명령어의 구조와 주소 지정 방식

명령어는 어떻게 구성되어 있으며, 컴퓨터는 어떻게 명령어를 이해하고, 실행하는 걸까?

고급 프로그래밍 언어로 작성된 코드가 실행되기 위해서는, 컴퓨터가 이해할 수 있는 저급 언어로 변환되어야한다.

저급언어는 기계어 와 어셈블리어 두 가지로 나뉘는데, 기계어는 0과 1로 이루어진 명령어로 컴퓨터가 직접 실행할 수 있는 형태의 명령어이다. 그러나 기계어는 사람이 읽거나 이해하기 어렵기 때문에, 사람이 이해하기 쉬운 형태로 번역된 저급 언어와 고급 언어의 중간 단계인 어셈블리어가 등장했다.

⚡명령어의 구조

이러한 명령어는 무엇을 대상으로, 어떤작동을 수행하라 라는 구조
즉, 연산코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.

• 연산 코드 : 명령어가 수행할 연산
• 오퍼랜드: 연산에 사용할 데이터 또는 데이터가 저장된 위치
  

🌟 연산코드

연산코드의 종류는 많지만, 기본적인 연산 코드 유형은 크게 4가지로 나뉜다.

1. 데이터 전송
   

2. 산술/논리 연산
   

3. 제어 흐름 변경
   

4. 입출력 제어
   

🌟 오퍼랜드

오퍼랜드는 연산에 사용되는 데이터 또는 데이터가 저장된 위치를 가리키기 때문에, 오퍼랜드 필드에는 숫자, 문자 데이터 또는 메모리와 레지스터의 주소 등이 들어갈 수 있다. 주로 직접적인 데이터보다는 메모리 주소나 레지스터의 이름이 담기기 때문에오퍼랜드 필드를 주소 필드라고 부르기도 한다.

오퍼랜드는 명령어 안에 없을수도 있고, 여러개가 있을 수도 있다.

왜 오퍼랜드 필드에 메모리나 레지스터의 주소를 담을까?
➡️ 명령어의 길이 때문
오퍼랜드 안에 명령어 자체가 들어간다면, 명령어 전체의 크기가 16 비트, 연산코드 필드가 4 비트인 2-주소 명령어에서는 오퍼랜드 필드 당 6비트 밖에 담지 못하고, 표현할 수 있는 데이터는 2^6 밖에 되지 못한다.

하지만, 주소나 레지스터 이름을 담는다면 데이터의 크기는 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간, 레지스터가 저장할 수 있는 공간 만큼 커진다.

⚡주소 지정 방식

데이터가 저장된 위치를 유효주소 라고 한다.

오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 담을 때, 데이터 위치를 찾는 방법을 주소 지정 방식 이라고 한다.

CPU는 다양한 주소 지정 방식을 사용하며, 대표적인 주소 지정방식은 5가지가 있다.

🌟 즉시 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
가장 간단한 형태로 적은 양의 데이터 밖에 담지 못하지만 찾는 과정이 없기 때문에 다른 주소 지정 방식 보다 빠르다.

🌟 직접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 유효주소를 직접 명시하는 방식

즉시 주소 지정 방식보다 오퍼랜드 필드에서 표현할 수 있는 데이터의 크기는 크지만,여전히 연산 코드의 비트 수만큼 줄어들어 있다

🌟 간접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 "유효 주소의 주소"를 명시하는 방식

표현할 수 있는 유효 주소의 범위가 앞의 두 방법보다는 넓지만, 두번의 메모리 접근이 필요하기 때문에 더 느리다.

🌟 레지스터 주소 지정 방식

직접 주소 지정 방식과 비슷하게 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법

CPU 외부에 있는 메모리에 접근하는 것보다 내부에 있는 레지스터에 접근하는 것이 더 빠르기 때문에 빠르게 접근할 수 있다. 하지만 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 레지스터 크기에 제한이 생길 수 있다는 문제가 발생한다.

🌟 레지스터 간접 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식

간접 주소 지정 방식과 비슷하지만 메모리 접근 횟수가 한번이다. 메모리 접근이 레지스터 접근보다 느리기 때문에 간접 주소 지정 방식보다 빠르다.

참고 : 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제
혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제를 읽으며 정리한 내용입니다.