[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] Chapter 03 명령어

Chapter 03 명령어

1. 소스 코드와 명령어

Key Word: 고급언어 / 저급 언어 / 기계어 / 어셈블리어 / 컴파일 언어 / 인터프리터 언어

 

컴퓨터: 명령어를 처리하는 기계(01장)

-> 명령어: 컴퓨터를 실질적으로 작동시키는 매우 중요한 정보

 

소스코드 -> 컴퓨터 내부에서 명령어로 변환

고급 언어와 저급 언어

컴퓨터: C, C++, Java, Python과 같은 프로그래밍 언어 이해 X

프로그램 만들 때 사용하는 프로그래밍 언어 != 컴퓨가 이해하는 언어

-> 사람이 이해하고 작성하기 쉽게 만들어진 언어

 

고급 언어 -변환-> 저급 언어

 

고급 언어(high-level programming language)

• 사람을 위한 언어
• 대부분의 프로그래밍 언어
• 이해하고 작성하기 쉬움
• 더 나은 가독성
• 변수나 함수 같은 편리한 문법 제공 -> 복잡한 프로그램 구현 가능

저급 언어(low-level programming language)

• 컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어
• 기계어(machine code)
  • 0과 1의 명령어 비트로 이뤄진 언어
  • 0과 1로 이뤄진 명령어 모음
  • 가독성 위해 십육진수(0 ~ 9, A ~ F)로 표현하기도 함
  • 오로지 컴퓨터만을 위해 만들어진 언어 -> 사람 의미 이해 어려움
• 어셈블리어(assembly language)
  • 0과 1로 표현된 명령어(기계어)를 사람이 읽기 편한 상태로 변역한 언어

기계어              어셈블리어
0101 0101 -> push rbp
0101 1101 -> pop rbp
1100 0011 -> ret

 

Q: 왜 저급 언어 알아야 할까? 개발자 고급 언어로 소스 코드 작성 -> 알아서 저급 언어로 변환되어 실행
=> 일부러 저급 언어로 개발할 일 없지 않나?
A: 어떤 개발자 희망하는지 -> 저급 언어의 중요성 달라짐
하드웨어와 밀접하게 맞닿아 있는 프로글매을 개발하는 개발자(임베디드, 게임, 정보 보안 등): 어셈블리어 이용 ↑
어셈블리어: 작성의 대상 + 관찰의 대상
-> 컴퓨터가 프로그램을 어떤 과정으로 실행하는지 = 프로그램이 어떤 절차로 작동하는지 추적, 관찰 가능

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컴파일 언어와 인터프리터 언어

<고급 언어 -> 저급 언어 변환 방식>

1. 컴파일 방식
   • 컴파일 언어: 컴파일 방식으로 작동하는 프로그래밍 언어
2. 인터프리트 방식
   • 인터프리터 언어: 인터프리트 방식으로 작동하는 프로그래밍 언어

컴파일 언어

• 컴파일러에 의해 소스 코드 전체가 저급 언어로 변환되어 실행되는 고급 언어
• 대표적인 컴파일 언어: C
• 컴파일(compile): 컴파일 언어로 작성된 소스 코드 전체 -> 저급 언어로 변환
• 컴파일러(compiler): 컴파일 수행해 주는 도구
  • 소스 코드에 문법적 오류 없는지, 실행 가능한 코드인지, 불필요한 코드 없는지 확인
  • 오류 하나라도 발견 시 소스 코드는 컴파일 실패
• 목적 코드(object code): 컴파일러 ~> 저급 언어로 변환된 코드

(고급 언어) 소스 코드 -(컴파일) 컴파일러-> (저급 언어) 목적 코드

 

인터프리터 언어

• 인터프리터에 의해 소스 코드가 한 줄씩 (저급 언어로 변환되어) 실행되는 고급 언어
• 대표적인 인터프리터 언어: Python
• 소스 코드 한 줄씩 한 줄씩 차례로 실행
  • <-> 컴파일 언어: 소스 코드 전체 -> 저급 언어로 변환
• 인터프리터(interpreter): 소스 코드 한 줄씩 저급 언어로 변환하여 실행해 주는 도구
• 소스 코드 전체 저급 언어로 변환하는 시간 기다릴 필요 X
• 소스 코드 N번째 줄에 문법 오류 -> N-1번째 줄까지 올바르게 수행
  • <-> 컴파일 언어: 소스 코드 내 오류 하나라도 O -> 컴파일 불가
• 컴파일 언어보다 느림
  • 컴파일 ~> 결과물 = 목적 코드: 저급 언어, 인터프리터 언어: 소스 코드 마지막까지 한 줄씩 저급 언어로 해석 및 실행

 

하나의 프로그래밍 언어가 반드시 둘 중 하나의 방식만으로 작동 X

= 컴파일 언어라고 해서 인터프리트 불가능 or 인터프리트가 가능한 언어라고 해서 컴파일 불가능 X

=> 모든 프로그래밍 언어를 칼로 자르듯 구분 X

고급 언어가 저급 언어로 변환되는 대표적인 방법에는 컴파일 방식과 인터프리트 방식이 있음

 

고급 언어 -(컴파일/인터프리트)-> 저급 언어 
= 독일어 모르는 친구에게 독일어로 쓰인 책 설명해 주는 것

컴파일 언어: 독일어로 쓰인 책(소스 코드) -> 한국어로 번역한 뒤 번역한 책(목적 코드)을 친구에게 건네주는 방식
=> 컴파일 시간 기다려야 하지만 번역 책 건네받으면 빠르게 읽을 수 있음
인터프리터 언어: 독일어로 쓰인 책 한 줄씩 한국어로 설명해주는 방식

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C언어 컴파일과정

test.c -(전처리기 → 컴파일러 → 어셈블러 → 링커(linker))→ test.exe

• 전처리기(preprocessor): test.i
  • 본격적으로 컴파일하기 전에 처리할 작업들
  • 외부에 선언된 다양한 소스 코드, 라이브러리 포함(e.g. #include)
  • 프로그래밍 편의를 위해 작성된 매크로 변환(e.g. #define)
  • 컴파일할 영역 명시(e.g. #if, #ifdef, …)
• 컴파일러(compiler): test.s
  • 전처리가 완료 돼도 여전히 소스 코드
  • 저급 언어(어셈블리어)로 변환
• 어셈블러(assembler): test.o
  • 어셈블리어 → 기계어
  • 목적 코드 포함하는 파일

목적 파일 vs. 실행 파일

• 목적 파일
  • 목적 코드로 이뤄진 파일
  • 목적 코드: 컴퓨터가 이해하는 저급 언어
• 실행 파일
  • 실행 코드로 이뤄진 파일
  • 윈도우의 .exe 확장자 가진 파일

목적 코드 -링킹(linking)-> 실행 파일

링킹: 연결 작업

컴파일 언어로 helper.c와 main.c라는 2개의 소스 코드 작성
1. helper.c 안에는 'HELPER_더하기'라는 기능 구현되어 있음
2. main.c는 helper.c에 구현된 'HELPER_더하기' 기능
+ 프로그래밍 언어가 기본적으로 제공하는 '화면_출력'이라는 기능 가져다 씀

목적 파일은 각각 helper.o와 main.o

=> Q: main.o는 저급 언어니까 바로 실행 가능?
A: 실행할 수 없음. main.o는 main.c의 내용이 그대로 저급 언어로 변환된 파일일 뿐
main.c에 없는 'HELPER_더하기' or '화면_출력'은 어떻게 실행하는지 알지 못함
=> main.o가 실행되면 main.o에 없는 외부 기능을 main.o와 연결 짓는 작업 필요

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2. 명령어의 구조

Key Word: 명령어 / 연산 코드 / 오퍼랜드 / 주소 지정 방식

연산 코드와 오퍼랜드

명령어

• 연산 코드(operation code) = 연산자
  • 명령어가 수행할 연산
  • 연산 코드 필드: 연산 코드가 담기는 영역
• 오퍼랜드(operand) = 피연산자
  • 연산에 사용할 데이터
  • 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치
  • 오퍼랜드 필드: 오퍼랜드가 담기는 영역

연산 코드

<유형 4가지>

• 데이터 전송
  • MOVE: 데이터 옮기기
  • STORE: 메모리에 저장
  • LOAD(FETCH): 메모리에서 CPU로 데이터 가져오기
  • PUSH: 스택에 데이터 저장
  • POP: 스택의 최상단에 데이터 가져오기
• 산술/논리 연산
  • ADD(덧셈) / SUBTRACT(뺄셈) / MULTIPLY(곱셈) / DIVIDE(나눗셈)
  • INCREMENT(오퍼랜드에 1 더하기)/ DECREMENT(오퍼랜드에 1 빼기)
    • ADD, SUBTRACT 보다 빠름
  • AND / OR / NOT: AND / OR / NOT 연산을 수행
  • COMPARE: 두 개의 숫자 or TRUE / FALSE 값을 비교
• 제어 흐름 변경
  • JUMP: 특정 주소로 실행 순서 옮기기
  • CONDITIONAL JUMP: 조건에 부합할 때 특정 주소로 실행 순서 옮기기
  • HALT: 프로그램 실행 멈추기
  • CALL: 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서 옮기기
  • RETURN: CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가기
• 입출력 제어
  • READ(INPUT): 특정 입출력 장치로부터 데이터 읽기
  • WRITE(OUTPUT): 특정 입출력 장치로 데이터 쓰기
  • START IO: 입출력 장치를 시작
  • TEST IO: 입출력 장치의 상태를 확인

오퍼랜드

연산에 사용할 데이터 or 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치

-> 오퍼랜드 필드에 데이터(숫자와 문자 등) or 메모리 or 레지스터 주소 올릴 수 O

But, 연산에 사용할 데이터를 직접 명시하기 보다 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치(메모리 주소 or 레지스터 이름) 담김

=> 오퍼랜드 필드 = 주소 필드

 

• 0-주소 명령어(오퍼랜드가 없는 경우)
  • 연산 코드
• 1-주소 명령어(오퍼랜드 1개인 경우)
  • 연산 코드 + 오퍼랜드
• 2-주소 명령어(오퍼랜드 2개인 경우)
  • 연산 코드 + 오퍼랜드 + 오퍼랜드
• 3-주소 명령어(오퍼랜드 3개인 경우)
  • 연산 코드 + 오퍼랜드 + 오퍼랜드 + 오퍼랜드 

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주소 지정 방식

Q: 왜 오퍼랜드 필드에 메모리 or 레지스터의 주소를 담는 건지? 
그냥 <연산 코드, 연산 코드에 사용될 데이터> 형식으로 명령어 구성하면 되지 않나?
A: 명령어 길이 때문
하나의 명령어가 n비트로 구성, 그 중 연산 코드 필드가 m비트
-> 오퍼랜드 필드에 가장 많은 공간을 할당할 수 있는 1-주소 명령어라 해도 오퍼랜드 길이 = 연산 코드만큼의 길이 뺀 n-m비트
2-주소 명령어, 3-주소 명령어 -> 오퍼랜드 크기 더욱 ↓

IF 명령어 크기 166비트, 연산 코드 비트가 4비트인 2-주소 명령어
-> 오퍼랜드 필드당 6비트 정도밖에 안남음 
= 하나의 오퍼랜드 필드로 표현할 수 있는 정보의 가짓수 $2^6$ 개

3-주소 명령어 -> 오퍼랜드 필드당 4비트 정도밖에 안남음
=> 하나의 오퍼랜드 필드로 표현할 수 있는 정보의 가짓수 $2^4$ 개

 

But, 오퍼랜드 필드 안에 메모리 주소 담긴다면 -> 데이터 크기 = 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간만큼 커짐

한 주소에 16비트 저장할 수 있는 메모리
메모리안에 데이터 저장, 오퍼랜드 필드 안에 해당 메모리 명시 
-> 표현할 수 있는 정보의 가짓수 $2^{16}$

 

유효 주소(effective address)

• 연산 코드에 사용할 데이터가 저장된 위치
• 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치

명령어 주소 지정 방식(addressing mode)

• 오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법
• 유효 주소 찾는 방법

 

<주소 지정 방식 5가지>

즉시 주소 지정 방식(immediate addressing mode)

• (연산 코드 + 연산에 사용할 데이터)
• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
• 가장 간단한 형태의 주소 지정 방식
• (-) 데이터의 크기 작아짐
• (+) 다른 주소 지정 방식 보다 빠름
  • 연산에 사용할 데이터를 메모리 or 레지스터로부터 찾는 과정 X

직접 주소 지정 방식(direct addressing mode)

• (연산 코드 + 유효 주소) -> 메모리) 연산에 사용할 데이터
• 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
• (+) 오퍼랜드 필드에서 표현할 수 있는 데이터의 크기는 즉시 주소 지정 방식보다 커짐
• (-) 여전히 유효 주소를 표현할 수 있는 범위: 연산 코드의 비트 수만큼 줄어듬
  • = 표현할 수 있는 오퍼랜드 필드의 길이가 연산 코드의 길이만큼 짧아짐
    -> 표현할 수 있는 유효 주소에 제한 생길 수 있음

간접 주소 지정 방식(indirect addressing mode)

• (연산 코드 + 유호 주소의 주소) -> 메모리) 유효 주소 -> 연산에 사용할 데이터
• 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시
• (+) 직접 주소 지정 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위 넓어짐
• (-) 2번의 메모리 접근 필요 -> 속도 ↓
• 때때로 연산에 사용할 데이터가 레지스터에 저장되는 경우 O
  • -> 레지스터 주소 지정 방식 or 레지스터 간접 주소 지정 방식 사용

레지스터 주소 지정 방식(register addressing mode)

• (연산 코드 + 유효 주소) -> CPU(레지스터)) 연산에 사용할 데이터
• 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
• (+) 직접 주소 지정 방식보다 빠르게 데이터에 접근 가능
  • CPU 외부에 있는 메모리에 접근 속도 < CPU 내부에 있는 레지스터에 접근 속도
• (-) 레지스터 크기에 제한 생길 수 있음
  • ~= 직접 주소 지정 방식

레지스터 간접 주소 지정 방식(register indirect addressing mode)

• (연산 코드 + 유효 주소를 저장한 레지스터) -> CPU(레지스터)) 유효 주소 -> 메모리) 연산에 사용할 데이터
• 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방법
• 유효 주소 찾는 과정
  • ~= 간접 주소 지정 방식
• (+) 메모리에 접근하는 횟수가 1번으로 줄어듬
• 레지스터 간접 주소 지정 방식 속도 > 간접 주소 지정 방식
  • 메모리에 접근하는 속도 < 레지스터에 접근하는 속도

 

<정리_오퍼랜드 필드에 명시하는 값>

• 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

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+스택과 큐

스택(stack)

• 한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 동로
• LIFO(Last In First Out, 리포) 자료구조 = 후입선출
  • 나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식
  • 1-2-3-4-5 순으로 데이터 저장 -> 데이터 빼낼 때는 5-4-3-2-1 순으로 
• PUSH: 스택에 새로운 데이터 저장하는 명령어
• POP: 스택에 저장된 데이터를 꺼내는 명령어
  • 수행 -> 스택의 최상단에 있는(Last In), 마지막으로 저장한 데이터부터(First Out) 꺼냄

큐(queue)

• 양쪽이 뚫려 있는 통과 같은 저장 공간
• 한쪽으로는 데이터 저장, 다른 한쪽으로는 먼저 저장한 순서대로 데이터 빼냄
• FIFO(First In First Out, 피포) 자료구조 = 선입선출
  • 가장 먼저 저장된 데이터부터 빼내는 데이터 관리 방식

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출처

[한빛미디어] 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제