[혼자 공부하는 컴퓨터 구조] Chapter 03. 명령어

 

본 게시물은 ‘강민철, ⌜혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제⌟, 한빛미디어, 2022’ 을 인용하였습니다.

 

1. 소스코드와 명령어

고급 언어&저급 언어

• 고급 언어(high-level programming language) : 컴퓨터 이해X, 사람 이해O
  • C, C++, Java, Python 등 프로그래밍 언어
• 저급 언어(low-level programming language) : 컴퓨터 이해/실행O
  • 종류
    • 기계어(machine code) : 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 언어로 오로지 컴퓨터만을 위해 만들어져 사람이 읽기 어려움
    • 어셈블리어(assembly language) : 0과 1로 표현된 명령어(기계어)를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
• 고급 언어로 작성된 소스 코드가 실행되려면 반드시 저급 언어인 명령어로 변환되어야 함

 

컴파일 언어&인터프리터 언어

컴파일 언어

• 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행되는 고급 언어
  • 오류 발생 시 컴파일 실패
• 컴파일(compile) : 컴파일 언어로 작성된 소스 코드 → 저급 언어로 변환되는 과정
• 컴파일러(compiler) : 컴파일을 수행해 주는 도구
• 목적 코드(object code) : 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환된 코드

인터프리터 언어

• 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 실행되는 고급 언어
• 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 컴파일 언어와 달리, 인터프리터 언어는 소스 코드를 한 줄씩 차례로 실행함
  • 소스 코드 전체를 저급 언어로 변환하는 시간 기다릴 필요X
  • N 번째 줄에 문법 오류 있어도 N-1번째 줄까지는 올바르게 수행됨
• 그러나 컴파일 언어보다 인터프리터 언어가 더 느림
  • 인터프리터 언어는 한 줄씩 저급 언어로 해석해 실행해야 하기 때문
• 인터프리터(interpreter) : 소스 코드를 한 줄씩 적브 언어로 변환해 실행해 주는 도구

 

목적 파일 VS. 실행 파일

• 목적 파일 : 목적 코드로 이루어진 파일
• 실행 파일 : 실행 코드로 이루어진 파일
  • ex. 윈도우의 .exe 확장자 가진 파일
• 목적 파일(저급 언어) → ‘링킹’ → 실행 파일

 

 

 

2. 명령어의 구조

연산 코드와 오퍼랜드

• 명령어 : 연산 코드 + 오퍼랜드
• 연산 코드(Operation code) : 명령어가 수행할 연산 == 연산자
• 오퍼랜드(Operand) : 연산에 사용할 ‘데이터’ 또는 ‘데이터가 저장된 위치’ == 피연산자

붉은 글씨가 연산 코드, 검은 글씨가 오퍼랜드

 

오퍼랜드

• 보통 메모리 주소, 레지스터 이름이 담겨 있어 오퍼랜드 필드를 주소 필드라고도 함
• 오퍼랜드는 명령어 안에 하나도 없을 수도, 한 개만 있을 수도 그 이상 여러 개 있을 수도 있음

 

연산 코드

• 데이터 전송
  • MOVE : 데이터를 옮겨라
  • STORE : 메모리에 저장해라
  • LOAD(FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
  • PUSH : 스택에 데이터를 저장해라
  • POP : 스택의 최상단 데이터를 가져와라
• 산술/논리 연산
  • ADD/SUBTRACT/MULTIPLY/DIVIDE : 덧셈/뺄셈/곱셈/나눗셈을 수행해라
  • INCREMENT/DECREMENT : 오퍼랜드에 1을 더하라/1을 빼라
  • ADD/OR/NOT : AND/OR/NOT 연산을 수행해라
  • COMPARE : 두 개의 숫자 또는 TRUE/FALSE 값을 비교해라
• 제어 흐름 변경
  • JUMP : 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
  • CONDITIONAL JUMP : 조건에 부합할 때 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
  • HALT : 프로그램의 실행을 멈춰라
  • CALL : 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라
  • RETURN : CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가라
• 입출력 제어
  • READ(INPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터를 읽어라
  • WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치로 데이터를 써라
  • START IO : 입출력 장치를 시작하라
  • TEST IO : 입출력 장치의 상태를 확인하라

 

주소 지정 방식

• 명령어 길이가 길어 명령어의 주소를 담는 경우가 많음(표현할 수 있는 정보 가짓수 커짐)
• 유효 주소(effective address) : 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치
• 주소 지정 방식(addressing mode) : 유효 주소를 찾는 방법

즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
• 단점 : 표현할 수 있는 데이터 크기 작아짐
• 장점 : 연산에 사용할 데이터를 메모리/레지스터로부터 찾는 과정이 없어 빠름

직접 주소 지정 방식(direct addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시
• 표현할 수 있는 오퍼랜드 필드 길이가 연산 코드의 길이만큼 짧아져 표현할 수 있는 유효 주소에 제한이 생길 수 있음

간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)

• 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시
• 직접 주소 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소 범위 넓어짐
• 2번 메모리 접근이 필요해 느림

레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
• 일반적으로 CPU 외부에 있는 메모리에 접근하는 것보다 CPU 내부에 있는 레지스터에 접근 하는 것이 빠름
  ⇒ 레지스터 주소 지정 방식은 빠르게 데이터 접근O
• 직접 주소 지정 방식과 같이 표현할 수 있는 레지스터 크기에 제한이 생길 수 있음

레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시
• 유효 주소를 찾는 과정이 간접 주소 지정 방식과 비슷하나, 메모리에 접근하는 횟수가 1번으로 줄어듦

주소 지정 방식에서 오퍼랜드 필드에 명시하는 값 정리

• 즉시 주소 지정 방식 : 연산에 사용할 데이터
• 직접 주소 지정 방식 : 유효 주소(메모리 주소)
• 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소의 주소
• 레지스터 주소 지정 방식 : 유효 주소(레지스터 이름)
• 레지스터 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소를 저장한 레지스터

 

 

스택&큐

스택(stack)

• 한쪽 끝이 막혀 있어 데이터를 차곡차곡 저장하고, 빼낼 때는 마지막으로 저잘한 데이터부터 빼냄
• LIFO(Last In First Out) : 나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식(후입선출)
• PUSH : 스택에 새 데이터 저장하는 명령어
• POP : 스택에 저장된 데이터 꺼내는 명령어

큐(Queue)

 

• 한쪽으로 데이터를 저장하고, 다른 한쪽으로는 먼저 저장한 순서대로 데이터를 빼냄
• FIFO(First In First Out) : 가장 먼저 저장된 데이터부터 빼내는 데이터 관리 방식(선입선출)