[CA 02] 명령어

 

 

[ 명령어 ]

 

- 저급 언어와 고급 언어

 

 프로그래밍 언어에는 컴퓨터를 위한 저급 언어와 사람을 위한 고급 언어가 존재한다. 저급 언어는 기계에 친화적인 언어로 기계어와 어셈블리어 두 가지가 있다. 기계어는 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 명령어 모음이며, 이진수로 되어 있지만 가독성을 위해 16진수로 표현되기도 한다. 하지만 0과 1로 되어 있는 것은 사람이 보고 사용하기에 어려움이 없을까? 아마 많이 힘들 것이다. 그래서 등장한 것이 저급 언어와 고급 언어 사이의 어셈블리어다. 어셈블리어는 0과 1로 표현된 기계어를 읽기 편한 상태로 번역한 것이다. 이 어셈블리어는 우리 개발자들이 자주 봐야 하는 관찰의 대상이다. 반면 고급 언어로 작성된 코드는 사람이 사용하기에 편리하게 되어 있지만, 컴퓨터가 이해하기 위해서는 저급 언어(명령어)로 변환되어야 한다.

 

 고급 언어가 저급 언어로 바뀌는 방식에는 컴파일 방식과 인터프리터 방식이 있다. 컴파일 언어는 소스 코드 전체가 컴파일러에 의해 저급 언어로 변환되는 언어를 의미한다. 여기서 컴파일러는 하나의 도구이다. 컴파일러는 개발자가 작성한 소스 코드를 전반적으로 검토하여 문법적 오류가 있는지, 실행 가능한 코드인지 등을 분석하고, 소스 코드를 처음부터 끝까지 저급 언어로 컴파일한다. 이렇게 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환된 코드를 목적 코드라고 부른다. 우리가 자주 사용하는 C나 C++이 여기에 해당된다. 

 반면 인터프리터 방식은 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 실행되는 프로그래밍 언어로 한 줄씩 실행되는 언어로 대표적으로 파이썬이 여기에 해당한다. 소스 코드 전체를 저급 언어로 변환하는 시간(컴파일 시간)을 기다릴 필요가 없고 N번째에 오류가 있더라도 그 전 까지의 코드는 올바르게 수행된다. 단점은 느리다는 점이다.

 

 

 

- 명령어 구조

 

명령어는 데이터를 움직이고 컴퓨터를 작동시키는 정보라고 하였다. 이가 어떻게 이루어져 있는지 공부해보자. 우선 연산 코드와 오퍼랜드부터 다루어 보자.

 

 

명령어는 '무엇을 대상으로, 어떤 작동을 수행하라'라는 구조로 되어 있기에 수행할 연산에 해당하는 연산 코드와 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치인 오퍼랜드가 존재한다. 오퍼랜드는 주로 데이터의 위치, 즉 메모리나 레지스터 주소를 담고 있는데 효율성과 메모리 관리가 용이하다. 컴퓨터 메모리는 한정된 자원으로, 모든 데이터를 직접 저장하게 되면 메모리 소비가 빠르고 비효율적일 수 있는 반면 데이터의 위치를 저장하면 일정한 크기의 메모리만 사용하여 효율적으로 관리할 수 있다. 또한, 연산 시 실제 데이터를 사용하면 매번 데이터의 복사나 이동이 필요할 수 있지만, 위치를 활용하면 동적으로 데이터를 변경하거나 업데이트할 수 있어 연산 과정이 더욱 효율적이다. 이런 이유들로, 오퍼랜드 필드에는 대부분의 경우 데이터가 저장된 위치가 주로 담기게 된다.

 

 

한 주소에 16비트를 저장할 수 있는 메모리가 있다고 하면 연산 코드가 4비트라 하면 오퍼랜드 필드는 필드당 4비트 정도만 남기에 표현 가능 정보수가 2^4개 밖에 없다. 하지만 오퍼랜드 필드 안에 데이터의 위치가 담긴다면, 표현 가능 데이터의 크기는 메모리의 주소에 저장할 수 있는 만큼 커진다.

 

연산 코드는 종류가 매우 많고 CPU마다 다르지만, 크게 데이터 전송, 산술/논리 연산, 제어 흐름 변경, 입출력 제어 4가지로 나뉜다. 

 

• 데이터 전송
  • MOVE : 데이터를 옮겨라
  • STORE : 메모리에 저장하라
  • LOAD(FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
  • PUSH : 스택에 데이터를 저장하라
  • POP : 스택의 최상단 데이터를 가져와라

• 산술/논리연산
  • ADD/SUBTRACT/MULTIPLY/DIVIDE : 덧셈/뺄셈/곱셈/나눗셈
  • INCREMENT/DECREMENT : 오퍼랜드에 1을 더하라/빼라
  • AND/OR/NOT : 논리 연산을 수행하라
  • COMPARE: 두 개의 숫자 또는 TRUE/FALSE 값을 비교하라

• 제어 흐름 변경
  • JUMP : 특정 주소로 실행순서를 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
• 입출력 제어
  • READ(INPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터를 읽어라
  • WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터를 써라
  • START IO : 입출력 장치를 시작하라
  • TEST IO : 입출력 장치의 상태를 확인하라

 

 

 

- 주소 지정 방식

 오퍼랜드 필드에 연산 대상의 위치를 명시할 때 데이터의 위치를 찾는 방법인데 다양한 주소 지정 방식이 존재한다. 여기서 의미하는 유효 주소는 주소 지정 방식을 통해 계산된 연산에 사용할 데이터의 실제 저장 위치를 나타내는 주소이다. 그림은 수업 시간에 그려보겠다.

 

• 즉시 주소 지정 방식
  • 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜즈 필드에 직접 명시하는 방법으로 가장 간단한 형태의 주소 지정 방식이다. 간단한 연산 및 상수 값 처리에 사용되며 장점으로는 간단하고 빠르다는 점이다. 하지만 데이터의 크기가 제한적이기에 모든 데이터를 직접 명령어에 포함할 수 없다.
• 직접 주소 지정 방식
  • 오퍼랜드 필드에 유효 주소 직접적으로 명시한다. 이 주소를 이용해 연산에 필요한 데이터를 찾으며 장점으로는 데이터의 위치를 정확하게 지정하므로 데이터 액세스에 대한 속도가 빠르고 메모리 위치를 추가적으로 계산해야 하는 추가 오버헤드가 없다는 점이다. 하지만 연산 코드의 크기에 따라 유효주소를 표현할 수 있는 크기가 제한된다.
• 간접 주소 지정 방식
  • 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시함으로써 데이터의 유효 주소를 찾는 지정 방식이다. 직접 주소 지정 방식에 비해 표현 가능한 유효 주소의 범위가 넓어진다.
• 레지스터 주소 지정 방식
  • 명령어 내부에 데이터를 저장하는 레지스터를 직접 명시한다. 레지스터에 접근하는 것이 메모리에 접근하는 것보다 빠르다는 장점이 있되 레지스터는 고정된 크기와 수용 능력을 갖고 있어 큰 데이터 구조를 저장하기엔 부적합 할 수 있다.
• 레지스터 간접 주소 지정 방식
  • 데이터 자체는 메모리에 있고 해당 데이터의 주소를 레지스터에 저장한다. 이 레지스터는 주소를 참조하고 있는 형태이다. 데이터의 위치를 레지스터에 저장하기에 데이터 위를 동적으로 변경할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 추가적인 메모리 엑세스가 필요하기에 성능면에서는 나쁜 영향이 있다.

 

[ ALU, FLAG, Control Unit ]

'

출처 ❘ 위키백과

 

 - ALU (Arithmetic Logic Unit)

  : 레지스터로부터 피연산자를 받고 데이터를 일시적으로 저장하여 제어장치로부터 어떤 종류의 연산을 수행할지에 대한 정보를 받아 이를 토대로 계산하는 장치이다. ALU가 처리하는 기본적인 연산은 크게 두 가지로 하나는 덧셈과 뺄셈 같은 산술 연산이고, 나머지 하나는 논리 연산이다.

 

 

- FLAG

 : 연산 결과에 대한 부가 정보로 각 영역이 이진수로 표현된다. 저번 시간에 이진수로 표현된 수가 음수인지 양수인지 구별하기 쉽지 않다고 설명하였다. 따라서 이를 알려주는 플래그가 붙는다고 했는데 얘다. 종류는 6가지로 아래와 같다.

 

• 부호 플래그 : 연산 결과의 부호
• 제로 플래그 : 연산 결과가 0?
• 캐리 플래그 : 연산 결과에 올림수 혹은 내림수가 발생?
• 오버플로우 플래그 : 오버플로우 발생?
• 인터럽트 플래그 : 인터럽트 가능?
• 슈퍼바이저 플래그 : 커널모드? or 사용자 모드?

 

- Control Unit (제어장치)

 : 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하기 위한 부품으로 여기서 제어 신호란 전기 신호이다. 제어 장치는 클럭이라는 일정 주기에 맞춰 명령어를 해석한다. 제어 장치는 해석할 명령어, 클럭, 플래그를 받아 들여 그에 따른 제어 신호를 레지스터, ALU, 메모리, 입출력 장치 등으로 전달한다.

 

 여기서의 클럭은 다음 시간에 자세하게 설명하도록 하겠다.