[ 컴퓨터구조 ] 2.4 명령어 세트

[ 명령어 세트(instruction set) ]

▣ 명령어 세트란?
▪ CPU의 기능은 명령어들에 의해 결정
▪ 명령어들의 종류와 수는 CPU마다 약간씩 다름
▪ 명령어 세트 = 어떤 한 CPU를 위하여 정의되어 있는 명령어들의 집합

▣ 명령어 세트 설계를 위해 결정되어야 할 사항들 

▪ 연산 종류(operation repertoire)

➢ CPU가 수행할 연산들의 수와 종류 및 복잡도 

▪ 데이터 형태(data type) –> 3장에서 자세히

➢ 연산을 수행할 데이터들의 형태, 데이터의 길이(비트 수), 수의 표현 방식 등 

▪ 명령어 형식(instruction format)

➢ 명령어의 길이, 오퍼랜드 필드들의 수와 길이, 등 

▪ 주소지정 방식(addressing mode)

➢ 오퍼랜드의 주소를 지정하는 방식

 [ 연산의 종류  ]

▣ 기본적인 연산의 종류 

▪ 데이터 전송

➢레지스터와 레지스터 간, 레지스터와 기억장치 간, 혹은 기억장치와 기억 장치 간에 데이터를 이동하는 동작

▪ 산술 연산
➢덧셈, 뺄셈, 곱셈 및 나눗셈과 같은 기본적인 산술 연산들

▪ 논리 연산
➢데이터의 각 비트들 간에 대한 AND, OR, NOT 및 exclusive-OR 연산

▪ 입출력(I/O)
➢CPU와 외부 장치들 간의 데이터 이동을 위한 동작들

▪ 프로그램 제어
➢명령어 실행 순서를 변경하는 연산들 

➢분기(branch), 서브루틴 호출(subroutine call)

[ 서브루틴 호출을 위한 명령어들  ] 

▣ CALL 명령어

▪ 서브루틴을 호출(call)하는 명령어

▪ 현재의 PC 내용을 스택에 저장하고 서브루틴의 시작 주소로 분기하는 명령어

▣ RET 명령어
▪ 서브루틴으로부터 원래 프로그램으로 복귀(return)시키는 명령어

서브루틴이 포함된 프로그램이 수행되는 순서

[ CALL/RET 명령어의 마이크로 연산 ]

▣ CALL X 명령어에 대한 마이크로-연산 

t0 : MBR ← PC

t1: MAR ← SP, PC ← X
t2: M[MAR] ← MBR, SP ← SP - 1

▪ 현재의 PC 내용(서브루틴 수행 완료 후에 복귀할 주소)을 SP가 지정하는 스 택의 최상위(top of stack: TOS)에 저장

▪ 만약 주소지정 단위가 바이트이고 저장될 주소는 16비트라면, SP ← SP – 2 로 변경

▣ RET 명령어의 마이크로-연산 

t0 : SP ← SP + 1

t1 : MAR ← SP
t2 : PC ← M[MAR]

 

[ 명령어 형식 ]

▣ 명령어
▪명령어는 CPU에 의해 실행될 때 제공해야 할 모든 정보를 포함하고 있어야 함 = 구성요소

▣ 명령어의 구성요소들
▪ 연산 코드(Operation Code)

➢수행될 연산을 지정 (예: LOAD, ADD 등) 

▪ 오퍼랜드(Operand)

➢연산을 수행하는 데 필요한 데이터 혹은 데이터의 주소
➢각 연산은 한 개 혹은 두 개의 입력 오퍼랜드들과 한 개의 결과 오퍼랜드를 포함
➢데이터는 CPU 레지스터, 주기억장치, 혹은 I/O 장치에 위치

▪ 다음 명령어 주소(Next Instruction Address)
➢현재의 명령어 실행이 완료된 후에 다음 명령어를 인출할 위치 지정 

➢분기 혹은 호출 명령어와 같이 실행 순서를 변경하는 경우에 필요 (순차 X)

▣ 명령어 형식(instruction format)
▪ 명령어 내 필드들의 수와 배치 방식 및 각 필드의 비트 수를 의미함

▣ 필드(field)
▪ 명령어의 각 구성 요소들에 소요되는 비트들의 그룹

▣ 명령어의 길이
▪ 단어(word) 길이
▪ [예] 세 개의 필드들로 구성된 16-비트 명령어

[ 명령어 형식의 결정에서 고려항 사항들 ]

▣ 연산 코드 필드 길이 : 연산의 개수를 결정

[예]4비트→2^4 =16가지의연산정의가능
➢만약 연산 코드 필드가 5 비트로 늘어나면, 2^5 = 32 가지 연산들 정의 가능 → 다른 필드의 길이가 감소
▣ 오퍼랜드 필드의 길이 : 오퍼랜드의 범위 결정

▪ 오퍼랜드의 종류에 따라 범위가 달라짐

➢데이터 : 표현 가능한 수의 범위 결정

➢기억장치 주소 : CPU가 오퍼랜드 인출을 위하여 직접 주소를 지정할 수 있는 기억장치 용량 결정

➢레지스터 번호 : 데이터 저장에 사용될 수 있는 레지스터의 개수 결정

[ 오퍼랜드 필드 범위의 예 ]

▣ 오퍼랜드1은 레지스터 번호를 지정하고, 오퍼랜드2는 기억 장치 주소를 지정하는 경우

▪오퍼랜드1: 4비트→16개의레지스터사용가능 

▪오퍼랜드2: 8비트→기억장치의주소범위: 0∼255번지

▣ 두 개의 오퍼랜드들을 하나로 통합하여 사용하는 경우

▪ 오퍼랜드가 2의 보수로 표현되는 데이터라면, 표현범위: -2048∼+2047

▪ 오퍼랜드가 기억장치 주소라면,
2^12 = 4096 개의 기억장치 주소들 지정 가능

[ 오퍼랜드 수에 따른 명령어 분류 ]

▣ 1-주소 명령어(one-address instruction)
▪ 오퍼랜드를 한 개만 포함하는 명령어 (다른 한 오퍼랜드는 묵시적으로 AC가 됨)
[예] ADD X                          ; AC<-AC + M[X]

▣ 2-주소 명령어(two-address instruction) 

▪ 두 개의 오퍼랜드를 포함하는 명령어

[예] ADD R1, R2            ;R1 <- R1 + R2 

       MOV R1, R2           ;R1 <- R2 

       ADD R1,  X             ;R1 <- R1 + M[X] 

▣ 3-주소 명령어(three-address instruction)

▪ 세 개의 오퍼랜드들을 포함하는 명령어. 

[예] ADD R1, R2, R3                   ; R1<-R2 + R3

 

 

 1-주소 명령어의 예 

▣ 길이가 16 비트인 1-주소 명령어에서 연산 코드가 5 비트인 경우의 명령어 형식을 정의하고, 주소지정 가능한 기억장치 용량을 결정하라

▪ 명령어 형식(instruction format)

▪주소지정 가능한 기억장치 용량 : 211 = 2048 바이트

2-주소 명령어의 예

▣ 2-주소 명령어 형식을 사용하는 16-비트 CPU에서 연산 코 드가 5 비트이고, 레지스터의 수는 8 개이다. (a) 두 오퍼랜드 들이 모두 레지스터 번호인 경우와, (b) 한 오퍼랜드는 기억 장치 주소인 경우의 명령어 형식을 정의하라

3-주소 명령어의 예

 

 

명령어 형식이 프로그래밍에 미치는 영향(예)

[예] X = (A + B) x (C - D) 계산을 위한 어셈블리 프로그램 작성

▣ 아래와 같은 니모닉을 가진 명령어들을 사용 

▪ADD :덧셈

▪SUB :뺄셈
▪MUL :곱셈
▪ DIV : 나눗셈
▪MOV :데이터이동
▪LOAD :기억장치로부터데이터적재 

▪STOR :기억장치로데이터저장

 

1-주소 명령어를 사용한 프로그램

LOAD A       ; AC ← M[A]

ADD B.        ; AC ← AC + M[B]

STOR T       ;M[T]←AC

LOAD C      ; AC ← M[C]

SUB D         ; AC ← AC - M[D]

MUL T        ; AC ← AC × M[T]

STOR X      ;M[X]←AC

단, M[A]는 기억장치 A번지의 내용, T는 기억장치 내 임시 저장장소 의 주소

▣ 프로그램의 길이 = 7 (7개 명령어 사용)

2-주소 명령어를 사용한 프로그램

MOV R1, A       ; R1 ← M[A]   

ADD R1, B        ; R1 ← R1 + M[B]

MOV R2, C       ; R2 ← M[C]

SUB R2, D        ; R2 ← R2 - M[D]

MUL R1, R2      ; R1 ← R1 × R2

MOV X, R1        ; M[X] ← R1

▣ 프로그램의 길이 = 6 (레지스터 번호를 포함)

3-주소 명령어를 사용한 프로그램

ADD R1, A, B          ; R1 ← M[A] + M[B]

SUB R2, C, D         ; R2 ← M[C] - M[D]

MUL X, R1, R2       ; M[X] ← R1 × R2

▣프로그램의길이= 3 (3개의명령어만으로가능)

▣ 단점
▪ 명령어의 길이가 증가한다
▪ 명령어 해독 과정이 복잡해지고, 실행 시간이 길어진다