[2-1] Instruction Set Architecture (RISC-V) (1)

✅ Instruction Set Architecture (ISA)란?

• 하드웨어(Processor)에서 실행 가능한 명령어 집합.
• 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어이자, 소프트웨어와 하드웨어 사이의 인터페이스.
• 프로그램 입장에서 보이는 시스템의 특성: 기능 동작(operations), 상태(state) 등을 포함.

🔹 ISA는 다양한 CPU에서도 유사한 구조를 가짐.

• 공통된 기능 필요
• 설계 목표: 성능↑, 비용/전력↓, 컴파일러/하드웨어 제작 쉬움

🧠 대표 ISA: ARMv7/v8, MIPS, RISC-V, x86, AMD64 등

---

✅ Microarchitecture (마이크로아키텍처)

• 같은 ISA라도 여러 구현 방식이 존재함.
  • 예: x86 ISA → 286, 386, Pentium, Core 등으로 다양한 구현

💡
ISA는 명세이고, µarch는 그걸 구현한 방식!

---

✅ Von Neumann 구조와 ISA

• Von Neumann 구조 기반: CPU + 메모리 + 입출력 장치로 구성
• ISA는 그 위에서 동작하는 프로그래머 관점의 기능 명세임.

---

✅ ISA 예시 (RISC-V 스타일)

예시 명령어:

lw r1,1(r0)
lw r2,2(r0)
add r3,r1,r2
sw r3,0(r0)
j 15

• 이 명령어들을 실행하면서 레지스터와 메모리 상태가 변화함.
• ISA는 바로 이런 변화들을 정의하는 구조임.

---

✅ ISA의 주요 설계 철학: CISC vs. RISC

항목	CISC	RISC
컨셉	복잡한 명령어	단순한 명령어
명령어 수	많음 (>1000개)	적음 (~200개)
명령어 길이	가변(1~15 바이트)	고정(32bit)
명령어 실행	여러 사이클	1 사이클
코드 길이	짧음	김
설계 난이도	어려움	쉬움
파이프라이닝	어려움	유리함
레지스터 수	적음	많음
전력 소비	높음	낮음

✅ RISC는 CPU 설계가 단순해서 임베디드 시스템에 적합

✅ CISC는 명령어 수가 적어서 코드 사이즈가 작음

---

✅ ISA 설계 이슈들

1. 오퍼랜드 저장 위치: 레지스터, 메모리, 스택, 누산기
2. 명시적 오퍼랜드 수: 0, 1, 2, 3개
3. 오퍼랜드 지정 방식: register, immediate, indirect 등
4. 오퍼랜드 타입/크기: int, float, string, vector 등
5. 지원 연산: add, sub, mul, move, compare 등

---

✅ ISA 저장 구조 분류 (Storing Operands)

아키텍처	특징	예시
Stack	TOS에 암시적 저장	(AB) - {A+(CB)}
Accumulator	누산기 하나만 명시적	add A → acc ← acc + mem[A]
Register	모든 오퍼랜드 명시적	add A, B, C → R(A) ← R(B) + R(C)
Memory-to-Memory	모든 오퍼랜드가 메모리	mul D,A,B / add E,A,E

---

✅ ISA의 오퍼랜드 수에 따른 분류

• Register-Register (0,3) → RISC-V, ARM 등
• Register-Memory (1,2) → Intel x86 등
• Memory-Memory (2,2), (3,3) → VAX 등

---

✅ ISA 주소 지정 방식 (Addressing Mode)

방식	예시	설명
Register Direct	Add R4, R3	R4 ← R4 + R3
Immediate	Add R4, #3	상수 더하기
Displacement	Add R4, 100(R1)	로컬 변수 접근
Register Indirect	Add R4, (R1)	포인터
Indexed	Add R4, (R1 + R2)	배열 인덱싱
Direct	Add R4, (1000)	정적 주소 접근
Memory Indirect	Add R4, @(R3)	이중 포인터
Auto Increment	Add R4, (R2)+	배열 순회
Auto Decrement	Add R4, (R2)-	스택 구현
Scaled	Add R4, 100(R2)[R3]	배열 인덱스 + 배수

---

✅ 오퍼랜드 타입과 크기

타입	비트 수	바이트 수
Character	8 bit	1 Byte
Half Word	16 bit	2 Bytes
Word	32 bit	4 Bytes
Double Word	64 bit	8 Bytes
Float (Single)	32 bit	4 Bytes
Double	64 bit	8 Bytes

---

✅ 지원 연산 종류

• 산술/논리: add, sub, mul, div, and, or, xor, not
• 데이터 이동: load, store, move
• 제어: branch, jump, call, return
• 시스템: OS 관련 명령
• 실수연산: fadd, fmul, fdiv
• 문자열, 그래픽 등도 확장 가능

---

✅ 바이트 순서 (Endianness)

종류	설명	예시
Little Endian	LSB를 낮은 주소에 저장	Intel, ARM, RISC-V
Big Endian	MSB를 낮은 주소에 저장	네트워크, IBM, SPARC

---

✅ “Word”란?

• 고정된 크기의 데이터 단위 (ex. 32bit or 64bit)
• 레지스터 크기, 메모리 버스 너비와 관련됨
• x86에서는 word = 16bit, double word = 32bit

---

✅ SI vs IEC 단위 비교

SI (10진)	IEC (2진)
KB = 10³	KiB = 2¹⁰
MB = 10⁶	MiB = 2²⁰
GB = 10⁹	GiB = 2³⁰
…	…

---