2.4 명령어 세트

2.4 명령어 세트

어떤 한 CPU를 위해 정의되어 있는 명령어들의 집합

→ cpu 기능을 수행하기 위해 정의된 명령어의 집합 (cpu에 따라 종류와 수가 다름)

명령어 세트 설계를 위해 결정되어야 할 사항들

• 연산 종류
• 데이터 형태
• 명령어 형식
• 주소 지정 방식

 

연산의 종류

• 데이터 전송 : cpu는 한번에 1개의 명령어만 처리가능해서 레지스터-기억장치 이동
• 산술 연산 : + - * / 등의 기본적 산술연산들
• 논리 연산 : 데이터의 각 비트들 간의 대한 and or not xor 등
• 입출력 : cpu와 외부 장치들 간의 데이터 이동을 위한 동작
• 프로그램 제어 : 명령어 실행 순서를 변경하는 연산들 ex) 분기, 서브루틴

프로그램 제어

분기와 서브루틴이 존재

서브루틴

• 호출 명령어(CALL 명령어) : 현재의 pc내용을 스택에 저장, 서브루틴의 시작 주소로 분기하는 명령어
  1. MBR ← PC
  2. MAR ← SP , PC ← X
  3. M[MAR] ← MBR, SP ← SP-1
• 복귀 명령어(RET 명령어) : cpu가 원래 실행하던 프로그램으로 돌아가도록 하는 명령어.
  1. SP ← SP+1
  2. MAR ← SP
  3. PC ← M[MAR]

 

명령어 형식

명령어 내 필드들의 수와 배치 방식 및 각 필드의 비트 수

필드 : 명령어의 각 구성 요소들에 소요되는 비트들의 그룹

명령어의 구성요소 : 연산코드, 오퍼랜드, 다음 명령어 주소

• 연산 코드 필드 = 4비트 → $2^4 = 16$ 가지의 연산들 정의 가능
• 오퍼랜드 필드의 범위는 오퍼랜드의 종류에 따라 결정
  • 데이터, 기억장치 주소, 레지스터 번호(R)

**오퍼랜드 수의 따른 명령어 분류**

1-주소 명령어

ex) 16비트인 1주소 명령어, 주소지정 가능한 기억장치 용량 = 2^{11} = 2048 바이트

X = (A+B)\times(C-D) 프로그램의 길이 = 7

1. LOAD A = AC ← M[A]
2. ADD B = AC ← AC + M[B]
3. STOR T = M[T] ← AC
4. LOAD C = AC ← M[C]
5. SUB D = AC ← AC- M[D]
6. MUL T = AC ← AC * M[T]
7. SOTR X = M[X] ← AC

2-주소 명령어

ex) 레지스터의 수가 8개

$X = (A+B)\times(C-D)$ 프로그램의 길이 = 6

1. MOV R1,A = R1 ← M[A]
2. ADD R1,B = R1 ← M[B] + R1
3. MOV R2,C = R2 ← M[C]
4. SUB R2,D = R2 ← R2-M[D]
5. MUL R1,R2 = R1 ← R1*R2
6. MOV X,R1 = M[X] ← R1

3-주소 명령어

ex) 레지스터의 수가 16개

$X = (A+B)\times(C-D)$ 프로그램의 길이 = 3

1. ADD R1,A,B = R1 ← M[A] + M[B]
2. SUB R2,C,D = R2 ← M[C] - M[D] → R2
3. MUL X,R1,R2 = M[X] ← R[1]*R[2]

 

오퍼랜드의 수가 많으면 명령어의 개수는 ↓, 명령어의 길이는 ↑

단점

• 명령어 길이 증가
• 명령어 해독 과정이 복잡
• 기억장치 용량의 감소가 많지 않음

 

주소지정 방식

명령어 길이가 증가 → 오퍼랜드 필드 수, 필드의 비트 수가 증가, 하지만 명령어의 비트 수는 cpu가 처리하는 단어의 길이와 동일하게 제한

다양한 주소 지정방식 사용 시

제한된 수의 명령어 비트들을 이용하여 사용자에게 여러가지 방법으로 오퍼랜드를 지정, 더 큰 용량의 기억장치를 사용

기호

• EA : 유효 주소(데이터가 저장된 기억장치의 실제 주소)
• A : 명령어 내의 주소 필드 내용(오퍼랜드 필드 - 기억장치 주소)
• R : 명령어 내의 레지스터 번호(오퍼랜드 필드 - 레지스터 번호)
• (A) : 기억장치 A번지의 내용
• (R) : 레지스터 R의 내용

 

주소 지정 방식의 종류

• 직접 주소 지정 방식오퍼랜드 필드의 내용이 유효 주소가 되는 방식
  • 장점 - 데이터 인출을 위하여 한번의 기억장치 액세스
  • 단점 - 연산코드를 제외한 남은 비트들만 주소 비트로 사용, 기억장소의 수가 제한
• EA = A
• 간접 주소 지정 방식오퍼랜드 필드에 저장된 주소가 지시하는 기억장소에 데이터의 유효주소 저장
  • 장점 - 최대 기억장치 용량이 확장
  • 단점 - 실행사이클 동안 2번의 기억장치 액세스
  • 간접비트(I) 필요 - 1이면 간접, 0 이면 직접
• EA = (A)
• 묵시적 주소 지정 방식명령어 특성상 묵시적으로 데이터 저장 위치가 지정
  • 장점 - 짧음
  • 단점 - 종류가 제한
• 명령어 실행에 필요한 데이터의 위치 지정 X
• 즉시 주소 지정 방식
  • 장점 - 데이터 인출을 위한 기억장치 액세스 X
  • 단점 - 상수의 크기가 오퍼랜드 비트 수에 의해 제한
• 데이터가 명령어에 포함되어 있는 방식(오퍼랜드의 내용이 실제 데이터)
• 레지스터 주소 지정 방식연산에 사용될 데이터가 레지스터에 저장되어 있는 방식
  • 오퍼랜드 필드의 내용 = 레지스터 번호
  • 장점 - 오퍼랜드 필드의 비트 수가 적어도 됨, 기억장치 액세스 X
  • 단점 - 데이터 저장 공간이 cpu 내부 레지스터로 제한
• EA = R
• 레지스터 간접 주소 지정 방식레지스터 내용이 유효 주소 즉, 오퍼랜드 → 레지스터 → 기억장치
  • 장점 - 주소 지정 가능한 기억장치 영역 확장
    • ex) 레지스터의 길이 16비트 → $2^{16}$ = 64K바이트
• EA = (R)
• 변위 주소 지정 방식
  • 사용되는 레지스터에 따라 여러 종류의 변위 주소 지정 방식 정의
  • 상대 주소 지정 방식, 인덱스 주소 지정 방식, 베이스-레지스터 주소 지정 방식
  • 상대 주소 지정 방식
    • A는 2의 보수, A가 0보다 작으면 뒤로, 크거나 같으면 앞으로 분기
    • 장점 - 일반적인 분기 명령어보다 적은 수의 비트
    • 단점 - 분기 범위가 오퍼랜드 필드의 길이에 의해 제한
  • PC를 레지스터로 사용, 주로 분기 명령어에서 사용 → EA = A +(PC)
  • 인덱스 주소 지정 방식
    • 주요 용도- 배열 데이터 액세스
    • 자동 인덱싱
  • EA = A + (IR)
  • 베이스-레지스터 주소 지정 방식
    • (BR) : 기준이 되는 주소
    • BR = 베이스 레지스터
    • 세그멘테이션 구현 편리
      • BR의 값을 바꾸어 세그먼트의 시작점으로 이동 가능
    • 다중프로그래밍 환경에서 코드 및 데이터 이동 시
      • BR의 내용만 변경하므로 이동 가능.
    • Virtual Memory 세그멘테이션
      • 각각의 세그먼트라 칭함
      • BR을 세그먼트의 시작주소로 둠
      • 필요할 경우 BR의 값을 바꾸어 세그먼트 이동
  • EA = A + (BR)
• 직접 + 레지스터 간접 → EA = A + (R)

 

PDP 계열의 프로세서 명령어 형식

PDP-10 프로세서

• 고정 길이의 명령어 형식 사용
• 길이 : 36 비트
• 연산 코드 : 9 비트 → 최대 512종류의 연산 허용(실제 365개)

PDP-11 프로세서

• 다양한 길이의 명령어 형식들 사용 (13개)