[컴퓨터 구조] 명령어와 명령어의 구조

1. 소스 코드와 명령어

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• 모든 소스코드는 컴 내부에서 명령어로 변환됨
• 이 언어가 어떻게 명령어가 되어 실행되는가?

1.1. HighLevel 언어와 LowLevel언어

고급 언어

• 사람을 위한 언어
• 대부분의 프로그래밍 언어가 고급언어임

저급 언어

• 컴이 직접 이해, 실행 가능한 언어
• 기계어
  • 기계어는 0, 1의 명령어 비트로 이루어진 언어임
  • 즉, 기계어는 0, 1로 이뤄진 명령어 모음
• 어셈블리어
  • 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어

1.2. 컴파일 언어와 인터프리터 언어

• 고급 언어는 어떻게 저급 언어로 변환되는가?
  • 컴파일 방식
  • 인터프리트 방식

컴파일 언어

• 컴파일 언어는 컴파일러로 소스코드 전체가 저급언어로 변환되어 실행되는 고급언어임
• 대표적 예시 : C언어
• 컴파일러가 소스 코드(고급언어) → 목적코드(저급언어)로 바꿔주는 게 컴파일임
• 오류가 1개라도 있으면 컴파일 실패

인터프리터 언어

• 인터프리터로 소스코드가 한 줄씩 실행되는 고급언어임
• 대표적 예시 : 파이썬
• cf) 컴파일언어는 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환됨
• 인터프리터 언어는 소스 코드를 한 줄씩 실행해서 소스코드 N번째에 문법 오류가 있더라도 N-1번째까지는 올바르게 수행함

1.3. 목적 파일과 실행 파일

• 목적 파일?
  • 목적 코드로 이루어진 파일
• 실행파일?
  • 실행 코드로 이루어진 파일
  • 예시: .exe가 대표적인 실행파일임
• 목적코드가 실행 파일이 되려면 링킹 작업 필요

2. 명령어의 구조

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• 명령어의 구조와 주소 지정 방식 익히기
• 명령어의 생김새와 작동 원리 이해하기

2.1. 연산 코드와 오퍼랜드

• 명령어는 연산코드와 오퍼랜드(피연산자)로 구성
• 좀 더 쉽게 명령어는 연산자와 피연산자로 구성

오퍼랜드

• 의미
  • 연산에 사용할 데이터
  • 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치
  • 피연산자라고도 부름
• 오퍼랜드 필드에는 연산에 사용할 데이터를 직접 명시하기보단 많은 경우 데이터가 저장된 위치를 명시함
• 오퍼랜드는 명령어 안에 하나도 없을 수도, 한 개만 있을 수도, 2-3 처럼 여러 개 있기도 함
  • 얘네를 0-주소명령어, 1-주소명령어, 2-주소명령어, 3-주소명령어라고 부름

연산코드

• 의미
  • 명령어가 수행할 연산
  • 연산자라고도 부름
• 연산코드의 4가지 유형
  • 데이터 전송
  • 산술/논리연산
  • 제어 흐름 변경
  • 입출력 제어
• 데이터 전송
  • MOVE : 데이터를 옮겨라
  • STORE: 메모리에 전송해라
  • LOAD(FETCH): 메모리에서 CPU로 데이터 가져와라
  • PUSH: 스택에 데이터 저장해라
  • POP: 스택의 최상단 데이터 가져와라
• 산술/논리연산
  • ADD / SUBTRACT/ MULTIPLY/ DIVIDE
  • INCREMENT / DECREMENT
  • AND / OR /NOT: AND/ OR / NOT
  • COMPARE
• 제어 흐름 변경
  • JUMP: 특정 주소로 실행 순서 옮겨
  • CONDITIONAL JUMP : 조건에 부합 시 특정 주소로 실행 순서 옮겨
  • HALT : 프로그램 실행 멈춰
  • CALL: 되돌아올 주소 저장하고 특정 주소 실행 순서 옮겨
  • RETURN : CALL 호출 시 저장했던 주소로 돌아가
• 입출력 제어
  • READ(INPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터 읽어라
  • WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치로 데이터 써라
  • START IO : 입출력 장치 시작
  • TEST IO : 입출력 장치 상태 확인

2.2. 주소 지정 방식

• 주소 지정 방식?
  • 유효 주소를 찾는 방법
  • 즉, 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법
• 유효 주소?
  • 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치
• 오퍼랜드 필드에 메모리나 레지스터 주소를 담는 경우가 많음
• 근데 왜?
  • 명령어 길이 때문

대표적 주소 지정 방식 5가지

• 즉시 주소 지정 방식
  • 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
  • 가장 간단한 형태의 주소 지정 방식
  • 장점 : 빠름. 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로 부터 찾는 과정 없어서.
  • 단점: 표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아짐
• 직접 주소 지정 방식
  • 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시
  • 장점: 즉시 주소 지정 방식 보다는 오퍼랜드 필드에서 표현할 수 있는 데이터 크기가 커짐
  • 단점 : 여전히 유효 주소를 표현할 수 있는 범위가 연산 코드의 비트 수만큼 줄어듦
• 간접 주소 지정 방식
  • 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시
  • 장점 : 앞의 두 방식 보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위가 넓음
  • 단점 : 두번의 메모리 접근 필요해 즉시 주소 지정 방식과 직접 주소 지정 방식 보다 느림
• 레지스터 주소 지정 방식
  • 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
  • 일반적으로 CPU 외부에 있는 메모리 접근하는 것 보단 CPU 내부에 있는 레지스터에 접근하는 것이 더 빠름
  • 장점: 직접 주소 지정 방식보다 빠르게 데이터에 접근 가능
  • 장점: 직접 주소 지정 방식처럼 표현할 수 있는 레지스터 크기에 제한이 생김
• 레지스터 간접 주소 지정 방식
  • 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장, 그 유효 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시
  • 장점: 간접 주소 지정방식과 비슷하지만, 메모리 접근 횟수가 한번으로 줄어듦!