단계에서 생성되어 EX(Execute) 단계의 ALU로 전달됩니다.
IF (Instruction Fetch): 명령어 인출.
ID (Instruction Decode / Register Fetch):
명령어를 해독하고
Control Unit이Opcode를 기반으로ALUOp와 다른 제어 신호들을 생성합니다.ALU Control Unit이ALUOp와 (R-Type의 경우)Funct필드를 입력으로 받아 최종 4비트ALUControl신호를 생성합니다.이
ALUControl신호는ID/EX 파이프라인 레지스터에 저장되어 다음 단계로 전달됩니다.
EX (Execute):
ID/EX 파이프라인 레지스터로부터 전달된ALUControl신호가 ALU로 직접 전달됩니다.ALU는 이 신호에 따라 입력된 피연산자들에 대해 지정된 연산을 수행하고 결과를 출력합니다.
5. ALU 컨트롤 신호의 상세 비트 의미 (예시: 4비트 ALUControl)
일반적인 4비트 ALU 컨트롤 신호의 각 비트는 ALU의 내부 로직에 직접 연결되어 특정 기능을 활성화하거나 비활성화합니다.
예를 들어,
ALUControl[2]가 1이면Adder/Subtractor가 뺄셈 모드로 작동하게 하고, 0이면 덧셈 모드로 작동하게 할 수 있습니다.ALUControl[1:0]이00이면 AND 게이트가,01이면 OR 게이트가 활성화되도록 할 수 있습니다.
ALU의 내부 구조는 여러 개의 기본 논리 게이트(AND, OR, XOR, NOT 등)와 덧셈기/뺄셈기로 구성되며, 이러한 구성 요소들의 출력을 멀티플렉서(Multiplexer)로 모아서 최종 ALU 결과를 생성합니다. ALU 컨트롤 신호는 이 멀티플렉서의 선택 신호로도 작용하여 어떤 연산기의 결과를 최종 출력으로 내보낼지 결정합니다.
결론
ALU 컨트롤 신호는 CPU의 두뇌인 제어 유닛이 ALU에게 "무엇을 계산할 것인가"를 지시하는 핵심적인 신호입니다. 명령어의 종류에 따라 동적으로 변경되는 이 신호는 MIPS와 같은 RISC 아키텍처에서 하드웨어의 복잡성을 줄이면서도 다양한 연산을 효율적으로 수행할 수 있게 하는 중요한 메커니즘입니다. 파이프라인 내에서 이 신호가 정확한 단계에서 생성되고 전달되는 것은 전체 CPU의 올바른 동작과 성능 최적화에 필수적입니다.
