CH2. Instruction: Language of the computer
Instruction Set
- Instruction: 컴퓨터 언어의 한 단어
- Instruction set: 주어진 아키텍처에서 이해하는 명령의 어휘
- 컴퓨터 명령의 레퍼토리
- 많은 측면에서 공통점이 있지만 컴퓨터마다 명령어 세트가 다릅니다.
MIPS Instruction Set
- 책 전체에서 예제로 사용
- 임베디드 코어 시장의 큰 점유율
- 소비자 가전, 네트워크/저장 장비, 카메라, 프린터 등의 애플리케이션
- 다른 유명한 명령어 세트: ARMv7, intel x86, ARMv8
Hardware Operation
규칙 1. 간단하게 하기 위해선 규칙적인 것이 좋다.
- Arithmetic operands은 항상 3개이다.
- 한 줄에 하나의 명령어만 사용할 수 있다.
1. 더하기(add): add a, b, c= a = b + c
2. 빼기(sub): sub a, b, c= a = b - c
C code
// 1
f = (g+h) - (i+j);
// 2
a = b+c+d;
MIPS code (assembly)
# 1
add t0, g, h # t0 = g+h
add t1, i, j # t1 = i+j
sub f, t0, t1 # f = t-u
# 2
add t, b, c # t = b+c
add a, t, d # a = t+d = b+c+d
규칙 2. 작은 것이 더 빠르다.
2-1. Register Operand
레지스터: CPU안에 거주하며 메인 메모리(RAM)보다 빠르고 작다.
cf> 메모리 계층구조
- 산술 명령어는 레지스터 피연산자를 사용합니다.
- MIPS에는 32비트 레지스터 파일이 32개 있습니다.
- 자주 사용하는 데이터에 사용
- 0부터 31까지의 숫자
- 32비트 데이터는 word라고 부릅니다.
- 레지스터 이름
- 임시 값의 경우: $t0, $t1, ..., $t9
- 저장된 변수의 경우: $s0, $s1, ..., $s7
| Name | Number | Use |
|---|---|---|
| $zero | 0 | 상수 값 0을 표현 |
| $at | 1 | 임시 어셈블러 |
| $v0, $v1 | 2,3 | 함수값과 계산식 결과값 |
| $a0 ~ $a3 | 4~7 | Arguments |
| $t0 ~ $t7 | 8~15 | 임시 변수 |
| $s0 ~ $s7 | 16~23 | 저장된 변수 |
| $t8, $t9 | 24,25 | 임시 변수 |
| $k0, $k1 | 26,27 | OS 커널을 위해 예약된 레지스터 |
| $gp | 28 | 글로벌 포인터 |
| $sp | 29 | 스택 포인터 |
| $fp | 30 | 프레임 포인터 |
| $ra | 31 | 리턴 주소 |
Ex) f = (g + h) – (i + j) 에서 컴파일러가 변수 f, g, h, ,i, j를 레지스터 $s0, $s1, $s2, $s3, $s4에 각각 할당했다고 하자. 컴파일된 MIPS 코드를 보여라.
C code
// f =$s0, g=$s1, h=$s2, i=$s3, j=$s4
f = (g+h) - (i+j);
MIPS code (assembly)
add $t0, $s1, $s2
add $t1, $s3, $s4
sub $s0, $t0, $t1
2-2. Memory Operand
메인 메모리: 복합 데이터(배열, 구조체, 동적 데이터)에 사용되는 메모리
- 복합 데이터의 산술 연산 과정은 메인 메모리에서 레지스터로 값을 로드하고 레지스터의 결과를 메인 메모리에 저장해야한다.
- 메모리 주소는 바이트 단위로 표기됩니다.
8bit = 1byte
1024byte = 1kb
1024kb = 1mb
1024mb = 1gb
1024gb = 1tb
- MIPS는 빅 엔디안 방식을 사용합니다.
- 빅 엔디안: MSB(most significant byte)를 가장 왼쪽 바이트에 위치시키는 표기법.
- 리틀 엔디안(Little Endian): LSB(least significant byte)를 가장 왼쪽 바이트에 위치시키는 표기법.
MSB, LSB
- MSB: most significant bit (가장 왼쪽 비트)
- LSB: least significant bit (가장 오른쪽 비트)
Big endian, Little endian
컴퓨터가 어떤 바이트 주소를 워드 주소로 사용하는지에 따라 나뉜다.
- Big endian: 제일 왼쪽 최상위 byte주소를 word (add, lw, sub 등등) 주소로 쓰는 경우
- Little endian: 제일 오른쪽 최하위 byte 주소를 word 주소로 쓰는 경우
우리가 공부하는 MIPS의 경우에는 Big endian 방식을 채택한다.
CPU에 따라서 바이트의 숫자를 메모리 공간에 저장하는 방식에 있어 차이가 있을 수 있습니다. 이해하기 쉽게 32비트 CPU란 가정하에 간략한 예를 들어보겠습니다.
00000000 00000000 00000000 00000001
CPU에서는 4바이트의 숫자 1을 이진수 형태로 예시처럼 저장하는가 하면, 다음과 같이 거꾸로 저장하는 CPU도 존재합니다.
00000001 00000000 00000000 00000000
위에서 확인할 수 있는 차이때문에 데이터를 주고 받는 통신에 있어 데이터의 표현을 어떻게 하느냐는 상당히 중요합니다.
- 상위 바이트의 값(word의 주소값)을 작은 번지수에 저장하는 방식의
빅 엔디안(big endian) - 상위 바이트의 값(word의 주소값)을 큰 번지수에 저장하는 방식의
리틀 엔디안(little endian)
자! 그럼 다시한번 예를 들어보겠습니다. 이번에는 4바이트 int형 정수 0x12345678이 있다고 생각해보겠습니다. 먼저 빅 엔디안(big endian)부터 확인해보겠습니다.
리틀 엔디안(little endian)은 이와 반대 입니다.
예시에서와 같이 리틀 엔디안(little endian)은 데이터의 상위 바이트가 주소값이 큰 곳에 저장이 됩니다.
참고로 우리가 주로 사용하는 인텔 계열은 리틀 엔디안(little endian)방식으로 데이터를 저장하고 있습니다. 이와 같은 CPU가 빅 엔디안(big endian)방식의 CPU와 데이터를 주고 받을때는 서로 데이터를 저장하는 방식에서의 차이가 있어 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 CPU간의 호환 문제를 해결하기 위해 통일된 네트워크 바이트 순서를 정의 했고 이는 빅 엔디안(big endian) 방식입니다.
즉, 네트워크상으로 데이터를 전송할 때는 데이터의 배열을 빅 엔디안(big endian)으로 변경해서 송신해야 합니다. 수신하는 입장에서도 네트워크에서 전달되는 데이터가 빅 엔디안(big endian)방식임을 인지하고 있어야 올바른 데이터 처리가 가능합니다.
연속 주소 예제
1. lw: load word, 메모리에 저장된 값을 레지스터로 복사하는 명령
C code
g = h + A[10]; // g = $s1, h = $s2, A = $s3
MIPS code
lw $t0, 10($s3) # 10은 배열의 변위(offset), ($s3)은 배열의 base register
add $s1, $s2, $t0 # g = h + A[10]
프로그램에서 8비트로 구성된 1byte를 사용하므로 대부분 컴퓨터는 바이트 단위로 주소를 지정한다. Word 주소는 Word를 구성하는 4byte 주소 중 하나를 사용한다. 따라서 연속된 Word (such as a[0], a[1])는 주소가 4byte씩 차이가 난다.
위의 예제는 lw $t0, 10($s3)에서 lw $t0, 4*10($s3)로 수정되어야 한다.
lw $t0, 4*10($s3) # 10은 배열의 변위(offset), 4는 주소값차이, ($s3)은 배열의 base register
add $s1, $s2, $t0 # g = h + A[10]
2. sw: store word, 레지스터에 저장된 값을 메모리로 복사하는 명령
C code
A[12] = h + A[10] // $s1, A = $s2
MIPS code
lw $t0, 40($s2) # $t0 = A[10]
add $t0, $s1, $t0 # $t1 = h + A[10]
sw $t0, 48($s2) # A[12] = $t1
Memory VS Register
- 레지스터는 메모리보다 액세스 속도가 빠릅니다.
- 더 많은 명령어 실행을 위해선 메모리 데이터에 대한 작업에는 로드 및 저장이 필요합니다.
- 속도를 위해 컴파일러는 가능한 레지스터 변수를 사용합니다.
- 덜 자주 사용되는 변수만 메모리에서 가져옵니다.
- 따라서 레지스터 최적화가 중요합니다
규칙 3. 일반적인 경우를 빠르게
- 상수를 직접 더하는 것은
lw명령을 피합니다.
3-1. Immediate operation
1. addi: add immediate, 레지스터에 상수를 더한다. 뺄셈의 경우에는 음수를 더한다. (subi는 없음)
C code
a = a + 4; // a = $s1
b = a; // b = $s2
MIPS code
addi $s1, $s1, 4 # a += 4
add $s2, $s1, $zero # register 0 ($zero)는 상수 0이다, 변수값을 옮길때 사용
2진법 양수/음수 표기
Unsigned N-bit number
$ x_{n-1}*2^{n-1} + x_{n-2}*2^{n-2} + ... + x_{0}*2^{0} $
- range: 0 ~ $2^n-1 $ (32bits에서 0 ~ $2^32-1$)
- Example)
- $ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 1101_2 \\ = 0+0+0+0+0+0+0+1*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0 \\ = 11_{10} $
Signed N-bit number: 2의 보수법 사용
$ -x_{n-1}*2^{n-1} + x_{n-2}*2^{n-2} + ... + x_{0}*2^{0} $
- range: $-2^{n-1} ~ 2^{n-1}-1 $ (32bits에서 $-2^{31} ~ 2^{31}-1$)
- Example)
- $ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1100_2 \\ = -1*2^{31}+1*2^{30}+...+1*2^3+1*2^2+0*2^1+0*2^0 \\ = -4_{10} $
=> MSB가 0이면 양수, 1이면 음수이다.
Signed negation (양수 <-> 음수)
- 원리: $ X+\bar{X} = -1 \Leftrightarrow \bar{X} + 1 = X $
- Example) +2 -> -2
i. $ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0010_2 $을 각 비트에 대해 반전시킨다.
ii. $ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1101_2 $ 에 1을 더한다.
iii. $ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1111\ 1110_2 = -2_{10} $
Sign extension
더 큰 바이트로 확장하는 것, 현재 word의 msb의 값으로 새로운 비트를 모두 채운다.
$ 2 = 0000\ 0010\ \rightarrow 0000\ 0000\ 0000\ 0010\ \\ -2 = 1111\ 1110\ \rightarrow 1111\ 1111\ 1111\ 1110 $
2. lb: load byte, 바이트를 부호 있는 수로 간주하고 남은 24비트를 부호확장해서 채운다.
3. lbu: load byte unsigned, 바이트를 부호 없는 수로 간주하고 채운다.
C code
char a = -5; // 8bit signed integer, 1111 1011
int b = a; // 32bit signed integer, 1111 1111 1111 1111 1111 1111 [ 1111 1011 ]
// 메모리에는 "확장"이 일어난다.
// a = $s1, b = $s2
MIPS code
lbu $s2, $s1 #
add $s2, $s2, $zero