명령어 집합 1/2

1. 명령어 집합 구조(ISA)

 

명령어 집합구조 = 컴퓨터구조

어떤 프로그램과 그 프로그램을 수행할 컴퓨터 하드웨어 사이의 인터페이스에 대한 정의

명령어는 컴퓨터 하드웨어에서 인식&실행되는 기계어 

Machine Code, Assembly Code

명령어 집합 구조는 "특정 CPU를 위해 정의된 명령어들의 모음"

S/W와 H/W사이에 ISA

C프로그램의 변환과정

C program -> Asm program -> Object program ->Executable program

       text                 text                        binary                         binary

 

ADT

data value의 집합이 측정 Object를 가리키는 state가 된다.

 

2. 명령어 특성

명령어의 특성: 형태를 결정하는 요인

 

CPU는 주메모리에서 명령어를 받아와서 그 명령을 실행한다.

->다양한 명렁어를 기계는 어떻게 인식할 수 있을까?

->형태적 요소로 먼저 1차원적 분류

따라서, 명령어 특성에 맞는 형태 정의가 먼저 필요하다 -> 명령어의 형태에 영향을 미치는 요인들 고려

명령어의 형태에 영향을 미치는 요인들 : 담겨야 할 내용, 명령어의 크기, 내용 어떻게 배정할지?

 

명령어의 특성: 피연산자 수

 

명령어 기본 형식 : z= f(x,y)

f:명령어(opcode)

x,y,z:피연산자(operand)로, 데이터 위치(레지스터/메모리 주소)나 값 자체를 포함하여, 주소필드라고도 부른다.

 

피연산자 수에 따른 명령어 종류

종류	예	의미
피연산자가 없는 경우	halt	프로그램 정지
	add	피연산자는 stack에 저장되어, 위치를 따로 명시안함
단항 피연산자	not r1	r1 ← not(r1)
	add r1	Acc ← Acc + r1       # Acc는 특정 레지스터 하나는 acc에서 가져오고 나머지 하나가 r1 , 이 둘을 더하여 리턴
이항 피연산자	add r1, r2	r1 ← r1 + r2            # r1는 source이자 destination                                # 수행 후,  source data는 파괴됨
삼항 피연산자	add r1, r2, r3	r1 ← r2 + r3
다항 피연산자	madd r1, r2, r3, r4	r1 ← r2 + r3 + r4    # 수행 명령어 수는 감소되지만,                                # 명령어 종류의 수는 증가

 

명령어의 특성: 명렁어 길이

 

고정길이 명령어: 명령어 종류나 구성요소 관계없이 길이 일정

장점: 명령어 해독의 용이성으로 하드웨어 디자인이 쉬움

단점: 짧은 길이 명령어도 긴 명령어와 동일한 길이여서, 프로그램의 크기 증가. 가비지 메모리 낭비

 

가변길이 명령어: 명령어 종류나 구성요소에 따라 다양한 길이

장점: 길이 최적화로 프로그램 크기가 감소

단점: 프로세서 하드웨어 디자인이 어려움. CPU가 힘들다 (길이가 다 다르기 때문)

 

[비유] 동일한 크기 택배 vs 내용물에 딱 맞는 크기 택배

동일 크기는 모양이 일정하지만 공간 낭비

 

명령어의 특성: 각 필드 길이

 

연산 코드 필드 길이: 연산의 개수를 결정

필드가 길면 여러 연산 할 수 있음. ex) 4bit ->2^4 = 16개의 연산 정의 가능

연산코드를 5bit로 늘리면 32개의 연산 정의 가능하나,  다른 필드 길이 감소

 

오퍼랜드 필드길이: 오퍼랜드의 범위 결정

오퍼랜드 종류에 따라 범위가 달라짐

- 데이터:표현 가능한 수의 범위 결정

- 기억장치 주소: 메모리 entry(방) 개수 결정

- 레지스터 번호: 레지스터의 개수 결정

-> 위 3개를 따질 수 있어야 최적화를 잘 할수 있다.

 

연산 부호 비트는 8bit, 메모리주소 비트는 16bit, 데이터비트는 32bit라면

정의 가능한 연산의 갯수는?

표현 가능한 수의 갯수는?

명령어 길이는?

메모리 용량은?

 

3. 명령어 집합 설계시 고려사항

 

●하드웨어 기술이나 컴퓨터 구성, 프로그래밍 언어, 컴파일러 기술, 운영체제 등 다 고려해야 한다.

●명령어 형식(연산코드, 피연산자 수와 길이)

●연산의 종류(전송, 처리, 제어, 입출력 연산)

●피연산자 형식(피연산자 데이터 정보, 형태, 저장 방식)

●피연산자를 위한 주소지정방식(피연산자가 레지스터, 메모리 등 다양한 위치에 있어 주소 정보 명시 필요)

 

4. CPU가 수행하는 일

 

CPU를 위한 명령어 ->CPU가 명령어를 처리할 때 어떤 메커니즘으로 하는지에 대해 알아볼 것

대략적으로 수행하는일: CPU는 주 메모리에서 명령어를 하나 가져와서 처리하고, 또 가져와서 하나씩 처리함.

 

●명령어 인출과 해독(Instruction Fetch&Decode)

기억장치로부터 명령어를 읽어오고, 그 명령어를 해독

명령어가 봉투에 담겨져온다고 생각하면, 봉투를 다 열기 전엔 알 수 없음

모든 명령어에 대해 공통적으로 수행

 

명령어 종류에 따라 아래 3가지로 구분된다.

●데이터 인출 -> 기억장치나 I/O장치에서 CPU로 데이터를 읽어온다.

●데이터 처리  -> 산술적 혹은 논리적 연산 수행

●데이터 저장 -> 수행한 결과를 저장

->인출/처리/저장 등은 명령어 종류에 따라 선택적으로 수행된다.

 

5. CPU의 기본 구성(ALU,레지스터,제어장치)

 

폰노이만 모델 구조

PC,IR,ACC.. 등 꼭 제어장치 안이다 라고 생각하지말자. 연관되어있는 것끼리 표현을 저렇게 해놓은것이다.

●ALU: 각종 산술/논리연산을 수행하는 회로들로 이루어진 HW 모듈

->산술, 논리 연산을 한다.

 

●레지스터: CPU안의 엑세스 속도가 가장 빠른 기억장치

->다른 주기억장치, 보조기억장치보다 빠르다. 

->CPU내부에 둘 수 있는 레지스터의 수는 제한적이다.

 

레지스터 역할에 따른 분류

프로그램 제어구조 3가지->순차,선택,반복 

Program Counter(PC):다음 명령어의 주소 보관

->각 명령어가 인출된 후에는 자동으로 일정크기만큼 증가

->분기 명령어가 실행되는 경우에는 목적지 주소로 갱신

Instruction R(IR):가장 최근 가져온 명령어 보관

ACCumlator(ACC): 데이터의 일시적 보관

Memory Address R(MAR): 기억장치에 있는 데이터의 주소값을 임시적으로 저장하는 주소 레지스터, CPU가 접근하는 메모리 주소 보관

Memory Buffer R(MBR): CPU가 메모리에서 읽거나 저장할 데이터 자체를 보관, "임시저장소" 라고 생각하자

 

●제어장치:명령어를 해석하고,이를 실행하기 위한 제어신호를 순차적으로 발생하는 HW

●CPU내부버스: ALU와 레지스터간 이동하는 데이터와 제어장치로부터 발생되는 제어 신호를 이동

 

레지스터 크기 = CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터 비트 수 = word

ex)64bit: 레지스터 크기가 64bit이고, 한번에 처리할 수 있는 데이트 비트 수는 64bit

 

6. 데이터 적재/저장 명령어 실행과정

 

●적재(load): CPU가 메모리에 있는 데이터를 읽어온다.

->프로세서는 데이터가 있는 메모리 주소를 MAR에 보낸다.

->MAR이 지정하는 메모리 주소에 있는 데이터를 읽어와 MBR에 저장한다.

●저장(store): CPU가 메모리에 데이터를 기록한다.

->프로세서는 데이터를 저장할 메모리 주소를 MAR에 보낸다.

->프로세서는 데이터를 MBR에 저장한다.

->메모리는 MAR이 저장하는 위치에 MBR의 내용을 저장한다.

●명령어 사이클(instruction cycle): 명령어를 수행하는 일련의 과정

->컴퓨터마다 명령어 실행과정이 다르지만, 일반적으로 거치는 최소 과정을 포함한다.

 

CPU와 기억장치간 접속

주소 버스, 데이터버스, 제어 신호: 기억장치 읽기 신호, 기억장치 쓰기 신호

주소버스는 단방향, 데이터버스는 양방향

 

7. 명령어 사이클

 

CPU가 한개의 명령어를 실행하는 데 필요한 전체 처리 과정

->CPU가 프로그램 실행을 시작하는 순간부터 전원을 끄거나 회복 불가능한 오류가 발생하여 중단될 때까지 반복

->2개의 부사이클로 분리

●인출 사이클(fetch cycle)

->CPU가 기억장치로부터 명령어를 읽어오는 단계

t0: MAR<-pc : 현재 PC가 가리키는 내용(메모리 주소)를 MAR로 전송

t1: MBR <- M[MAR], PC <- PC+1 : 메모리는 MAR이 지시하는 메모리의 내용인 명령어를 MBR로 보내고, PC가 다음 명령어를

가리키도록 PC의 내용을 갱신한다.

->PC가 이미 MAR로 넘겼기 때문에, 1을 더함으로 다음 명령어를 가리킬 수 있도록 한다.

t2: IR <- MBR : MBR에 있는 명령어를 IR에 저장. MBR과 IR는 메모리간 통신? Buffer 역할을 한다.

왜 데이터 값이랑, 주소 저장 공간이 2개씩 있는것인가?

인출 사이클

●실행 사이클(execution cycle)

->명령어를 해독하고 실행하는 단계

->인출 사이클때보다 작업량이 더 많기 때문에, 오늘날 컴퓨터는 실행 사이클을 다수의 단계로 분할

- 전송 연산: CPU내 레지스터와 메모리 사이에 데이터를 교환 ex)적재(load), 저장(store)

- 처리 연산: 산술논리연산장치를 사용하여 데이터를 조작 ex)산술연산, 논리연산

- 제어 연산: 프로그램의 실행 순서를 제어 ex)순차, 무조건 분기, 조건 분기

- 입출력 연산: CPU내 레지스터와 I/O 장치 간에 데이터를 이동

 

정리

명령어 집합구조

어떤 프로그램과 수행할 컴퓨터 하드웨어 사이의 인터페이스에 대한 정의

명령어는 하드웨어에서 인식되거나 실행되는 기계령어

명령어 집합 디자인 고려사항: 명령어 형식

기능과 필요한 사항 고려

opcdoe 종류 고려 -> opcode bit 수, 피연산자 개수 등

Opcde 실행을 위한 필요한 피연산자 관련 고려 -> 피연산자의 표현방법, 데이터 표현을 위한 주소지정방식, bit수 ->메모리/ 버스 크기 등 hw 구성요소 영향