[CS/컴퓨터구조] 3. 명령어

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안녕하세요. 해당 포스트는 강민철 저자님의 '혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제'를 읽고 정리한 포스트입니다.

03-1. 소스 코드와 명령어

모든 소스 코드는 컴퓨터 내부에서 명령어로 변환됨!

고급 언어와 저급 언어

고급언어

JAVA, Python, C, C++ 같은 프로그래밍 언어
개발자(사람)를 위한 언어

저급언어

컴퓨터가 직접 이해하고 실행할 수 있는 언어
- 기계어 : 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 언어(16진수로 표현하기도 함)
- 어셈블리어 : 0과 1로 표현된 명령어(기계어)를 읽기 편한 형태로 번역한 언어

컴파일 언어와 인터프리터 언어

고급 언어가 저급 언어로 변환되는 방식

컴파일 방식
인터프리터 방식

컴파일 언어

컴파일 방식으로 작동하는 프로그래밍 언어
컴파일 언어로 작성된 소스 코드는 컴파일러에 의해 저급 언어로 변환(컴파일)되고, 컴파일의 결과로 저급 언어인 목적 코드가 생성됨
컴파일러가 소스 코드 내에서 오류를 하나라도 발견하면 해당 소스 코드는 컴파일에 실패함. 소스 코드를 통째로 컴파일함
대표적으로 C가 있음

인터프리터 언어

인터프리트 방식으로 작동하는 프로그래밍 언어
소스 코드를 한 줄씩 저급 언어로 변환(인터프리터)하여 실행함
한 줄씩 실행하기 때문에 소스 코드 전체를 저급 언어로 변환하는 시간을 기다릴 필요가 없음

✔️ 컴파일을 통해 나온 목적 코드는 컴퓨터가 이해하고 실행할 수 있는 저급 언어인 반면, 인터프리터 언어는 소스 코드 마지막에 이를 때까지 한 줄씩 저급 언어로 해석하며 실행하기 때문에 일반적으로 인터프리터 언어가 컴파일 언어보다 느림!

C언어의 컴파일 과정

전처리기(Preprocessor)

test.c → test.i
컴파일 전 처리할 작업들
외부에 선언된 다양한 소스 코드, 라이브러리 포함 (e.g. #include)
프로그래밍의 편의를 위해 작성된 매크로 변환 (e.g. #define)
컴파일할 영역 명시 (e.g. #if, #indef)

컴파일러(Compiler)

test.i → test.s
전처리가 완료되어도 여전히 소스 코드임!
전처리가 완료된 소스 코드를 저급 언어(어셈블리 언어)로 변환

어셈블러(Assembler)

test.s → test.o
어셈블리어를 기계어로 변환
목적 코드를 포함하는 목적 파일이 됨

링커(Linker)

test.o → test.exe
각기 다른 목적 코드를 하나의 실행 파일로 묶어주는 작업 -> 링킹(linking)

03-2. 명령어의 구조

연산 코드와 오퍼랜드

명령어는 연산 코드(operation code)와 오퍼랜드(operand)로 구성되어 있음

연산 코드가 담기는 영역을 연산 코드 필드, 오퍼랜드가 담기는 영역을 오퍼랜드 필드라고 함

연산 코드(=연산자)

명령어가 수행할 연산
연산 코드의 종류와 생김새는 CPU마다 다름
연산 코드 종류
- 데이터 전송
  - MOVE : 데이터를 옮겨라
  - STORE : 메모리에 저장하라
  - LOAD(FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
  - PUSH : 스택에 데이터를 저장하라
  - POP : 스택의 최상단 데이터를 가져와라
- 산술/논리 연산
  - ADD / SUBTRACT / MULTIPLY / DIVIDE : 덧셈 / 뺄셈 / 곱셈 / 나눗셈
  - INCREMENT / DECREMENT : 오퍼랜드에 1을 더하라 / 오퍼랜드에 1을 빼라
  - AND / OR / NOT : AND / OR / NOT 연산을 수행하라
  - COMPARE : 두 개의 숫자 또는 TRUE / FALSE 값을 비교하라
- 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

오퍼랜드(=피연산자)

연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치(이게 훨씬 더 많이 저장함!!)
주소 필드라고 부르기도 함
오퍼랜드가 하나도 없는 명령어(0-주소 명령어)가 있을 수도 있고 오퍼랜드가 n개인 명령어(n-주소 명령어)가 있을 수도 있음

주소 지정 방식

명령어의 오퍼랜드에 값을 직접 넣지 않고 메모리나 레지스터의 주소를 담는 이유? 명령어의 길이 때문!
유효 주소 : 연산 코드에 사용할 데이터가 저장된 위치

즉시 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식
데이터의 크기가 작아지는 단점이 있음
연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기 때문에 빠름

직접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
표현할 수 있는 오퍼랜드 필드의 길이가 연산 코드의 길이만큼 짧아져 표현할 수 있는 유효 주소에 제한이 생길 수 있음

간접 주소 지정 방식

유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시
직접 주소 지정 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위가 넓어졌지만 두 번의 메모리 접근이 필요하기 때문에 느린 방식임 (CPU가 메모리 접근을 최소화하는 것이 속도면에서는 무조건 좋음!)

레지스터 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시

레지스터 간접 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고 그 주소(유효 주소)를 지정한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방법

스택과 큐

스택(stack)

한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 공간
메모리에 위치해있음
나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식(LIFO, Last In First Out, '리포')

큐(queue)

양쪽이 뚫려 있는 통과 같은 저장 공간
선입선출(FIFO, First In First Out, '피포')