컴퓨터 하드웨어의 연산과 피연산자부

- 본 문서는 KOCW 의 [컴퓨터구조-영남대학교 최규상 교수님]의 강의를 보고 작성한 문서입니다.

Instruction Set

• 컴퓨터의 명령 목록
• 다른 컴퓨터는 다른 instruction set을 갖는다.
  • 많은 공통점을 가진다.
  • 많은 특징을 공유
• 초기의 컴퓨터는 단순한 instruction set을 가짐
• 많은 현대의 컴퓨터 역시 단순한 instruction set을 가짐
  • 초기에서 현대 컴퓨터로 오는 사이에 많은 복잡한 instruction set 을 가졌다.
  • 단순 - 복잡 - 단순의 형태로 발전하였다.

 

Instruction Set Architecture (ISA)

• 간단히 architecture 라고도 한다.
• 하드웨어와 소프트웨어 중에 가장 낮은(low) 레벨의 시스템 소프트웨어이자 운영체제이며 소프트웨어 사이의 인터페이스이다
• 필요한 정보를 machine에 준다.
  • 필요한 정보를 instruction에 담아서 cpu, 하드웨어에 주면 하드웨어에서 instruction을 실행
• 같은 소프트웨어를 실행할 때 성능과 비용에 따라 다른 실행(Implementation)이 가능하다.
  • 같은 소프트웨어를 여러 개의 cpu에서 실행할 수 있다는 뜻
  • 같은 cpu = 같은 instruction set
• ABI(Application Binary Interface) : 기본 instruction set 과 operating system 인터페이스의 조합
  • instruction set 의 사용자 부분과 응용 프로그래머가 사용하는 operating system 인터페이스의 조합으로 컴퓨터간 바이너리 이식성의 표준을 정의한다.
  • ex) microsoft word 는 집의 컴퓨터에서도 실행되고 (window) 학교의 컴퓨터에서도 실행된다 (window)

 

The MIPS Instruction Set

• instruction set의 한 종류
• MIPS : Million Instructions Per Second 의 약어 & CPU의 이름
•  스탠포드 대학교에서 만들고 MIPS Technologies (www.mips.com) 에서 상용화
• 임베디드 시스템에서 많이 사용되고 있다.
  • 최근에는 ARM 이라는 프로세스가 많이 사용되는 추세
  • ARM과 MIPS 는 많은 특성을 공유

 

Arithmetic Operations (산술 연산)

• 더하기(add) 및 빼기(subtract), 피연산자(operand) 3개
  • 두 개의 소스와 하나의 답
  • ex) add a, b, c # a gets b + c
• 디자인 원칙 1 : 규칙성을 사용해서 간단하게 만든다
  • • 규칙성을 주면 구현이 간단하다
    • 간단하게 만들어야만 낮은 가격으로 높은 성능이 가능하다.
• ex)
  • C code

    • f = (g + h) - (i + j);

  • Compiled MIPS code (어셈블리 형태)

    • add t0, g, h  # temp t0 = g + h
      add t1, i, j  # temp t1 = i + j
      sub f, t0, t1 # f = t0 - t1

      t0, t1 : 레지스터의 No, 실제로는 g, h 의 형태가 아니라 모두 레지스터에서 연산이 이루어진다.

 

Register Operands

• 산술 연산(Arithmetic instruction)에는 레지스터 피연산자(register operand)를 사용한다.
• MIPS 는 32 * 32 bit 레지스터 파일을 가진다
  • 자주 액세스하는 데이터에 사용한다.
  • 0부터 31까지 번호가 붙는다
  • 32bit 데이터를 word 라고 부른다
• 어셈블러 이름
  • 임시적인 값 : $t0, $t1, ..., $t9 
  • 저장 값 : $s0, $s1, ..., $s7
• 디자인 원칙 2 : 작을수록 더 빠르다
  
  • main memory : millions of locations 에 비해 레지스터 : 32 * 32 bit
  • 메인 메모리에 비해 굉장히 작다
  • -> 레지스터의 경우 메인 메모리에 비해 약 1000배 가까이 빠르다
• ex)
  • C code

    • f = (g + h) - (i + j);
      	f, ..., j in $s0, ..., $s4

  • Compiled MIPS code

    • add $t0, $s1, $s2
      add $t1, $s3, $s4
      sub $s0, $t0, $t1

 

Byte addresses

• 8bit = 1byte
• 대부분의 컴퓨터에서는 메모리를 바이트단위로 다룬다.
  • Alignment restriction(정렬 제한) : 대부분의 컴퓨터 (32bit 프로세서) 메모리 address 가 word 단위로 맞춰진다
• 데이터를 워드에 어떤 방식으로 저장할 것인가?
  • Big Endian : 맨 왼쪽 바이트를 워드 주소로 사용
    • ex) IBM 360/370, Motorola 68k, MIPS, Sparc, HP PA
  • Little Endian : 맨 오른쪽 바이트를 워드 주소로 사용
    • ex) Intel 80*86, DEC Vax, DEC Alpha (Windows NT)

 

Memory Operands

• 메인 메모리는 합성 메모리에 사용된다
  • Arrays, structures, dynamic data
• 산술 연산 적용
  • 메모리에서 레지스터로 데이터를 로딩해야한다
  • 연산의 결과를 레지스터에서 메모리로 저장해야 한다
• 메모리는 바이트 단위로 액세스한다
  • 각각의 주소는 8비트 바이트를 식별한다.
• 워드 단위로 메모리에 정렬된다
  • 주소는 4의 제곱으로 된다
• MIPS 는 Big Endian 이다
  • 가장 큰 바이트에 가장 작은 워드의 주소 저장
  • Little Endian : 가장 작은 바이트에 가장 작은 워드의 주소 저장
• ex 1)
  • C code

    • g = h + A[8];
      	g in $s1, h in $s2, base address of A in $s3

  • Compiled MIPS code
    • index 8 requires offset of 32
      • 4 bytes per word

    • lw  $t0, 32($s3)   # load word
      add $s1, $s2, $t0

• ex 2)
  • C code

    • A[12] = h + A[8];
      	h in $s2, base address of A in $s3

  • Compiled MIPS code
    • index 8 requires offset of 32

    • lw  $t0, 32($s3)   # load word
      add $t0, $s2, $t0
      sw  $t0, 48($s3)   # store word

 

Registers vs Memory

• 레지스터는 메모리보다 액세스 속도가 빠르다
• 메모리에 있는 데이터의 연산은 값을 로드하고 연산 후 다시 메모리에 저장하는 방식이다
  • Load-Store Architecture
  • ex) MIPS
  • 실행을 위해 더 많은 명령어를 필요로 한다
• 컴파일러는 레지스터를 반드시 사용하는데 이 때, 효율적으로 잘 사용할수록 메모리를 액세스하는 횟수가 줄어든다.
  • 레지스터 최적화는 매우 중요하다

 

Immediate Operands

• 하나의 operand 가 상수값을 가지는 것

  • addi $s3, $s3, 4

• 뺄셈에서 음수는 불가능하다

  • addi $s2, $s1, -1

• 디자인 원칙 3 : 일반 케이스를 빠르게 만든다
  • 작은 상수는 일반적이다
  • immediate operand 는 load instruction의 수를 줄여준다

 

The Constant Zero

• MIPS 레지스터 0 ($zero)가 정수 0이다
• 상수 연산에 유용하다
  • ex) move between registers

  • add $t2, $s1, $zero
    
    -> $t2 = $s1 + $zero 
    => s1의 값을 t2로 옯길 수 있다​