Chapter 3. 명령어 [혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제]

수집가 루브도·2023년 8월 10일

computer science 스터디

『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 스터디

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3. 명령어

3-1. 소스코드와 명령어

1) 고급 언어와 저급 언어

프로그래밍 언어 : 고급 언어와 저급 언어로 구분

(1) 고급 언어

사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 언어
- c, c++. Java, Python 등
컴퓨터는 이를 그대로 이해할 수 없다.

(2) 저급 언어

컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어
- 기계어, 어셈블리어
명령어로 구성
고급 언어로 작성된 소스코드는 반드시 저급 언어로 변환 필요

<기계어>

0과 1로 이루어진 비트 조합의 명령어 모음
오로지 컴퓨터를 위해 만들어진 언어라 의미 파악 어려움

<어셈블리어>

기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
니모닉 기호를 사용하여 연산 과정을 단어화
- 아래 C#으로 작성한 코드의 어셈블리와 메모리 형태

 class Program   
 {   
   static void Main()
   {   
     int a = 10;   
     int b = 20;   
     Console.WriteLine(a + b);    
   }
어셈블리어 역시 고급 언어로 작성된 것보다는 한눈에 파악하기 어렵다는 것을 알 수 있다.

2) 컴파일 언어와 인터프리터 언어

고급 언어의 저급 언어 변환 방식
명확하게 구분 가능한 언어도 있지만 현대의 많은 언어는 경계가 모호

(1) 컴파일 언어

컴파일 (Compile) : 컴파일 언어로 작성된 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 과정
- 컴파일 과정에서 문법 적 오류, 실행 가능 여부, 불필요한 코드 파악
컴파일러 (Compiler) : 위 컴파일 과정을 수행하는 도구
컴파일 언어 : 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환 이후 실행
- C, C++ 등
목적 코드 (Object Code) : 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환된 코드

(2) 인터프리터 언어

인터프리터 (Interpreter) : 소스 코드를 한 줄씩 변환하는 도구
- Python 등
컴파일 언어와의 비교
- 전체를 변환하는 대기 시간 불필요
- 오류가 있으면 실행이 불가능한 컴파일 언어와는 달리 오류가 있는 직전 줄까지는 실행
- 한 줄 씩 해석하며 실행하기 때문에 일반적으로 컴파일 언어보다 느림

3) 목적 파일 vs 실행 파일

목적 파일 : 목적 코드로 이루어진 파일
실행 파일 : 실행 코드로 이루어진 파일
링킹 (Linking) : 목적 코드 -> 실행 파일

3-2. 명령어의 구조

1) 연산 코드와 오퍼랜드

명령어 = 연산 코드 + 오퍼랜드
- 연산 코드(opreration code = 연산자) : 명령어가 수행할 연산
- 오퍼랜드(operand = 피연산자) : 연산에 사용할 데이터

ALU 명령 코드 예

연산코드 니모닉(mnemonic) 설명
0000 clr 결과의 모든 비트를 0으로 만든다.
0001 set 결과의 모든 비트를 1으로 만든다.
0010 not A의 비트 중 0은 1로, 1은 0으로 만든다.
0011 neg A에 2의 보수를 취한 -A를 결과값으로 반환한다.
1001 and A and B
1010 or A or B
1011 xor A xor B
1100 add A + B
1101 sub A - B

연산코드	니모닉(mnemonic)	설명
0000	clr	결과의 모든 비트를 0으로 만든다.
0001	set	결과의 모든 비트를 1으로 만든다.
0010	not	A의 비트 중 0은 1로, 1은 0으로 만든다.
0011	neg	A에 2의 보수를 취한 -A를 결과값으로 반환한다.
1001	and	A and B
1010	or	A or B
1011	xor	A xor B
1100	add	A + B
1101	sub	A - B

위에서 본 캡쳐에서 int = a = 10; 이라는 코드가 실행 될 때의 메모리를 확인할 수 있다.
초록색으로 표시한 주소의 명령어가 dword ptr 와 [rbh+2ch], 0Ah 로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.
연산 코드 dword의 경우 앞서 Chapter 2. 에서 봤던 double word 를 의미하며 ptr은 포인터.
현재 코드에서 오퍼랜드가 [rbp+2Ch], 0Ah 두 개로 구성되어 있음을 알 수 있다.
rbp는 포인터를 저장하는 레지스터(스택 프레임에서 복귀 주소를 저장한다)
0A는 a 변수에 저장한 값 10과 일치한다.
이와 같은 명령어를 2-주소 명령어라고 한다.

연산코드의 종류
- 데이터 전송
  - MOVE / STORE / LAD(FETCH) / PUSH / POP
- 산술/논리 연산
  - ADD / SUBTRACT / MULTIPLY / DIVIDE
  - INCREMENT / DECREMENT
  - AND / OR / NOT
  - COMPARE (TRUE/FALSE 반환)
- 제어 흐름 변경
  - JUMP / CONDITIONAL JUMP / HALT / CALL / RETURN
- 입출력 제어
  - READ(INPUT) / WRITE(OUTPUT) / START IO / TEST IO

2) 주소 지정 방식

아키텍쳐에 따라 주소의 크기가 명령어의 길이를 결정하기 때문에 Opcode를 제외한 오퍼랜드에 주소 지정 방식(adressing mode) 필요

(1) 즉시 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아지지만 메모리나 레지스터에서 검색하는 과정이 없어 가장 빠른 방식

(2) 직접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
유효 주소를 표현할 수 있는 범위가 Opcode를 제외한 만큼으로 한정

(3) 간접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시
직접 주소 지정 방식에 비해 넓은 범위의 주소 표현이 가능하나 두 번의 메모리 접근으로 앞의 두 방식보다 느림

(4) 레지스터 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 직접 명시
메모리에 접근하는 것보다는 빠른 속도를 보여주나 직접 주소 지정 방식과 같이 표현 가능한 레지스터 크기에 제한

(5) 레지스터 간접 주소 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터는 메모리에 저장하고 그 유효주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시
간접 주소 지정 방식에 비해 메모리 접근 횟수가 줄어듬

Intel 64 명령어 구조

이미지 출처

(Prefixes) [Opcode] (Mod R/M) (SIB) (Displacement) (Immediate)

(Prefixes): 4가지 그룹으로 구분되며 각 그룹에 속하는 접두사(각 1 바이트)가 선택적으로 붙을 수 있다.

[Opcode]: 1-3 바이트 길이로 수행하고자 하는 명령어의 종류를 지정한다. 이때 일부 SSE 명령어의 경우 prefix를 사용하는 것과 동일하게 인코딩되어 있으나(예: CVTDQ2PD: F3 0F E6h) 이는 opcode의 일부로, prefix로 취급되지 않는다.

(Mod R/M): 피연산자의 형태(레지스터/메모리) 및 메모리 주소 형식을 지정한다. 명령어에 따라 선택적으로 요구한다.

(SIB): [base + index * scale (+ disp.)] 형식으로 계산되는 메모리의 base 레지스터, index 레지스터 및 scale을 지정한다. 명령어에 따라 선택적으로 요구한다.

(Displacement): 1/2/4 바이트 크기의 displacement로 명령어에 따라 선택적으로 요구한다.

(Immediate): 1/2/4 바이트 크기의 immediate(명령어에 인코딩되는 숫자) 값으로 명령어에 따라 선택적으로 요구한다.