[컴퓨터구조] 명령어

‘혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제 - 강민철’ 책을 참고하여 작성한 포스트입니다.

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고급 언어와 저급 언어

• 고급 언어(high-level programming language)
  • 사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 프로그래밍 언어
• 저급 언어(low-level programming language)
  • 컴퓨터가 이해하고 실행할 수 있는 언어
  • 명령어로 이루어져 있음
• 즉, 고급언어로 작성된 소스 코드가 실해오디려면 반드시 저급 언어인 명령어로 변환되어야 함
• 저급언어에는 기계어와 어셈블리어가 있다.
  • 기계어(machine code)
    • 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 언어
    • 16진수로 표현하기도 한다
  • 어셈블리어(assembly language)
    • 기계어를 읽기 편한 형태로 번역한 언어

컴파일 언어와 인터프리터 언어

• 고급 언어는 명령어로 변환하는 방식에 따라 컴파일 언어와 인터프리터 언어로 나뉜다.

컴파일 언어

• 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행되는 고급 언어
• 이 변환 과정을 컴파일(compile)이라고 하며, 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환된 코드를 목적 코드(object code)라고 한다.

인터프리터 언어

• 인터프리터(interpreter)에 의해 소스 코드가 한 줄 식 실행되는 고급 언어
• 소스 코드 한 줄씩 변환해 나가며 실행하므로 문법 오류 발생 전까지는 올바르게 수행된다.
• 컴파일 언어의 목적 코드는 컴퓨터가 이해하고 실행할 수 있는 저급 언어이기 때문에 인터프리터 언어가 더 느리다.

C, C++은 명확한 컴파일 언어지만 많은 프로그래밍 언어는 컴파일 언어와 인터프리터 언어의 경계가 모호한 경우가 많다!

목적파일 vs 실행파일

• 목적 코드로 이루어진 파일을 목적 파일, 실행 코드로 이루어진 파일을 실행 파일 이라고 한다.
• 목적 코드가 실행 파일이 되기 위해서는 링킹이라는 작업을 거쳐야 한다.
• 목적 파일에 없는 외부기능들 (외부 파일들?) 과 연결 짓는 작업이 필요한데 이를 링킹(linking)이라고 한다.

연산 코드와 오퍼랜드

• 명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.
• 연산코드(operation code)
  • 명령어가 수행할 연산
  • 연산자라고도 불림
• 오퍼랜드(operand)
  • 연산에 사용할 데이터 혹은 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치
  • 피연산자라고도 불림
• 명령어에서 연산 코드가 담기는 영역을 ‘연산 코드 필드’라고 하고, 오퍼랜드가 담기는 영역을 ‘오퍼랜드 필드’라고 부른다.
• 어셈블리어를 보면 앞에 연산 코드, 뒤에 오퍼랜드가 따라오는 것을 볼 수 있다.

오퍼랜드

• 오퍼랜드 필드에는 숫자나 문자 같은 데이터 혹은 메모리나 레지스터 주소가 올 수 있다.
• 많은 경우가 메모리 주소나 레지스터 이름이 담기므로 주소 필드 라고도 부른다.
• 명령어 안에 오퍼랜드가 없을 수도 있고 하나 또는 여러개가 있을 수도 있다.
• 각각 0-주소 명령어, 1-주소 명령어, 2-주소 명령어, 3-주소 명령어 라고 한다.

연산 코드

• 기본적인 연산 코드 유형은 4가지이다. cpu마다 다름. 아래는 대표적인 연산들
  1. 데이터 전송
     • move : 데이터 옮겨라
     • store: 메모리에 저장
     • load(fetch) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
     • push: 스택에 데이터 저장
     • pop
  2. 산술/논리 연산
     • add,subtract,multiply,divide
     • increment, decrement
     • and, or, not
     • compare : 두 개의 숫자 또는 T/F 값 비교
  3. 제어 흐름 변경
     • jump
     • conditional jump
     • halt : 프로그램의 실행 중단
     • call : 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서 옮김
     • return : call 호출 떄 저장한 주소로 돌아감
  4. 입출력 제어
     • read(input)
     • write(output)
     • start io
     • test io

주소 지정 방식

• 오퍼랜드에 주소를 담는 이유는 명령어의 크기 때문이다.
• 명령어에서 연산 코드의 길이를 빼고, 오퍼랜드가 여러개라면, 하나의 오퍼랜드가 표현할 수 있는 데이터 크기는 매우 작아진다.
• 그래서 데이터가 존재하는 메모리 주소 혹은 레지스터의 이름을 명시한다.
• 이때 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치를 유효 주소(effective address)라고 한다.
• 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법을 주소 지정 방식(addressing mode)라고 한다.
• 현대 CPU는 다양한 주소 지정 방식이 있지만 크게 다섯 가지를 살펴 본다.

즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
• 주소를 찾는 과정이 없으니 매우 빠르다.

직접 주소 지정 방식(direct addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식

간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)

• 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식
• 주소를 두번 찾아야 해서 느리다.

레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
• 레지스터에 접근하는 것이 메모리에 접근하는 것보다 빠르므로 ‘직접 주소 지정 방식’보다 빠르다

레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)

• 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고,
• 유효 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방법이다.
• ‘간접 주소 지정 방식’ 보단 빠르겠죠

정리

• 고급 언어는 사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 언어
• 저급 언어는 컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어
• 저급 언어는 0과 1로 이루어진 명령어로 구성된 기계어와 기계어를 사람이 읽기 편한 형태로 번역한 어셈블리어가 있음
• 컴파일 언어는 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행 되는 언어
• 인터프리터 언어는 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 저급 언어로 변환되어 실행되는 언어
• 명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성됨
• 연산 코드는 명령어가 수행할 연산을 의미함
• 오퍼랜드는 연산에 사용할 데이터 혹은 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치
• 주소 지정 방식은 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법