[컴퓨터 구조] 명령어

전공 수업 때, CS를 분명히 공부했음에도 실제로 어떻게 적용되며 어떻게 각 계층이 이어지는 것인지에 대해 유기적으로 이해하지 못했었다. 이번에 강의를 듣고 정리하는 과정을 통해 확실하게 내 지식으로 가져가보고자 한다 !

 

강의는 패스트캠퍼스의 '현실 세상의 컴퓨터공학 지식 with 30가지 시나리오' 를 수강했다.

https://fastcampus.co.kr/dev_online_newcomputer

현실 세상의 컴퓨터공학 지식 with 30가지 실무 시나리오 초격차 패키지 Online. | 패스트캠퍼스

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소스코드에서 명령어로

컴퓨터는 소스 코드(java, C/C++, ...) 를 곧장 이해할 수 있을까? -> 아니다 !

소스 코드는 실행되기 전 명령어(+데이터)로 변환되어서 실행된다. 

컴퓨터는 '명령어'를 이해한다.

 

• 소스 코드: 고급 언어, 사람이 이해하기 쉬운 언어
• 명령어와 데이터: 저급 언어, 컴퓨터가 이해하기 쉬운 언어

=> '고급 언어'로 작성된 소스 코드는 내부적으로 '저급 언어'로 구성된 명령어와 데이터로 변환되어 실행된다.

 

저급 언어의 두 종류

• 기계어 : 컴퓨터가 '직접' 이해하는 언어 (이진수)
• 어셈블리어 : 기계어 -> 사람이 이해하기 조금 더 쉬운 언어

=> CPU, 소프트웨어 등에 따라서 기계어, 어셈블리어가 달라질 수 있다.

기계어, 어셈블리어

 

기계어 -> 어셈블리어 변환

 

고급 언어에서 저급 언어로 변환되는 대표적 방식

 

고급언어를 저급언어로 변환하는 방식 2가지

• 컴파일
  • 소스 코드 전체가 컴파일러에 의해 검사, 목적 코드로 변환
  • C/C++, Rust
  • 컴파일러 종류 : gcc, clang, Visual Studio, ...

컴파일 방식

• 인터프리트
  • 소스 코드 한 줄씩 인터프리터에 의해 검사, 목적 코드로 변환
  • Python, JavaScript

=> 컴파일/ 인터프리트 성능 비교 : 컴파일 된 상황이라면 컴파일 방식이 더 빠르다. 인터프리터는 한 줄씩 검사하고 변환하기 때문이다. 그래서 n번째 줄에 이상이 생기면, n-1번까지는 실행된다.

 

=> 소스 코드가 저급 언어로 변환되는 대표적인 방식일 뿐 컴파일 방식과 인터프리트 방식은 칼로 자르듯 구분되는 개념은 아니다. 컴파일 언어의 특성과 인터프리트 언어의 특성을 모두 갖춘 언어(ex. java) 도 있다.

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명령어의 구조

명령어

명령어란?

 

명령어는 크게 명령의 대상, 명령의 동작으로 이루어져 있다.

 

연산코드와 오퍼랜드

 

실제 어셈블리어를 보면 연산 코드 + 오퍼랜드로 구성되어 있다.

즉 명령어는 '오퍼랜드로 연산 코드를 수행하라' 는 구조로 이뤄져 있다.

• 오퍼랜드(operand) : 명령어를 수행할 대상
  • 대상(데이터)이 직접 명시되기도 하고, 대상의 위치(레지스터 이름, 메모리 주소)가 명시되기도 함
• 연산 코드(op-code) : 오퍼랜드로 수행할 동작

위의 이미지에서 알 수 있듯, 오퍼랜드의 갯수는 유동적이다. 

오퍼랜드가 많아질 경우, 명령어가 두 줄 이상으로 처리될 수도 있다.

대표적인 연산 코드

CPU에 따라 명령어가 달라지지만, 위의 연산 코드는 공통적으로 쓰인다.

 

• CALL/ RETURN : 함수 호출/ 반환 시에 사용된다. 특정 주소에 있는 함수를 호출할 때 CALL, 함수 실행 끝났으면 RETURN 해서 다시 원래의 주소로 돌아간다.

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주소 지정

주소 지정이란? 연산 코드의 대상이 되는 데이터를 어떻게 찾을 것인지에 대한 것이다. 즉 오퍼랜드에 '주소'가 담겼을 경우에 대한 내용이다.

 

왜 데이터를 직접 명시하지 않고 위치를 명시하는 것일까?

• 명령어의 길이가 한정되어 있기 때문이다.

오퍼랜드에 큰 데이터를 담을 수 없다.

 

 

주소 지정에 대해 알아보기 앞서, 알아야할 용어 두 개가 있다. 유효 주소와 주소 지정이다. 

 

유효 주소

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

주소 지정

• 유효 주소를 찾는 방법
• CPU 마다 차이가 있다.

이제 주소 지정 방식에 대해 알아보자

1. 즉시 주소 지정
2. 직접 주소 지정
3. 간접 주소 지정
4. 레지스터 주소 지정
5. 레지스터 간접 주소 지정

즉시 주소 지정

• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
• 가장 빠른 주소 지정 + 데이터 크기에 제한

 

직접 주소 지정

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소(연산에 사용될 데이터가 저장된 메모리 주소) 명시
• 오퍼랜드 필드로 표현 가능한 메모리 주소 크기에 제한 -> 한번 메모리에 접근한다. 메모리 주소 크기가 크기 때문에 할당된 메모리 주소로 주소를 다 나타낼 수 없는 문제가 있다. (그래서 간접 주소 지정 등장)
• CPU가 메모리에 접근하는 속도는 CPU가 레지스터에 접근하는 속도보다 매우 느리다. 그렇기 때문에 레지스터로 처리할 수 있는 것은 레지스터에서 처리하는 것이 좋다.

간접 주소 지정

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소 명시
• 유효 주소 크기에 제한은 없으나, 속도가 비교적 느림 -> 메모리에 '두 번' 접근하기 때문에 느림

 

레지스터 주소 지정

• 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
• 레지스터 접근은 메모리보다 빠르다. ( 레지스터는 CPU 내에 있기 때문이다.)

레지스터 간접 주소 지정

• 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시
• 메모리 접근은 한 번 (레지스터 -> 메모리로 조회하기 때문)