2.1 Instruction Set Architecture

1. ISA(Instruction Set Architecture)

• ISA is a language that computer can understand and also interface between H/W and S/W
• HLL -> Comiler -> Low Level Language -> ISA -> H/W

  • Low Level Language(S/W)에서 H/W에게 명령을 내릴 때의 Interface
  • ISA를 통해 번역된 기계어를 CPU가 해석하고 행동한다.

• Microarchitecture : Implementation of ISA
• 정리

  • Computer는 Register, Memory 2개의 state를 갖고있다.
  • Computer의 state를 바꾸는 operation들의 집합을 ISA라고 정의할 수 있다.

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2. CISC / RISC

• CPU를 설계하는 방식

• CISC

  • Intel 사의 CPU에서 사용하는 방식으로 명령어들의 길이가 가변적이고 복잡하며 많은 종류가 있다.
  • Program 당 들어가는 명령어의 갯수는 적다.
  • CPU가 Memory랑 소통하는 방식이다.
  • 복잡한 H/W 구조 <-> 간단한 S/W 구조(Hardware centric)
  • Compile is easy
  • Backward Compatability가 좋음
    • 새로운 Condition 발생시에 instruction 을 그저 추가하기만 하면 됨
    • 호환성이 좋아 PC환경에서 주로 사용된다.

• RISC

  • ARM 사의 CPU에서 사용하는 방식으로 명령어들의 길이가 고정적이고 간단하며 CISC 에 비해서 적은 명령어 수를 가진다.
  • Program 당 들어가는 명령어의 갯수는 많다.
  • CPU가 Register랑 소통하는 방식이다. (Memory also through PC)
  • 간단한 H/W 구조 <-> 복잡한 S/W 구조(Software centric)
  • Compile is more complex

	RISC	CISC
Cycle per Instruction	Single Cycle	Several Cycles
Instructions per program	Larger	Smaller
Emphasize for performance	efficiency in CPI	efficiency in IC
Required memory	Heavy use	Efficient use
Implementation complexity	Low->Cheap	High->Expensive
# of registers	Larger	Smaller
Instruction	smaller number / simple / fixed instructions length(~200 instructions)	larger number / complex / variable instructions (>1,000 instructions)
Pipelining	Good	Bad
Power comsumption	Low->Embedded	High->Desktop

• Question

1. Why RISC can have more registers than CISC?

   • Simple Instructions -> Implementation complexity low -> more spare physical room for registers in CPU

2. Why CISC tried to reduce the number of instructions per program?

   • memory was small and expensive

3. Which is more adequate for embedded system?

   • RISC because it has simple implementation complexity; therefore, has less power comsumption

4. Which is easier to expand or add a new operation?

   • CISC because it is good for backward compatibility

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3. ISA Classification

1. Storing Operand

• Operand can be stored in the stack, accumulator, register, or memory

2. The number of Operands

• add, A,B,C => 3 operands
• add, A,B => 2 operands

• Register-memory : CISC 방식
  • Pros : can access memory (Data) without seperate instruction's load
  • Cons : Instruction의 길이가 가변적이다. (동등하지 않다)
• Register-register : RISC 방식
  • Pros : Instruction 의 길이가 fixed, simple하다.
  • Cons : IC 의 갯수가 많다.

3. Addressing Mode

• Byte = 8 bit

  • How to convert among hexa, oct, binary, and decimal

• Unit of Data

  • KB = 10^3, MB = 10^6, GB = 10^9, TB = 10^12

• Word

  • Processor 가 메모리부터 데이터를 가지고와서 한번에 처리할 수 있는 고정된 단위
  • Size of Register = Word
    • 메모리부터 데이터를 가지고와서 임시저장장치인 register 에 저장되므로 register 사이즈보다 클 수 없다.
  • Largest possible address size
  • word = 32bit (4byte), double word = 64bit (8byte)
    • word 는 메모리 주소가 4씩증가, double word 는 8씩 증가

• Endian

  • Little Endian : LSB is stored at lowest memory address
  • Big Endian : MSB is stored at lowest memory address
  • ex) if 5 -> 0000...0101
    • Little Endian
      
    • Big Endian
      

4. Type and Size of Operands

• RISC-V 형태의 타입과 크기로 읽어볼 것!

5. Type of Operations

• Arithmetic and Logic : add, subtract, multiply, divide, etc
• Data transfer : load, store
• Control : branch, jump