Instructions
Instruction : Language of Computer
ISA가 작동할 수 있도록 설계된 명령어이다.
ISA가 동일하면, 컴퓨터는 동일한 Instructions 를 지원한다.
- Intel X86, ARM, MIPS, DEC Alpha 등
하위버전에 대한 호환성은 유지하면서 확장 및 업그레이드를 진행한다.
서로 다른 컴퓨터는 서로 다른 Instructions Set을 가짐
But, commom한 부분이 있어서 배워두면 여러가지로 응용할 수 있다고 한다.
CISC
- Complex Instruction Set Computer
- 고성능의 명령어와 프로세서 INTEL
RISC
- Reduced Instruction Set Compute
- 하나하나의 명령어는 성능이 좀 떨어질 수 있지만, 효울적으로 CPU구조체를 설계할 수 있고 파워소모가 적음 (ARM, MIPS)
Instruction
- 컴퓨터가 이해하는 언어 (Binary) 숫자로 표현된다
- 사람이 인식하기 쉽게 하기 위해서 기호체로 표현하는 것을 Assembly라고 함
- 파일의 형태로 저장되어 있다가 실행하면 코드가 메모리로 올라와서 순차적으로 실행함
MIPS
A Basic MIPS Instruction
- C-Code : a = b + c 메모리에 이것들을 저장해서 실행함
- Assembly Code : add a, b, c # a is sum of b and c (human friendly)
a 는 Destination b, c 는 source
Machine Code : 000000010001100100100000000001000000 (Machine Friendly)
4개를 더해야하면 기계적으로 나눠보면 2개 2개 2개씩 총 3줄로 나눠서 계산을 진행한다.
C code f = (g + h) – (i + j);
translates into the following assembly code:
add t0, g, h || add f, g, h
add t1, i, j || sub f, f, i
sub f, t0, t1 || sub f, f, j
Register, Memory
- CPU 안에 있는 임시저장공간 Register에 Memory가 계산할 것을 가져다놓고 이를 통해서 계산을 수행함.
- CPU입장에서 Memory에 접근하는 것은 비싼 작업임.
따라서 Register를 이용해서 빠르고 저렴한 계산을 함.(CPU의 1회 동작보다 메모리에 한번 가는게 1000배정도 느림) - 이를 위해 a라는 변수를 가져다 놓는 공간을 Register 라고 하고 연산을 하는 명령어는 Register에 대해서 연산을 하도록 함
Register File이 존재하여 연산의 대상이 되는 것들을 ALU가 RF로부터 가지고 옴
Register가 많으면 많을수록 성능이 올라감
레지스터는 각각 32비트 (최근에는 64)를 가지고 있음
MIPS의 32Register는 다음과 같다
The 32 MIPS registers are partitioned as follows:
Register 0 : $zero always stores the constant 0
Regs 2-3 : $v0, $v1 return values of a procedure
Regs 4-7 : a3 input arguments to a procedure
Regs 8-15 : t7 temporaries
Regs 16-23: s7 variables
Regs 24-25: t9 more temporaries
Reg 28 : $gp global pointer
Reg 29 : $sp stack pointer
Reg 30 : $fp frame pointer
Reg 31 : $ra return address
한 단위를 워드라고 하고 워드 하나는 4비트
하지만 궁극적으로 데이터는 메모리에 있음
예를 들어
Add a, b, c <- abc는 사실 Memory에 있는것임
따라서 계산을 위해서는 메모리에 있는 데이터를 CPU로 옮겨야 함. 이 이동을 담당하는 명령어가 필요한데 이것이 바로 Store / Load.
Store & load
Load word – lw $t0, Memory-address
- 메모리 주소에서 목표 레지스터로 데이터를 load하는 명령어
Store Word – sw $t0. Memory-addres - 레지스터에서 목표 메모리 주소로 데이터를 Store하는 명령어
Immediate Opreands
- Instruction이 상수입력을 받을 경우 immediate 값을 그냥 쓰도록 하는 명령어들
addi 라고 쓰며 다른 포멧은 SW LW 명령어와 동일하다.
addi $s0, $zero, 1000
addi $s1, $s0, 0 # this is the address of variable a
addi $s2, $s0, 4 # this is the address of variable b
addi $s3, $s0, 8 # this is the address of variable c
addi $s4, $s0, 12 # this is the address of variable d
Memory Instruction Format
일반적인 메모리 Instruction의 구조는 다음과 같다
Memory Instruction Format
lw t3)
로드 / 목표 레지스터 / 소스주소
sw t3)
스토어 / 소스레지스터 / 소스주소
Array의 경우 주소를 지정해주는 특수한 숫자가 앞에 붙는다
Array의 경우 기본주소 ([0])을 레지스터에 넣음
그 후, Data Type에 따라 알맞은 할당공간만큼 늘려가면서 주소를 찾아냄 그 늘려가는 값이 바로 앞에 붙어있는 상수
ex) int = 4bytes
EX)
C code: d[3] = d[2] + a;
Assembly:
#addi instructions as before
lw s4)
lw s1)
add t0, $t0, $t1 sw $t0, 12(s4)
기타
하나의 프로그램은
Stack, 메모리가 할당되면서 그 주소가 항상 기제되게 되어있음
Dynamic Data
Static Datea(Globals)
Text(Instruction)
MIPS(RISC) Design Principles
- 특징적인 부분은, 연산의 대상이 되는 것을 구분해서 Register로 불렀다가 ALU가 처리하는 방식이다. (load-stroe machine)
RISC의 특징
- 적고 통일된 instruction을 가짐
- Load/store 아키텍쳐 가짐
- 파이프라인, 캐시 메모리의 효율성을 가짐
- 연산 대상의 크기, 메모리 주소의 크기 == 32bit 최근에는 64bit
MIPS Instructions
MIPS ISA – 매우 평범한 포맷
- 링크에 매우 정리가 잘 되어있다.
3가지 Instrutcion format을 가짐
R, I, J
Instruction Category
- R = arithmetic. Lock Instruction (산술연산, 논리연산)
- I = Data Transfer(Load, Store) instruction
- I = Conditional branch 조건을 따져서 조건이 맞을 때 이동하는 것 (if for 등)
- J = unconditioal jump 조건없이 무조건 점프 (함수)
-> 두개를 합해서 branch instruction 이라고 함
6bit = 기능을 세분화 시키기 위해서 넣어둔 것 즉, OP instruction을 결정함
5bit = destination
5bit rt, rd는 입력값(혹은 계산할 두 값)
ALU OP / Source1/ Source2/ Destination/ Shift/ sub funct
op를 구분하고 funct로 작동 총 12비트
Shift는 Shift연산이 필요 할 경우 작동함
MIPS ISA State (Register & memory)
32 Register file($0 ~ $31) +LO HI(32bit lo hi 기록위해 만들어짐) PC (program Counter = 다음 계산을 기록하기 위한 Register)
Memory – 0 ~ 2^32 -1 까지 0x0000 0000 ~ 0xffff ffff
MIPS Arithmetic Instruction
Immediate 숫자가 없으면 R 포맷
add $t0, $s1, $s2
sub $t0, $s1, $s2
Add or Sub Dest s1 s2
Register vs Memory
Arithmetic Instruction은 반드시 레지스터 안에 있어야한다. 하지만 32개의 레지스터만이 제공된다.
만약 프로그램이 많은 변수를 가지고 있다면 메모리를 참조하게 된다.
메모리는 대용량의, 1차원배열이다. 주소는 메모리의 인덱스로서 작동한다.
MIPS Memory Access Instruction
-
MIPS에는 load, store 두가지의 데이터 이동 명령어를 가지고 있다.
-
데이터는 레지스터 파일의 5bit 주소에 load 혹은 store 된다.
-
메모리 주소(32bits)는 base address registerdp offset 값을 더하는것으로 결정된다.
추가설명
Instruction 뒤에 오는 값들로 memory address를 만들어야 하지만, 32비트의 주소중에서 6비트의 op코드 연산에 쓰여서 바로 주소를 넣을 수 없음. 따라서 base address register 를 찾아서 offset value(앞에 붙은 숫자) 만큼 차이나는 memory에서load/ store하라는 명령을 만든다
바이트 어드레스
- Big endian
- Leftmost byrte is word address text L-> R 0x 3210
- Little Endian :
- Rightmost byre is word address text R -> L 0x 0123
MSB = Most significant Bits 1일경우 음수, 0일경우 양수
LSB = Least Significant Bites
MSB가 가장 작은 bit에 오면 big endian, LSB가 오면 little endian
MIPS Immediate Instructions
- 작은 상수들에 대한 빠른 접급을 위해 미리 만들어진 명령어. addi (add Immediate) 라고 씀
이밖에도
- slti set less than immediate slti $s1, $s2,100 $s2가 constant 100보다 작으면 $s1=1 그렇지 않으면 $s1=0으로 셋팅
- lui load upper immediate lui $s1, 100 $s1=100*216 $s1의 상위 16비트에 constant 100을 로드
같은 명령어가 있다.
MIPS Shift Instructions
8bit 문자를 32비트 words로 pack / unpack 하는 작업이 필요합니다.
ex)
sll $t2, $s0, 8 # st2 = $s0 << 8 bits
srl St2, Ss0, 8 # st2 - $s0 >> 8 bits
이러한 Shifts들은 logical 이라고 불리는데 이는 0으로 채워지기 때문이다.
MIPS Logical Operations
and or nor 같은 bit-wise 논리 연산이 존재한다.
ex)
andi $t0, $t1, 0xFF00 # $t0 = $t1 & ff00
ori $t0, $t1, 0xFF00 # $t0 = $t1 | ff00
- not operation in MIPS
- 따로 명령어는 없고 bit inverting만 함
MIPS Control Flow Instructions
기본적으로는 순차적 수행
PC 가 다음수행 명령어를 저장함.
일반적으로는 수행 후 다음 PC를 가지고오도록 명령 (PC + 4 해서 다음 PC 지정)
conditional branch
- I format
- 브랜치 명령어와 연산 명령어를 가지고 계산을 해서 답을 구함
- 마지막 16비트에 어디로 점프할 지에 대한 정보를 담아둠(16 bits)
하지만 32비트 주소가 이 16비트에 들어갈 수가 없음 따라서 상대적으로 주소를 특정범위내에서 상대적으로 지칭을 해서 점프할 수 있도록 범위가 한정되어 있음
Compiled MIPS code
bne $s3, $s4,Else (branch not equal)
뒤에오는 것이 같이 않으면 브랜치하라
뒤에오는 것은 LblA(라벨)
LblA : 같지 않으면 라벨로 가라 라는 명령어
I 포멧
6 5 5 16비트로 조건이 맞을 경우 브랜치가 일어나는 주소를 집어 넣음 (LblA – PC + 4) / 4
주소 = 상대주소
Example
if (i==j) f=g+h; (s3, s4)
else f=g-h;
bne s4,Else [s3 s4 가같지 않으면 else 수행 아니면 add 수행]
add $s0, $s1, $s2
j Exit
Else: sub s1,$s2
Exit:
16 bit address
16비트 주소가 어떻게 만들어 지는가?
- 16비트면 전체 메모리를 지칭 할 수 없다
- Pc4값을 기준으로 상대적으로 어디까지 가는지 정함 (16비트 범위)
- -2^15 ~ 2^15 -1
기준점을 뭘로 잡을것인가?
- 현재 가르키는 주소 + 4 가 기준점
PC는 워드단위로 값이 증가함
-> 워드단위로 값을 해주면 instruction 범위가 늘어남
16비트를 가지고 주소를 표현 할 경우 그 자체의 값이 메모리 주소값이면 워드로 표현하면 14비트만 워드 범위가 되기 때문에 14비트로 표현할 수 있는 범위는 -2^13 ~ 2 #13 -1 까지
즉 range 가 줄어들음
따라서 이 좁은 레인지를 늘려주기 위해 16비트를 워드 어드레스로 쓰겠다는 규칙을 정해서 사용하고 있음
살재 주소 : 명령을 두개 붙여서 정확한 워드 메모리 주소값을 만들어내야함
Misc Branch Instructions
slt – set less than
~보다 자그면 ~ 해라
slt $s0, $s0, $s1
if $s0 < $s1 then
$t0 = 1
$t0 = 0
R 포맷 명령어
Less than
Slt $at, $s1 < $s2
#$at set to 1 iff
Bne $at, $zero, Label # $s1 < $s2
Less Than or equal to = Ble $s1. $s2, Label
Greater than= Bgt $s1, $s2, Label
Greater than or equal to = Bge $s1, $s2, Label
Unconditional jump
무조건 뛰어나가라
J type
J and jr type
Op(6 bit)(26 bit -> 절대주소값)
Pseudo direct adressing 을 지원함
컨디셔널 브랜치는 조건을 보고 Unconditional은 조건을 안본다
컨디셔널은 점프가 길지 않다 (앞에 비교를 넣기 떄문에 주소를 넣을 수 있는 범위가 작음)
따라서, 점프가 너무 멀리 가야 하는 경우 uncon jump를 이용해서 가게 만들어줘야함
