Chapter2: Instructions: Language of the Computer (컴퓨터의 명령어)

Instruction Set(명령어 집합)

• 컴퓨터의 명령어 목록
• 서로 다른 컴퓨터들은 각각 다른 명령어 집합을 가짐
  -> 여러 공통점들이 있음!
• 초기의 컴퓨터: 매우 단순한 명령어 집합 가짐(구현의 단순화)
• 현대의 컴퓨터: 여전히 단순한 명령어 집합 가지고 있음

컴퓨터 기본 구성 요소

• 구성요소
  - device: 네트워크, 입력장치, 출력장치
  - memory
  - processor: 제어장치(control), 데이터경로(datapath)

  

• 1. 입력 장치가 Object code를 입력함
• 2. Object code가 메모리에 저장됨
• 3. 프로세서가 메모리에서 명령어를 가져옴 (fetch) -> 필요한 영역만 잘라서 가져오는 것
• 4. 제어장치(Control)는 명령어를 해독하여 무엇을 실행할지 결정함 -> 나머지 정보 자르고 명령(ex.AND)만 남김
• 5. 데이터경로(datapath)가 control에 의해 지시된 대로 명령어 실행함
• 6. 출력 데이터를 메모리에 저장함 (원래의 정보는 삭제하고 실행시킨 내용을 저장하는 것)
• 7. 출력 장치는 데이터를 출력함

Operands of the Computer Hardware (컴퓨터 하드웨어의 피연산자)

Register Operands(레지스터 피연산자)

• 산술 명령어는 레지스터 피연산자를 사용
• RISC-V는 32 × 64-bit 레지스터 파일을 가짐
  • 자주 접근하는 데이터를 저장하는 데 사용
  • 64-bit 데이터 = "doubleword"라고 불림
    • 32개의 64비트 범용 레지스터(x0~x31)
  • 32-bit 데이터 = "word"라고 불림

Memory Operands(메모리 피연산자)

• Main memory(주기억장치): 복합 데이터에 사용됨
  • 배열, 구조체, 동적 데이터
• 산술 연산을 적용하려면?
  • 1. 메모리에서 값을 레지스터로 load
  • 2. 레지스터에서 메모리로 결과 store
• 메모리는 byte 단위로 주소가 지정됨
  • 각 주소는 8-bit byte를 식별함
• RISC-V는 Little Endian 방식!
  • word의 가장 낮은 주소에 가장 낮은 byte가 저장됨
  • cf. Big Endian은 반대 => 가장 높은 byte가 가장 낮은 주소에 저장됨
• RISC-V는 메모리에서 word의 정렬을 요구하지 않음

레지스터 vs 메모리

• 접근속도: 레지스터가 더 fast
• 메모리 데이터를 다루려면 load, store 필요함
  • 더 많은 명령어가 실행되어야함
• 컴파일러는 가능한 한 많이 변수들을 레지스터에 저장해야함
  - 자주 사용되지 x는 변수만 메모리로 저장
  • 레지스터 최적화 매우 중요!!

Signed and Unsigned Numbers

이진수 -> 십진수 변환

RISC-V R-format Instructions

32비트 명령어로 인코딩됨

• <명령어 필드>
  • opcode: operation code(연산코드)
  • rd: 목적 레지스터 번호
  • funct3: 추가 연산 코드로, 3비트 함수 코드
  • rs1: 첫 번째 소스 레지스터 번호
  • rs2: 두 번째 소스 레지스터 번호
  • funct7: 추가 연산 코드로, 8비트 함수 코드

RISC-V Instruction encoding

Hexadecimal(16진수)

• bit 문자열을 압축해서 표현
• 16진수 한자리당 4bit

R-format Example

Memory Layout(메모리 공간을 어떻게 나누어 사용하는지)

• Text: 프로그램 코드
• 정적 data: 전역 변수
  • ex. C언어의 정적 변수, 상수 배열과 문자열
  • x3(전역 포인터)는 이 세그먼트에 ±오프셋이 가능한 주소로 초기화됨
• 동적 data: heap
  • ex. C의 malloc, Java의 new
• Stack: 자동 저장소