명령어 세트

개요

기계 명령어, 컴퓨터 명령어란?

• 프로세서가 실행할 수 있는 여러 가지 명령어들의 집합이다.
• 기계어 코드라고도 한다.

기계 명령어 형식

• 명령어는 일련의 비트들에 의해서 표현된다.
• 명령어 세트에서 한 가지 이상의 명령어 형식이 사용될 수 있다.
  • 명령어 세트에는 다양한 형식의 명령어가 존재한다.
• 명령어는 필드들로 나누어진다.

• 간단한 명령어 형식

  

  • Opcode
    • 명령을 표현하는 이진 코드
  • Operand
    • 명령에 사용될 값 or 주소
    • 하나의 명령어에 여러 Operand 필드가 존재할 수 있다.
    • 명령에 사용될 값 자체를 담을 수도 있고, 명령에 사용될 값의 주소를 담을 수도 있다.

기계 명령어의 요소들

아래는 기계 명령어를 구성하는 요소들이다.

• 연산 코드
  • 수행될 연산을 지정한다.
  • 연산 코드 or Opcode 에 의해 지정된다.
• 원천 오퍼랜드 참조
  • 연산할 Data의 주소 또는 실제값을 담는다.
• 결과 오퍼랜드 참조
  • 연산 결과를 저장할 위치(주소)를 담는다.

연산 코드: 명령어 종류

• 데이터 처리
  • 산술 및 논리 명령어
• 데이터 저장
  • 기억장치와 레지스터 간의 데이터 이동
• 데이터 이동
  • I/O 명령어들
• 프로그램 제어
  • 검사와 분기 명령어

원천/결과 오퍼랜드의 위치

오퍼랜드가 존재할 수 있는 위치는 아래와 같다.

• 주기억장치 or 가상 기억장치
  • 가상 기억장치: HDD 공간의 일부를 임시 Main Memory로 사용하는 것이다.
• 프로세서 레지스터
• I/O 장치

한 명령어 내의 주소(Operand) 개수

주소 개수?

• ‘한 명령어 내의 주소의 개수’는 프로세서의 구조를 설명하는 방법 중의 하나이다.

한 명령어에 필요한 주소의 종류

• 오퍼랜드의 참조를 위한 주소
• 연산 결과를 저장하기 위한 주소

3-주소 체계: 한 명령어 내에 3개의 주소가 존재하는 경우

• 주소 개수에 따른 명령어를 확인하기 위해, 다음 프로그램(연산)을 처리한다고 가정하자.

  

• 처리과정

  

  • 총 3개의 주소를 사용하여, 명령어를 구성하는 것을 확인할 수 있다.
  • 임시 저장 공간인 T를 사용한다.
  • 위 순서대로 명령어를 실행하면 위 프로그램(연산)을 수행할 수 있다.

• 3-주소 체계 특징

  • 상대적으로 긴 명령어 형식이 필요하다.
  • 필요한 명령어 개수는 적지만, 각 명령어의 길이가 길다.
  • 별로 사용되지 않는 방식이다.

이어서, 동일한 프로그램에 대해 2-주소, 1-주소 체계에서는 어떻게 처리되는지 확인해보자.

2-주소 체계: 한 명령어 내에 2개의 주소가 존재하는 경우

• 처리과정

  

  • 총 2개의 주소를 사용하여, 명령어를 구성하는 것을 확인할 수 있다.

• 2-주소 체계 특징

  • 주소 하나가 ‘오퍼랜드의 주소’와 ‘결과의 주소’를 모두 지정한다.
    • Y : ‘오퍼랜드 주소(A)’ 지정, ‘결과의 주소(Y-B, Y/T)’ 지정
      • Y ← A , Y ← Y-B , Y ← Y/T
    • T : 오퍼랜드 주소(D) 지정, 결과의 주소(T*E, T+C) 지정
      • T ← D , T ← T*E , T ← T+C
  • 명령어의 길이가 줄어든다.
  • 필요한 명령어의 개수가 많아지지만, 각 명령어의 길이가 짧다.

1-주소 체계: 한 명령어 내에 1개의 주소가 존재하는 경우

• 처리과정

  

  • 총 1개의 주소를 사용하여, 명령어를 구성하는 것을 확인할 수 있다.

• 1-주소 체계 특징

  • 두번째 주소는 묵시적으로 사용한다.
    • 즉, “두번째 주소 == AC(누산기)” 라고 가정하고 명령어를 수행한다.
    • 대개 레지스터(누산기, AC)를 두번째 주소로 사용한다.
  • 초기 컴퓨터에서 흔히 사용되곤 했다.

0-주소 체계: 한 명령어 내에 주소가 없는 경우

• 0-주소 체계는 스택을 사용한다.

• 처리과정

  

  • 스택에 대해, 위 연산들을 수행하여 계산한다.
• 0-주소 체계 특징
  • 모든 주소가 묵시적이다.
  • 스택을 사용한다.

정리

• 주소가 많을수록
  • 명령어가 복잡해진다.
  • 레지스터가 더 많이 필요하다.
    • 임시 저장공간이 더 많이 필요하다.
  • 프로그램 당 명령어의 수가 적어진다.
• 주소가 적을수록
  • 명령어가 덜 복잡해진다.
  • 명령어 길이가 짧아진다.
  • 프로그램 당 명령어의 수가 증가한다.
  • 명령어의 인출/실행이 더 빨라진다.
    • 명령어가 짧기 때문이다.

명령어 세트 설계

명령어 세트 설계시 고려사항

명령어 세트를 설계한다면, 아래와 같은 항목을 고려해야 한다. 이것들을 참고하여, 학습 Point를 잡자.

• 데이터 유형
• 연산의 종류
  • 연산의 개수
  • 연산의 기능
  • 연산의 복잡도
• 명령어 형식
  • 명령어의 길이
  • 주소의 개수
  • 각 필드의 크기
• 주소지정 방식
  • 오퍼랜드의 주소가 지정되는 방식
• 레지스터
  • 명령어에 의해, 참조될 레지스터의 개수
  • 명령어에 의해, 참조될 레지스터의 용도

오퍼랜드 종류

오퍼랜드의 종류는 아래와 같다. 즉, 아래 항목들이 명령어의 Operand 필드에 들어올 수 있는 값의 종류이다.

• 주소
  • 값이 들어있는 공간의 주소
• 수
  • 정수, 부동소수점 수
• 문자
  • ASCII 등
• 논리적인 데이터
  • 비트
  • 플래그 등

연산의 종류들

연산의 종류

연산의 종류는 무엇이 있을까. 이는 아래와 같다.

• 데이터 전송
• 산술
• 논리
• 제어의 이동
• 변환
• 입출력
• 시스템 제어

이제부터 중요한 내용들에 대해, 상세히 설명하겠다.

연산: 데이터 전송

• 데이터 전송 명령어가 명시해야하는 사항
  • 근원지·목적지 오퍼랜드 위치
    • 기억장치나 레지스터, 스택의 최상위 등의 위치를 말한다.
  • 전송될 데이터의 길이
  • 각 오퍼랜드의 주소지정 방식
    • 주소를 어떤 방식으로 지정하는지 알아야 한다.

    주소를 지정하는 방식은 아래에서 상세히 설명한다.

• 데이터 전송 과정 (프로세서 동작 과정)
  • 만약, 오퍼랜드의 근원지·목적지의 위치가 모두 레지스터인 경우
    • 프로세서 내부에서 레지스터 간의 데이터 교환이 수행된다.
  • 만약, 오퍼랜드의 근원지·목적지의 위치가 기억장치(Main Memory)인 경우

    1. 주소 지정 방식에 근거하여, 기억장치의 주소를 계산한다.

       다시 말하지만, 주소 지정 방식에 대한 상세한 내용은 나중에 설명하겠다.

    2. 만약 주소가 가상 기억장치를 참조한다면, 가상 주소를 실제 기억장치 주소로 변환한다.
    3. 주소 지정된 항목이 캐시에 있는지 확인한다.
    4. 캐시에 없다면, 기억장치 모듈로 명령(데이터 전송 명령)을 보낸다.

연산: 산술

• 산술 종류
  • 덧셈
  • 뺄셈
  • 곱셈
  • 나눗셈
• 단일 오퍼랜드 연산 종류
  • 절대화

    • a

  • 증가
    • a++
  • 감소
    • a–
  • 음수화
    • -a
• ‘프로세서의 ALU’에서 산술 연산을 수행한다.
• 산술 연산을 위해 “ALU ↔ Main Memory 간 데이터를 이동시키는 것”까지, 산술연산에 포함된다.

연산: 논리

• 논리 연산은 비트를 조작하는 연산을 한다.
• 논리 연산 종류
  • AND
  • OR
  • NOT

• 기본적인 논리 연산들

  

시프트와 회전 연산

• 시프트 연산 종류
  • 논리적 시프트
    • 모든 비트를 옮긴다.

    

  • 산술적 시프트
    • 부호 비트는 유지한채로 옮긴다.

    

• 회전 연산

  

논리적 시프트의 사용

• Main Memory의 한 Word가 두개의 문자를 저장한다면, 이것을 구분하기 위해 논리적 시프트가 사용될 수 있다.
• 예시를 통해 알아보자.

• 문제
  • 각 기억장치 Word의 길이 : 16비트
  • 한 Word에 두 개의 문자를 저장한다.
    • 즉, 하나의 문자는 8비트이다.

    실제로 ASCII 체계에서 1Byte (8 bit)를 하나의 문자로 설정한다.

  • 이 두 개의 문자를 구분하여 출력해보자.
• 좌측 문자를 출력하는 절차: 논리적 우측 시프트
  1. 해당 Word를 레지스터에 적재한다.
  2. 우측으로 8번 시프트한다.
  3. I/O를 수행한다. I/O 모듈이 하위 8비트를 읽는다.

  

• 우측 문자를 출력하는 절차: AND 논리 연산
  1. 해당 Word를 레지스터에 적재한다.
  2. 00000000 11111111 와 AND 연산을 수행한다. (좌측 문자를 제거한다.)
  3. I/O 를 수행한다.

  

산술적 시프트의 사용

• 숫자에 곱셈을 해야할 때, 사용할 수 있다.
• 비트 연산은 상당히 빠르므로, 계산시 유용하게 사용될 수 있다.
• 산술적 좌측 시프트
  • 곱하기 2와 같다.
  • 예시
    • 8 = 00001000
    • 00001000 에 대해, 좌측 시프트 1번 ⇒ 00010000 = 16
• 산술적 우측 시프트
  • 나누기 2와 같다.
  • 예시
    • 8 = 00001000
    • 00001000 에 대해, 우측 시프트 1번 ⇒ 00000100 = 4

연산: 제어의 이동

• 분기
  • 분기를 통해, 제어를 이동시킨다.
• 분기의 종류
  • 무조건 분기 : 조건없이 항상 분기된다.
    • BR X : 위치 X로 분기하라
  • 조건 분기 : 조건에 따라, 분기된다.
    • BRP X : 결과가 양수면, 위치 X로 분기하라.
    • BRN X : 결과가 음수면, 위치 X로 분기하라.
    • BRZ X : 결과가 0이면, 위치 X로 분기하라.
    • BRO X : 오버플로우가 발생하면, 위치 X로 분기하라.
    • BRE R1, R2, X : R1의 내용과 R2의 내용이 일치하면, 위치 X로 분기하라.

• 분기 예시

  

연산: Skip

• 하나의 명령어를 건너뛰게 한다.
• 건너뛸 때, PC(Program Counter)를 업데이트해야 한다.
  • "’다음 명령어의 주소’에 ‘하나의 명령어의 길이’를 더한 값”으로 업데이트한다.
  • 하나의 명령어의 길이 = I (대문자 i)
  • 즉, PC ← PC + I 으로 업데이트해야 한다.
• 예시
  • ISZ: Increment and Skip if Zero
    • 특정 값에 1을 더하고 결과가 0이라면, 바로 아래 명령어를 Skip하라.

  

주소지정

다양한 주소 지정 방식을 사용하는 이유

• 오퍼랜드의 주소 길이가 액세스 가능한 기억장치의 크기를 결정한다.
  • 하지만, 전형적인 명령어 형식에서는 짧은 길이의 주소 필드를 사용한다.
• 따라서 보다 큰 주기억장치 또는 가상기억장치 영역을 사용하기 위해서, 다양한 주소 지정 방식을 사용한다.

주소지정 기법에서의 고려사항 (학습 Point)

• ‘주소지정 영역’과 ‘주소지정 유연성’ 간의 적절한 조절
• ‘기억장치 참조의 횟수’와 ‘주소 계산의 복잡성’

일반적인 주소지정 방식

• 즉시
• 직접
• 간접
• 레지스터
• 레지스터 간접
• 변위
• 스택

지금부터 하나씩 살펴보자.

주소지정 방식: 즉시 주소지정

• 오퍼랜드가 명령어에 포함된다.
  • 즉, Operand 필드에 실제 값이 들어 있다.
• 예시
  • ADD 5

  

• 특징
  • 오퍼랜드를 인출하기 위해서, 기억장치를 참조하지 않는다.
    • 즉, ‘명령어 사이클’에서 하나의 ‘기억장치 사이클’ 또는 ‘캐시 사이클’을 줄일 수 있다.
    • 명령어 사이클: 명령어인출 → 명령어해독 → 데이터인출 → 계산 → 결과저장
      • 여기서, 데이터인출 과정이 필요없다!
  • ‘사용할 수 있는 수의 크기’가 ‘주소필드의 크기’로 제한된다.
    • 왜냐하면, Operand로 값을 표현하기 때문이다.

주소지정 방식: 직접 주소지정

• ‘명령어의 주소 필드’가 ‘오퍼랜드의 유효 주소’를 갖는다.
  • 유효 주소: 원하는 실제 값이 들어있는 곳의 실제 주소
• EA (Effective Address, 유효주소) = Address Field (A, 오퍼랜드·주소 필드)
• 예시
  • ADD A

  

• 특징
  • 기억장치를 한번만 참조한다.
    • 유효 주소 계산을 위한 추가 작업이 없다.
  • 주소 공간 제한
    • Operand 필드 크기에 따라, 액세스 가능한 공간의 크기(개수)가 제한되기 때문이다.

주소지정 방식: 간접 주소지정

• ‘주소 필드’는 ‘기억장치에 저장된 단어의 주소’를 가리킨다.
  • 그리고 그 기억장치에 ‘오퍼랜드에 대한 주소 전체’를 저장한다.

  ‘pointer의 주소’를 주소필드에 담는다고 생각하면 쉽다.

• EA = (A)
  • 괄호: 간접
• 예시
  • ADD (A)

  

• 실제 동작 방식

  

• 특징
  • 큰 주소 공간을 갖는다.
    • Operand 길이가 아닌, Word 길이에 대해 접근 가능한 주소 개수가 결정되기 때문이다.
  • 두 번의 기억장치 참조가 필요하다.

주소지정 방식: 레지스터 주소지정

• 직접 주소지정과 유사하다.
• ‘주소 필드’가 ‘레지스터’를 가리킨다.
  • 주소 필드가 주기억장치 주소를 가리키지 않는다.
• EA = R
  • R : 레지스터

• 구조

  

• 특징
  • 명령어에서 주소 필드가 작아도 된다.
    • ‘레지스터를 지정하는 주소 필드’는 3~5개의 비트를 가진다.
    • 보통 사용 가능한 레지스터의 개수를 고려했을 때, 그 정도의 비트 수면 적당하다.
  • 기억장치 액세스가 불필요하다.
    • 따라서, 명령어 실행이 빨라진다.
  • 주소 공간이 제한된다.
    • 레지스터의 수가 제한적이기 때문이다.

주소지정 방식: 레지스터 간접 주소지정

• 간접 주소지정 방식과 유사하다.

• EA = (R)

• 구조

  

• 특징
  • ‘주소 필드에 의해 주소 공간이 제한되는 문제’를 그 필드가 ‘주소를 가지고 있는 단어의 위치’를 가리키도록 함으로써 해결한다.
  • 간접 주소지정 방식보다 기억장치 액세스 횟수가 1회 더 작다.

주소지정 방식: 변위 주소지정

• ‘직접 주소지정 + 레지스터 간접 주소지정’ 형태이다.
• EA = A + (R)
  • A : 직접
  • (R) : 레지스터 간접
• 총 두개의 주소 필드를 가지며, 둘 중 하나는 명시적이다.
  • A = 기준 (base value)
    • A: 명시적
  • R = 기준으로부터 얼마나 떨어졌는가에 대한 정보
    • R: 묵시적

  A와 R의 역할이 서로 변경될 수 있다.

• 구조

  

• 변위 주소지정 방식의 종류: 사용하는 레지스터에 따른 종류
  • PC 상대 주소지정
    • PC를 레지스터로 사용한다.
    • EA = A + (PC)
      • A: 변위값 (얼마나 떨어져있는가?) (A: 명령어 내의 Operand 필드)
      • PC: 기준주소
    • 대부분의 기억장치 참조들이 현재 실행되고 있는 명령어에 인접시, 상대 주소지정 방식을 이용하면 명령어의 주소 비트를 절약할 수 있다.
    • 적용 예시) 분기 명령어
  • 베이스-레지스터 주소지정
    • 베이스 레지스터를 레지스터로 사용한다.
    • EA = A + (BR)
      • A: 변위값 (얼마나 떨어져있는가?) (A: 명령어 내의 Operand 필드)
      • BR: 기준주소
    • 적용 예시) 프로그램(데이터)의 위치 이동
  • 인덱스 주소지정
    • 인덱스 레지스터를 레지스터로 사용한다.
    • EA = A + R
      • A: 기준주소
      • R: 변위값 (얼마나 떨어져있는가?)
      • 이때, 레지스터 참조는 명시적일 수도 있고, 묵시적일 수도 있다.
    • 명령어의 주소 필드가 기억장치 주소로 사용되므로, 베이스 레지스터 명령어에 비하여 주소 필드의 비트수가 더 많아진다.
    • 적용 예시) 배열 데이터 연산 (반복 연산에 유리하다.)

주소지정 방식: 스택 주소지정

• 오퍼랜드는 스택의 최상위에 위치한다.
  • 묵시적인 주소지정의 한 형태이다.
    • 왜냐하면, 스택의 최상위부터 참조하기 때문이다.
• 예시
  • ADD : 스택에서 pop 2번하여 나온 값들을 더한다.

정리

명령어 형식들

명령어 형식?

• 명령어 형식은 연산코드와 한 개 이상의 오퍼랜드를 포함한다.
• 대부분의 명령어 세트에서 하나 이상의 명령어 형식들이 사용된다.

명령어 길이

• 명령어 길이에 영향을 주는 요소들
  • 기억장치의 용량
    • 기억장치의 용량만큼을 오퍼랜드에 표현해야 하기 때문이다.
  • 기억장치의 구조
    • 사용하는 기억장치가 Register인지, Main Memory인지
  • 버스의 구조
  • 프로세서의 복잡도 및 속도

• ‘명령어의 종류’와 ‘공간 절약’ 관계
  • 연산 코드의 종류는 프로그램 길이에 반비례한다.
    • 연산코드 종류 ↑ , 프로그램 길이 ↓
    • 연산코드의 종류가 적으면, 프로그램적으로 처리해야 하는 것이 많기 때문이다.
  • 오퍼랜드 개수는 프로그램 길이에 반비례한다.
    • 오퍼랜드 개수 ↑ , 프로그램 길이 ↓
    • 하나의 명령어에서 갖는 오퍼랜드 개수가 많으면, 자연스럽게 프로그램의 길이는 작아진다.
  • 주소 지정방식이 다양하면, 다중 분기에 유연성을 제공한다.
  • 주기억장치 및 가상 기억장치의 증가는 명령어 길이의 증가를 초래한다.

  즉, ‘명령어의 길이 ↑’면 ‘프로그램 길이↓’

• 명령어 길이는 기억장치 전송폭(데이터 버스폭)과 같거나, 다른 쪽의 배수가 되어야 한다.

비트할당

• ‘연산 코드의 종류’와 ‘주소지정 능력’ 관계
  • 명령어 길이가 고정되어 있다면, opcode와 operand 크기 간에 조정이 필요하다.
• 주소지정 비트(operand용 비트)의 용도를 결정하는 요소
  • 주소지정 방식의 수
  • 오퍼랜드의 수
  • 레지스터 대 기억장치
  • 레지스터 세트의 수
  • 주소 영역
  • 주소의 세분화

가변길이 명령어

• 가변길이 명령어란?
  • 하나의 명령어 세트안에 다양한 길이의 명령어가 존재하는 것
• 장점
  • 길이가 서로 다른 더 많은 종류의 연산 코드를 쉽게 제공한다.
  • 주소 지정이 융통성있게 된다.
• 단점
  • 프로세서의 복잡도가 증가한다.
• RISC와 수퍼스칼라 구조의 기계들은 성능 개선을 위해 고정-길이 명령어를 사용한다.

RISC 구조

CISC 구조의 특징

• 명령어의 길이가 가변적이다.
• 여러 복잡한 형태의 주소 모드가 존재한다.
• 비교적 적은 수의 일반 목적용 레지스터 개수가 존재한다.

RISC 구조의 특징

• 기계 사이클당 하나의 기계어를 실행한다.
  • 기계 사이클이란
    • 아래 3가지 동작을 하는데 소요되는 시간
      • 레지스터로부터 2개의 오퍼랜드 인출
      • ALU 동작
      • 결과를 레지스터에 저장
  • 즉, RISC는 “명령어인출·명령어해독·데이터인출·데이터실행·결과저장과 같이 M.M를 기반으로 동작하는 것”을 CPU 내에서 한번에 처리한다.
• 대부분의 연산이 레지스터들을 통해 수행된다.
  • 기계장치를 액세스하는 동작은 LOAD, STORE 명령어로만 구성되어야 한다.
  • 따라서 RISK는 명령어가 더 단순하다.
• 비교적 많은 수의 일반 목적용 레지스터가 필요하다.
• 간단한 주소 지정 방식을 갖는다.
• 간단한 명령어 세트를 갖는다.
• 명령어 파이프라인의 최적화

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• 성결대학교 컴퓨터 공학과 최정열 교수님 (2021)
• William Stalling, 『컴퓨터시스템구조론(10판)』

본 게시글은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.