[컴퓨터 구조] 명령어(Instruction)[1] - RISC-V의 명령어 형태

 

 

 

 

 

🧐 명령어

컴퓨터의 하드웨어에게 일을 시키기 위해서는, 하드웨어가 알아들을 수 있는 언어로 명령을 해야 합니다.

컴퓨터 언어에서의 단어를 명령어(Instruction)라 칭합니다.

 

그리고 어떠한 CPU가 이해할 수 있는 명령어들을 모아놓은 것을 명령어 집합(Instruction set)이라 부릅니다.

 

ISA가 다른 컴퓨터들은, 모두 다른 명령어 집합을 가지고 있습니다.

 

그러나 모두 유사한 구조를 가지고 있기에, 하나를 배우면 다른 것들도 쉽게 익숙해질 수 있습니다.

 

앞으로 등장하는 모든 명령어 집합은 RISC-V 입니다.

 

 

 

 

 

 

 

✏️ 참고 : CISC와 RISC

CISC : Complex Instruction Set Computer
RISC : Reduced Instruction Set Computer

 

CISC는 명령어 구조가 복잡하기 때문에, 하나의 프로그램을 실행하기 위해 필요한 Instruction Count가 적다는 장점을 가집니다.

그러나 복잡한 만큼 명령어의 수가 많아지고, 하나의 명령어를 실행하는 데 필요한 Clock Cycle의 수가 많다는 단점을 가집니다.

 

RISC는 이와 반대로 간단한 명령어 구조를 가지므로, 프로그램을 실행하기 위해 필요한 Instruction Count가 많지만,

명령어의 수가 적어 복잡성이 감소하고, 하나의 명령어를 실행하는 데 필요한 Clock Cycle의 수가 적습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 RISC-V 명령어의 형태

명령어는 명령 코드(Operation Code 혹은 Opcode)와 피연산자(Operands)로 구성됩니다.

 

각각의 피연산자는 64비트 길이를 가지는데, 이는 8byte, 즉 1 (double) word 단위입니다.

 

 

피연산자로는 레지스터의 주소 혹은 메모리의 주소가 올 수 있으며,

현대 컴퓨터의 레지스터는 보통 32개의 레지스터를 가집니다.

(따라서 각각의 레지스터는 x0 ~ x31 의 주소를 가집니다.)

 

 

또한 RISC-V는 Byte Adresses(즉 주소를 바이트 단위로 처리)를 사용합니다.

 

(Double) Word 의 단위는 8 byte이며,

워드 주소는 워드를 구성하는 8바이트 주소 중 하나를 사용합니다.

 

따라서 연속된 워드의 주소는 8씩 차이가 나게됩니다.

RISC-V 의 실제 메모리 주소

 

즉 워드의 주소는 8($= 2^3$)의 배수이므로,

$2^{61}$ 개의 Memory 주소( 단위: (double) Word ) 를 가질 수 있습니다.

(4바이트(Word) 단위로 처리되는 경우 $2^{30}$ 개의 Memory Words를 가집니다.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 하드웨어 설계의 원칙

1. 간단하기 위해서는 규칙적인 것이 좋다

2. 작은 것이 더 빠르다

3. 자주 생기는 일을 빠르게 하라

4. 좋은 설계에는 적당한 절충이 필요하다

 

위는 하드웨어 설계의 4 원칙으로, 앞으로 계속 내용을 진행하는 도중 등장할 것이기에 미리 살펴보았습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 하드웨어 연산

기본적으로 모든 컴퓨터는 산술(Arithmetic) 연산을 할 수 있어야 합니다.

 

다음 RISC-V 어셈블리어는 두 변수 $b$ 와 $c$ 를 더해서 그 합을 $a$ 에 넣으라고 컴퓨터에 지시하는 코드입니다.

add a, b, c

 

 

RISC-V 산술 명령어는 반드시 한 종류의 연산만들 지시하며, 항상 3개의 변수를 갖는 형식을 엄격히 지킵니다.

 

 

👉 예시

예를 들어 다음 C 코드는

a = b + c;

 

다음과 같은 명령어로 변역됩니다.

add a, b, c # a gets b + c

 

 

 

다음 C 코드는

f = (g + h) - (i + j);

 

다음과 같은 명령어로 변역됩니다.

add t0, g, h; # temp t0 = g + h
add t1, i, j; # temp t1 = i + j
sub f, t0, t2; # temp f = t0 - t1

 

 

 

 

 

 

이렇게 모든 명령어가 피연산자를 반드시 3개씩 갖도록 제한하는 것은 하드웨어를 단순하게 하자는 원칙과 부합합니다.

피연산자의 개수가 가변적이면, 하드웨어의 복잡도가 증가합니다.

 

이러한 관점에서 하드웨어 설계의 4원칙 중 첫 번째를 도출할 수 있습니다.

1. 간단하기 위해서는 규칙적인 것이 좋다

 

 

 

 

 

 

다음 글에서는 명령어에 사용되는 피연산자(Operands)에 대해 알아보도록 하겠습니다.