[컴퓨터 구조] 명령어(Instruction)[2] - Operands(피연산자)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 피연산자 (Operands)

산술 명령어의 피연산자에는 제약이 있습니다.

레지스터(register)의 주소 혹은 상수만이 해당 위치에 올 수 있습니다.

 

 

RISC-V 컴퓨터는 32개의 레지스터를 가지고 있으며, 각각의 레지스터는 64비트를 저장할 수 있습니다.

(32비트 컴퓨터의 경우 레지스터는 32비트를 저장할 수 있습니다.)

 

각각의 레지스터는 x0 부터 x31 까지의 주소를 가집니다.

 

여기서 워드(Word)라는 단어가 등장하는데, 워드는 컴퓨터에서의 접근 단위이며, 레지스터의 크기에 해당합니다.

 

그러나 본래의 의미와는 다르게 일반적으로 Word라고 하면 32비트를 떠올리며,
64비트 컴퓨터에서는 Word가 64비트이지만 Word는 32비트라는 인식이 강하므로,
64비트를 나타내기 위해 Double Word라고 표현합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

👉 예시

프로그램 변수를 레지스터와 연관시키는 것은 컴파일러의 임무입니다.

 

다음 C 프로그램을 예시로 보면

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

위 코드에서 컴파일러가 변수 $f, \; g,\;  h,\;  i,\;  j$ 를 레지스터 x19, x20, x21, x22, x23 에 각각 할당했다고 하겠습니다.

 

컴파일된 RISC-V  코드는 다음과 같습니다.

add x5, x20, x21 // register x5 contains g + h
add x6, x22, x23 // register x6 contains i + j
sub x19, x5, x6 // f gets x5 - x6, which is (g + h) - (i + j)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 레지스터 주소 Convention

위 예시에서 임시 주소로 x5와 x6을 사용하였는데, 이는 다음과 같은 레지스터 주소 Convention에 따른 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 레지스터 개수의 제한

프로그래밍 언어에서 사용하는 변수와, 하드웨어 레지스터의 큰 차이점은 레지스터는 개수가 한정되어 있다는 것입니다.

현대 컴퓨터는 보통 32개의 레지스터를 가지고 있습니다.

 

따라서 산술 명령어의 모든 피연산자(Operands)는 32개의 64비트 레지스터 중 하나여야 한다는 제약이 추가됩니다.

 

레지스터 개수를 32개로 제한하는 이유는 하드웨어 기술의 바탕이 되는 설계 원칙 중 두 번째 원칙에서 찾을 수 있습니다.

2. 작은 것이 더 빠르다

 

레지스터가 많아지면, 전기 신호가 더 멀리까지 전달되어야 하므로 클럭 사이클 시간이 길어집니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 메모리 피연산자 (Memory Operands)

프로그래밍 언어에서는 지금까지 살펴본 예제들처럼 값을 하나만 기억하는 단순 변수 외에도,

배열(array)이나 구조체(structure)같은 복잡한 자료구조가 있습니다.

 

이런 복잡한 자료구조 하나에는 레지스터 개수보다 훨씬 많은 데이터 원소가 있을 수 있습니다.

 

이러한 자료구조들은 컴퓨터 내에서 어떻게 표현되고 사용되는지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

배열이나 구조체 같은 자료형은 메모리에 보관합니다.

 

위에서 살펴본 것과 같이 RISC-V의 산술 연산은 레지스터에서만 실행되므로, 메모리와 레지스터간의 데이터를 주고받은 명령어가 있어야 합니다.

 

이런 명령어를 데이터 전송(data transfer) 명령어라 부릅니다.

 

메모리에 저장된 데이터에 접근하려면, 명령어가 접근해야 할 메모리 주소를 지정하여야 합니다.

 

 

메모리는 주소가 인덱스 역할을 하는 1차원 배열이며, 주소는 0부터 시작합니다.

 

이때 RISC-V 는 바이트 주소를 사용하며, double word 단위로 메모리에 접근하므로,

주소는 double word의 바이트 수인 8의 배수입니다.

 

예를 들어 위 그림에서 세번째 데이터의 주소는 16이고, Memory[16]의 값은 10 입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐  적재 명령 : lw, ld

 

메모리에서 레지스터로 데이터를 가져와 저장하는 명령을 적재(load)라 합니다.

 

적재 명령은 연산자 이름, 메모리에서 읽어온 값을 저장할 레지스터, 메모리 접근에 사용할 상수와 레지스터로 구성됩니다.

 

접근할 메모리의 주소는 명령어의 상수 부분과 두 번째 레지스터값의 합으로 구해집니다.

 

RISC-V 에서 해당 명령어의 이름은 lw(load word) 혹은 ld(load double word) 입니다.

 

 

 

 

👉 예시

다음 C 코드에서, 

A는 원소가 100개인 (더블)워드 배열이고, 변수 g, h는 레지스터 x20, x21에 할당되었다고 가정하겠습니다.

 

또 배열 A의 시작 주소(base address)가 x22에 기억되었다고 할 때, 다음 C 코드를 컴파일해보세요 :)

g = h + A[8];

 

 

 

답

이 치환문에는 연산이 하나밖에 없지만, 피연산자 중 하나가 메모리에 있으므로 먼저 A[8]을 레지스터로 옮긴 후 연산을 시작해야 합니다.

 

이 배열 원소의 주소는 레지스터 x22에 있는 배열의 시작 주소에, 8번째 위치에 해당하는 주소,

즉 double word 를 사용하므로 $8 \times 8 = 64$ 를 더한 값입니다.

 

ld x9 64(x22) // Temporary reg x9 gets A[8]
add x20 x21 x9 // g = h + A[8]

 

 

 

 

 

⭐️  Offset(변위)과 Base Register(베이스 레지스터)

데이터 전송 명령어의 상수 부분(위의 예시에서는 64)을 변위(offset)라 하고, 

주소 계산을 위해 여기에 더해지는 레지스터(위의 예시에서는 x22)를 베이스 레지스터(base register)라고 합니다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 저장 명령 : sw, sd

적재 명령어와 반대로 레지스터의 내용을 메모리에 복사하는 명령을 저장(store)이라 합니다.

 

저장 명령의 생김새는 적재와 같습니다.

 

즉 다음으로 구성되어 있습니다.

연산자 이름

저장할 데이터를 갖고 있는 레지스터

베이스 레지스터

배열의 인덱스를 나타낼 변위(offset)

 

적재와 마찬가지로 메모리 주소의 일부는 상수 형태로 명령어에 포함되어 있고, 일부는 레지스터에 기억되어 있습니다.

RISC-V 에서 이 명령어의 실제 이름은 sw(store word)또는 sd(store double word)입니다.

 

 

 

 

 

 

👉 예시

다음 C 코드에서, 

A는 원소가 100개인 워드 배열이고, 변수 h는 레지스터 x21에 할당되었다고 가정하겠습니다.

 

또 배열 A의 시작 주소(base address)가 x22에 기억되었다고 할 때, 다음 C 코드를 컴파일해보세요 :)

A[12] = h + A[8];

 

 

 

 

답

ld x9, 64(x22) // Temporary reg x9 gets A[8]
add x9, x21, x9 // reg x9 gets h + A[8]
sd x9, 96(x22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 스필링 (Spilling)

컴퓨터가 갖고 있는 레지스터보다, 프로그램에 사용되는 변수가 더 많은 경우가 많이 있습니다.

 

이를 위해 컴파일러는 자주 사용되는 변수를 가능한 많이 레지스터에 저장하고, 나머지 변수는 메모리에 저장했다가 필요할 때 꺼내서 레지스터에 넣습니다.

 

지주 사용하지 않는 변수를 메모리에 넣는 것을 레지스터를 스필링(spilling) 한다고 표현합니다.

 

레지스터는 메모리보다 접근하기 빠르며, 사용하기도 편리합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 상수 피연산자(Immediate Operands)

 

프로그램의 연산에서 상수를 사용하는 경우가 많습니다.

 

상수는 프로그램이 적재될 때 메모리에 저장되므로,

지금까지 배운 명령어만으로 상수를 사용하기 위해서는 메모리에서 상수를 읽어와야 합니다.

 

예를 들어 레지스터 x22에 상수 4를 더하는 코드는 다음과 같습니다.

ld x9, AddConstant4(x3) // x9 = constant 4
add x22, x22, x9

 

여기서 x3 + AddConstant4 는 상수 4가 저장되어 있는 메모리 주소라 가정하겠습니다.

 

 

 

위처럼 메모리에서 상수를 가져오게 된다면 성능이 느려질 것이므로

적재 명령을 사용하지 않고 상수 연산을 제공하기 위해

피연산자 중 하나가 상수인 산술 연산 명령어를 제공합니다.

 

 

이 상수를 수치(immediate) 피연산자라 부릅니다.

수치 피연산자를 갖는 덧셈 명령어를 addi(add immediate)라 부릅니다.

 

 

 

예시로 레지스터 x22에 4를 더하기 위해서는 다음과 같이 사용합니다.

addi x22, x22, 4