Instruction Set Architecture
기계어
MIPS, ARM 등이 존재한다.
사람이 기계어로 프로그래밍을 하는 것은 사실상 불가능하므로, 고수준의 프로그래밍 언어로 프로그램을 작성하면 이를 기계어로 번역해 줄 Translator가 필요하다.
프로그래밍 언어
Procedural Language
절차(how, 어떻게 수행할 지)를 명시한다.
Object Oriented Language
객체 단위로 코드를 작성한다.
Functional Language
무엇(what)을 할 지 명시한다.
Translator
Complier
고수준 언어로 작성된 프로그램을 기계어 프로그램으로 변환한다.
Assembler
컴파일러의 일부로, 어셈블리 언어로 작성된 프로그램을 기계어 프로그램으로 변환한다.
Interpreter
언어를 기계어로 변환하는 즉시 실행한다.
자바의 경우 Java Compiler가 자바 프로그램을 바이트 코드로 변환한다. 바이트 코드는 JVM의 instruction set으로 볼 수 있다. JVM은 이 바이트코드를 적절한 machine instruction으로 변환하는 동시에 바로 실행한다.
컴파일러
Source Program을 target program으로 번역하는 프로그램이다.
컴파일러에게는 다음 사항이 요구된다.
정확하게 번역, 코드 최적화 , 빠른 번역 , 컴파일 분리 지원, 에러 메시지의 정확성
C의 컴파일 과정
정의해둔 매크로들을 코드에 넣고, 헤더 파일들을 include하여 확장된 소스 프로그램을 만든다.
이를 컴파일러로 컴파일하면 각각 object 파일들이 생성되는데 이 파일들을 relocate하면서 하나의 파일로 합친다.
링커에서는 라이브러리, 다른 object 파일들을 묶어 실행 가능한 파일로 만든다.
컴파일 순서
Lexical(구문), Syntax(문법) 분석을 진행한다.
Intermediate Code Generator에서는 현재 context에 맞는 의미를 가진 행위인지 확인한다.
Frontend에서는 머신에 상관없는 표준 Intermediate Code를 반환한다.
Code Optimizer에서는 중복되는 것을 삭제/축약하여 코드의 양 줄이면서 빠르게 동작하도록 한다.
Frontend, Backend를 나눈 이유는 코드 최적화와 타겟 코드 생성 부분만 machine에 따라 다르게 작성하여 코드 분석 부분을 재활용하기 위함이다.
레지스터
메모리에서 가져온 데이터를 저장하는 CPU 내부 저장소
일반적으로 Single cycle에 읽거나 쓸 수 있다.
MIPS는 32-bit 레지스터를 가지며, 각 레지스터는 32개의 플립플롭 가진다.
RISC 환경에서 CPU에서 연산을 하기 위해서는 데이터를 레지스터에 올려두어야 한다.
명령어는 레지스터를 변경하거나 메모리의 상태를 변경한다.
보통 현재 계산을 수행중인 값을 저장하는 데 사용된다.
대부분의 현대 프로세서는 메인 메모리에서 데이터를 레지스터로 옮겨와 처리한 후 해당 내용을 다시 메인 메모리에 저장하는 방식을 사용한다.
CPU내의 메모리 계층 최상위에 위치하며 가장 빠른 속도로 접근 가능한 메모리이다.
32bit 컴퓨터가 RAM을 최대 4GB까지 밖에 사용하지 못하는 이유
32bit 컴퓨터는 레지스터의 크기를 32bit로 두고 사용하는 장비이다.
즉, 컴퓨터가 처리하는 기본 데이터의 크기(한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기)가 32bit이므로 2^32 만큼을 표현할 수 있다.
1 byte * 2^32 = 4,294,967,296 bytes 내의 주소밖에 표현을 못하기 때문에 4GB를 넘게 될 경우 해당 영역을 가리키지 못한다.
따라서 32 bit 컴퓨터는 최대 4GB의 프로그램만 사용할 수 있다.
메모리
메모리는 바이트 단위로 입출력이 가능하며, 모든 바이트마다 주소를 가진다.
따라서 메모리의 데이터에 접근하려면 주소가 필요하다.
명령어, 데이터를 포함한 프로그램을 저장하는 공간이다.
MIPS Memory Allocation
0~7fffffff까지만 있는 이유는 이후 메모리 주소들에는 커널 영역이 사용하는 데이터가 들어가기 때문이다.
아래에서 프로그램이 저장되어있는 곳은 virtual memory이다.
text 영역에는 instruction들이 저장되어 있으며, 나머지 부분에는 데이터들이 저장된다.
static 영역에는 global variable, static variable들이 저장되어 있다.
static 영역인 10000000(16진수) 이전에는 항상 0xxxxxxx 값이므로 이를 이진수로 표현하면 맨 앞 4bit는 항상 0이다. 그리고 instruction은 4bytes이고 Memory Alignment 특성 상 항상 4 의 배수부터 할당되므로 이진수의 맨 뒷자리 2bit도 항상 0일 것이다. 이진수로 나타내면
0000(6*4 + 2 bit)00가 되기 때문에 총 32bit 데이터를 26bit로만으로도 구분이 가능하다.
데이터 크기
Word: computation을 위한 기본 데이터 크기를 의미한다. 예를 들어 32bit 프로세서에게 1 Word는 32bit이다. Word와 레지스터의 크기는 항상 같다.
Double word: Word의 2배 크기를 의미한다.
Half word: Workd의 1/2배 크기를 의미한다.
Byte Addressability: 8bit인 Byte 단위에 각각 주소를 가진다.
Alignment
메모리에 저장된 명령어나 데이터를 가리키는 주소가 해당 크기의 배수에 저장되는 것을 의미한다.
Word 단위(32bits == 4 bytes)를 저장하려면 0, 4, 8, 12, 16, ... 바이트 주소값에 저장될 수 있다.
Byte 단위(1 bytes)를 저장하려면 0, 1, 2, ... 바이트 주소값에 저장될 수 있다.
하드웨어의 복잡성을 줄이고 속도를 빠르게 하기 위함이 목적이다.
프로세서는 메모리 접근 단위를 워드 단위로 제한한다.
컴파일러는 자동으로 Align되도록 데이터를 저장하며, Misalign 상태가 되면 프로그램을 실행할 수 없다.
Machine Instruction
명령어
Opcode
수행될 operation을 명시한다.
ex) ADD, MULT, LOAD, STORE, JUMP, ...
Operands
Operation의 대상이 되는 데이터를 의미한다.
Source Operands는 input data를 의미하고,Destination Operands는 output data를 의미한다.예를 들어 Load 명령을 사용할 경우 Source Operands는 메모리, Destination Operands는 레지스터가 된다.
명령어의 길이는 32bit이므로 레지스터에 하나 올리면 공간을 다 차지한다. 따라서 레지스터 번호에 특정 값을 더해 명령어의 주소를 사용한다.
명령어 타입
모든 명령어는 machine state를 변경한다.
Arithmetic and logic instructions
피연산자에 대한 계산을 수행하는 명령
ex) ADD, MULT, XOR, SHIFT, ..
Data transfer instructions (memory instructions)
데이터를 메모리 <-> 레지스터로 이동하는 명령
데이터를 계산하기 위해서는 레지스터에 올려야 한다.
ex) LOAD, STORE
Control transfer instructions (branch instructions)
프로그램의 control flow를 변경하는 명령
내부적으로 다음에 읽어올 명령을 가리키는 주소인 PC(Program Counter) 값을 변경해준다.
조건없이 JUMP 하는 goto 같은 명령(Unconditional JUMP)이 있고, 특정 조건을 만족해야 브랜치를 JUMP하는 if-else 같은 명령(conditional branches)이 있다.
ex) JUMP, CALL, RETURN, BEQ
명령어 주소 지정 방식
Register Addressing
5bit로 입력된 레지스터 주소를 사용한다.
return register(맨 마지막 31번째 register)의 값으로 점프한다. 항상 주소가 바뀔 수 있으므로 indirect branch이다.
jr $ra명령은 $ra 주소로 이동시킨다. $ra는 특정 함수가 끝나고 이동할 메모리 주소를 저장해두는 register이다.
Base Addressing
base register와 상수인 offset을 더해 주소를 지정한다.
Immediate Addressing
상수를 사용하여 연산하도록 한다.
add $t1, $t2, 3명령은 t1 register의 값과 상수인 3을 더해 t2 register에 값을 저장하도록 한다.
PC-relative Addressing
PC에 상수를 더하여 얻은 위치로 PC를 이동시킨다.
Psuedo-direct Addressing
full 32 bit 주소를 사용해 direct로 jump하는 것은 아니지만 이와 유사한 명령이다.
입력된 26bit의 명령어 주소로 바로 이동시킨다.
j L1명령은 L1라는 주소로 이동시킨다.
MIPS 명령어 포맷
모든 명령어는 32 bit 크기를 가진다.
CPU 내부에는 32개의 Register가 존재하므로 모든 Register를 5bit(2^5 = 32)로 표현 가능하다.
R-type
연산 명령어의 타입이다.
op: Opcode, 명령어의 기본 동작rs: 첫번째 source registerrt: 두번째 source registerrd: destination registershamt: shift amount, 어떤 register를 몇 bit shift할 지 명시하는 constant 값이다.funct: function code, op코드에서 추가적으로 필요한 것들 명시한다. op를 0으로 두고 funct 값을 조정해 수행될 명령을 선택할 수 있다.아래를 보면 add 명령어를 사용할 때 10진수 값, 2진수 값을 알 수 있다. 이 때 2진수를 4자리씩 끊어 16진수로 표현할 수 있다.
I-type
데이터 이동, 조건부 branch, immediate 명령어 타입이다.
메모리는 보통 32bit 주소로 명시하는데, 이를 다 명시하면 operation의 길이가 32 bit를 넘어가게 된다. 따라서 데이터 주소를 그대로 사용하는 대신 base register에 offset을 더한 값을 주소로 사용한다.
rs: base register를 지정한다.rt: register operand, STORE할 때에는 destination register가 되고, LOAD할 때에는 source register가 된다.address(offset): 16bit 상수가 위치한다. 값은 +/-(2^15)가 될 수 있으며, 프로그래밍 시 상수를 데이터 영역에 저장하는 대신 이곳에 저장하여 메모리 사용량, 하드웨어 동작을 절감할 수 있다.
J-type
jump 명령어 타입이다.
address: 목적지를 나타내는 명령어를 지정한다. 앞서 MIPS Memory Allocation에서 설명했듯 명령어는 실제로 32bit이지만, 공통된 부분을 생략하여 26bit로도 표현할 수 있다.
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