[CS] 혼공컴운 - 3.2 명령어의 구조

이 글은

- '강민철'님의 책 '혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제' 책을 읽으며 학습한 내용을 정리합니다.

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명령어

 

- 명령어는 연산 코드와, 0개 또는 1개 이상의 오퍼랜드(피연산자)들로 이루어져 있다.

- 명령어 역시 실제로는 0과 1의 비트로 구성되어 있다.

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1. 연산 코드

 

1.1 연산 코드(operation-code)

• 연산코드 : 명령어가 수행할 연산
• 연산코드 필드 : 연산코드가 담기는 영역을 연산 코드 필드라고 한다.

1.2 연산 코드의 종류

• 데이터 전송
• 산술/논리 연산
• 제어 흐름 변경
• 입출력 제어

 

명령어의 종류와 생김새는 CPU마다 다르기 때문에, 연산코드 종류마다 다르다.

아래에서 서술할 연산코드는 대충 각 CPU마다 공통으로 이해하는 대표적인 연산코드 종류 정도로만 이해하면 된다.

 

1.3 데이터 전송 연산 코드

• MOVE : 데이터를 옮겨라
• STORE : 메모리에 저장하라
• LOAD(FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
• PUSH : 스택에 데이터를 저장하라
• POP : 스택의 최상단 데이터를 가져와라 (* 스택과 큐에 대해서는 맨 아래에 간략하게 설명)

1.4 산술/논리 연산 코드

• ADD/ SUBTRACT / MULTIPLY / DIVIDE : 덧셈 / 뺄셈 / 곱셈 / 나눗셈을 수행하라
• INCREMENT / DECREMENT : 오퍼랜드에 1을 더하라 / 1을 빼라
• AND / OR / NOT : 논리곱 / 논리합 / 부정 연산을 수행하라
• COMPARE : 두 개의 숫자 또는 TRUE / FALSE 값을 비교하라

1.5 제어 흐름 변경 연산 코드

• JUMP : 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
• CONDITIONAL JUMP : 조건에 부합할 때 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
• HALT : 프로그램의 실행을 멈춰라
• CALL : 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
• RETURN : CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가라

1.6 입출력 제어 연산 코드

• READ(INPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터를 읽어라
• WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치로 데이터를 써라
• START IO : 입출력 장치를 시작하라
• TEST IO : 입출력 장치의 상태를 확인하라

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2. 오퍼랜드(피연산자)

2.1 오퍼랜드(operand)

• 오퍼랜드 : '연산에 사용될 데이터' 또는 '연산에 사용할 데이터가 저장된 위치'
• 오퍼랜드 필드(주소 필드) : 오퍼랜드가 담기는 영역

2.2 오퍼랜드의 갯수에 따른 명령어 분류

• 오퍼랜드 0개 : 0-주소 명령어
• 오퍼랜드 1개 : 1-주소 명령어
• 오퍼랜드 2개 : 2-주소 명령어
• 오퍼랜드 3개 : 3-주소 명령어
• ...

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3. 주소 지정 방식

3.1 오퍼랜드 필드에 주소를 할당하는 이유

명령어의 비트 갯수는 제한적인데, 데이터를 직접 담으면 명령어가 제한적인 정보만을 표현할 수 밖에 없다.

 

따라서 명령어의 비트 갯수를 효율적으로 사용할 수 있도록, 주로 데이터를 직접 담기보다 데이터의 주소(메모리 주소, 레지스터 이름)를 담는다.

3.2 유효주소

• 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치를 유효 주소라고 한다.
• 유효주소는 메모리에 위치하거나, CPU의 레지스터에 존재한다.

3.3 주소 지정방식

오퍼랜드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때, 연산에 사용될 데이터 위치를 찾는 방법.
즉, 유효 주소를 찾는 방법이다.

• 즉시 주소 지정 방식 : 연산에 사용될 데이터
• 직접 주소 지정 방식 : 유효 주소(메모리 주소)
• 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소의 주소
• 레지스터 주소 지정 방식 : 유효 주소(레지스터 이름)
• 레지스터 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소를 저장한 레지스터

3.4 즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
• 표현할 수 있는 데이터가 작아지는 단점이 있지만, 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기 때문에 아래에서 후술할 주소 지정 방식들보다 빠르다.

3.5 직접 주소 지정 방식(direct addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소(메모리 주소)를 직접적으로 명시하는 방식
• 표현할 수 있는 유효 주소의 범위에 제한이 있다.

3.6 간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하는 방식
• 두 번의 메모리 접근이 필요하기에, 앞에서 설명한 직접 주소 지정 방식보다는 느리다.
• 직접 주소 지정 방식과 비교했을 때 표현할 수 있은 유효 주소의 범위가 넓다.

3.7 레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 직접 명시하는 방법
• CPU의 레지스터에 접근하므로, 직접 주소 지정 방식보다 빠르다.
• 직접 주소 지정 방식과 마찬가지로, 표현할 수 있는 레지스터 크기에 제한이 있다.

3.8 레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 유효주소를 저장한 레지스터를 명시하는 방식
  • 연산에 사용할 데이터는 메모리에 보관한다.
• 유효 주소를 찾는 방법은 간접 주소 지정 방식과 비슷하지만, 메모리에 접근하는 횟수가 한 번으로 줄어들기에
  간접 주소 지정 방식보다 빠르다.
• 레지스터 주소 지정 방식과 비교했을 때 표현할 수 있는 레지스터 크기의 제한에 더 자유롭다.

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(참고) 스택, 큐

4.1 스택

• LIFO(후입선출)의 자료 구조
• PUSH(삽입), POP(추출)

4.2 큐

• FIFO(선입선출)의 자료 구조

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