[컴퓨터 구조] 명령어(Instruction)[3] - 명령어 형식

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 명령어 형식 (Instruction Format)

명령어는 명령 코드와 피연산자로 이루어집니다.

 

명령어들은 이진수로 인코딩되기 때문에, 명령어의 각 부분을 숫자로 볼 수 있습니다.

 

다음 예제를 통해 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

😮‍💨 예제

아래 어셈블리 명령어의 RISC-V 언어 버전을 십진수와 이진수로 표현해 보도록 하겠습니다.

add x9, x20, x21

 

 

 

십진수 표현은 다음과 같습니다.

0

21

20

0

9

51

 

 

명령어의 각 부분을 필드(Field)라 부릅니다.

 

위에서 첫 번째, 네 번째, 여섯 번째 필드(0, 0, 51 부분)는 RISC-V 컴퓨터에게 이 명령어는 덧셈을 수행한다고 알려주는 부분입니다.

 

두 번째 필드는 덧셈에 사용할 두 번째 피연산자 레지스터의 번호( 21 = x21 ), 

 

세 번째 필드는 덧셈에 사용할 첫 번째 피연산자 레지스터의 번호( 20 = x20 ), 

 

다섯 번째 필드는 계산 결과가 저장될 레지스터의 번호( 9 = x9 )를 나타냅니다. 

 

 

 

 

 

이 명령어의 각 필드 값을 이진수로 표시하면 다음과 같습니다.

0000000

10101

10100

000

01001

0110011

 

 

 

위 예제에서 보인 레이아웃을 명령어 형식(instruction format)이라 합니다.

 

 

모든 RISC-V 명령어의 길이는 예외 없이 워드 길이인 32비트입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 RISC-V 명령어의 필드

RISC-V 명령어의 각 필드에는 다음과 같은 이름이 붙어있습니다.

funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

 

각 이름의 의미는 다음과 같습니다.

opcode (7 bits) : 명령어가 실행할 연산의 종류. 연산자라고 부릅니다.

rd (5 bits) : 목적지(destination) 레지스터. 연산 결과가 저장됩니다.

funct3 (3 bits) : 추가 opcode 필드입니다.

rs1 (5 bits) : 첫 번째 근원지(source) 피연산자 레지스터.

rs2 (5 bits) : 두 번째 근원지(source) 피연산자 레지스터.

funct7 (7 bits) : 추가 opcode 필드입니다.

 

 

 

위 형태보다 필드 길이가 더 길어야 하는 경우에는 문제가 생길 수 있습니다.

 

예를 들어 lw(load word) 명령어는 레지스터 필드 2개와, 상수 필드 하나가 필요합니다.

 

만약 위의 5비트 필드 중 하나를 상수를 저장하는데 쓴다면 $2^5 = 32$ 보다 작은 값만을 사용할 수 있습니다.

 

그러나 이는 너무 작은 수이므로 이보다 더 큰 필드를 원합니다.

 

 

 

이러한 문제들 때문에 모든 명령어의 길이를 같게 하고 싶은 생각과,

명령어 형식을 한 가지로 통일하고 싶은 생각 사이에서 충돌이 생깁니다.

 

 

RISC-V 설계자들이 택한 절충안은 모든 명령어의 길이를 같게(32bit ) 하되, 명령어 종류에 따라 형식은 다르게 하는 것이었습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 Instruction Format 종류

Instrction Format의 종류로는 R-format, I-format, S-format 등등이 있습니다.

 

우선 위 3가지 종류를 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

⭐️ R - format

funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

⭐️ I - format

immediate[11 : 0]		rs1	funct3	rd	opcode
12 bits		5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

⭐️ S- format

immediate [11 : 5]	rs2	rs1	funct3	immediate [4 : 0]	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

 

 

이제 각각의 형태에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ R - format

funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

R은 Register를 뜻합니다.

 

add, sub 등의 명령어가 해당 형식을 사용합니다.

 

 

opcode (7 bits) : 명령어가 실행할 연산의 종류. 연산자라고 부릅니다.

rd (5 bits) : 목적지(destination) 레지스터. 연산 결과가 저장됩니다.

funct3 (3 bits) : 추가 opcode 필드입니다.

rs1 (5 bits) : 첫 번째 근원지(source) 피연산자 레지스터.

rs2 (5 bits) : 두 번째 근원지(source) 피연산자 레지스터.

funct7 (7 bits) : 추가 opcode 필드입니다.

 

 

 

 

예시는 다음과 같습니다.

add x9 x20 x21

위 명령어는 아래와 같이 인코딩됩니다.

 

0	21	20	0	9	51
0000000	10101	10100	000	01001	0110011

 

$$0000 \;\; 0001\;\; 0101\;\; 1010\;\; 0000\;\; 0100\;\; 1011\;\; 0011_2 = 015A04B3_{16}$$ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ I - format

immediate[11 : 0]		rs1	funct3	rd	opcode
12 bits		5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

addi 처럼 상수 피연산자 하나를 갖는 산술 명령어, 혹은 적재 명령어에서 사용됩니다.

 

addi, lw, ld 등의 명령어가 해당 형식을 사용합니다.

 

rs1 (5 bits) : 첫 번째 근원지(source) 피연산자 레지스터 또는 베이스 (주소) 레지스터(base address register).

immediate (12 bits) : 상수 피연산자 또는 베이스 레지스터에 더해질 변위(offset).

 

 

 

 

 

예시는 다음과 같습니다.

 

addi x9, x9, 1

위 명령어는 아래와 같이 인코딩됩니다.

 

1	9	0	9	19
000000000001	10100	000	01001	0010011

 

 

 

 

 

ld x9, 64(x22)

위 명령어는 아래와 같이 인코딩됩니다.

 

64	22	3	9	3
000001000000	10110	011	01001	0000011

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ S- format

immediate [11 : 5]	rs2	rs1	funct3	immediate [4: 0]	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

S는 store를 뜻하며, 저장에 사용되는 형태입니다.

 

sw, sd 등의 명령어가 해당 형식을 사용합니다.

 

 

rs1 (5 bits) : base address register

rs2 (5 bits) : 저장할 값을 가진 근원지(source) 피연산자 레지스터.

immediate (7 + 5 bits) :  베이스 레지스터에 더해질 변위(offset)

 

 

 

immediate를 위와 같이 분리한 이유는 모든 명령어 형식에서 rs1과 rs2 필드의 위치를 같게 유지하기 위함입니다.

 

명령어 형식을 가능한 한 비슷하게 유지하는 것이 하드웨어 복잡도를 낮추어줍니다.

 

 

 

 

 

예시는 다음과 같습니다.

sd x9, 64(x22)

위 명령어는 아래와 같이 인코딩됩니다.

 

2	9	22	011	0	35
0000010	10100	10110	3	00000	0100011

 

 

 

 

 

 

명령어 형식은 opcode 필드의 값을 보면 알 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 정리

R - format

funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

 I - format

immediate[11 : 0]		rs1	funct3	rd	opcode
12 bits		5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

 

 S- format

immediate [11 : 5]	rs2	rs1	funct3	immediate [4 : 0]	opcode
7 bits	5 bits	5 bits	3 bits	5 bits	7 bits

 

위 3가지 형식이 이번에 살펴본 RISC-V 명령어 형식입니다.

 

R-형식 명령어는 근원지 레지스터 피연산자 2개와, 목적지 레지스터 피연산자 하나를 가지고 있습니다.

 

I-형식 명령어는 근원지 레지스터 피연산자 1개 대신, 12비트의 수치(immediate) 필드가 있습니다.

 

S-형식 명령어는 근원지 레지스터 피연산자 2개와, 12비트(7 + 5 비트)의 수치(immediate) 필드를 가지고 있습니다.