[컴퓨터 구조] 명령어의 구조와 주소 지정 방식

이 글은 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 (저자 : 강민철)의 책과 유튜브 영상을 참고하여 개인적으로 정리하는 글임을 알립니다.

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연산 코드와 오퍼랜드

 

명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.

• 연산 코드
• 오퍼랜드

위 그림의 색으로 칠해져 있는 필드 값, 즉 '명령어가 수행할 연산'을 연산 코드라 하고, 흰색 배경 필드 값, 즉 '연산에 사용할 데이터' 또는 '연산에 사용할 데이터가 저장된 위치'를 오퍼랜드라고 한다. 후자가 훨씬 더 많이 사용하므로 이를 주소 필드라고 부르기도 한다.

연산 코드는 연산자, 오퍼랜드는 피연산자라고도 부른다.

 

이를 간단한 그림으로 나타내면 아래와 같다.

• 명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.
• 연산 코드는 명령어가 수행할 연산이다.
• 오퍼랜드는 '연산에 사용할 데이터' 또는 '연산에 사용할 데이터가 저장된 위치'이다.
• '연산에 사용할 데이터가 저장된 위치'가 훨씬 많이 쓰이므로 주소 필드라고 하기도 한다.

 

오퍼랜드

오퍼랜드 필드에는 숫자나 문자와 같이 연산에 사용할 데이터를 직접 명시하기보다는, 많은 경우 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치, 즉 메모리 주소나 레지스터 이름이 담긴다. 그래서 오퍼랜드 필드를 주소 필드라고 부르기도 한다.

오퍼랜드는 명령어 안에 하나도 없을 수도 있고, 한 개만 있을 수도 있고, 한 개 이상일 수도 있다.

오퍼랜드가 하나도 없는 명령어를 0-주소 명령어,  오퍼랜드가 하나인 명령어를 1-주소 명령어, 두 개인 명령어를 2-주소 명령어, 세 개인 명령어를 3-주소 명령어라고 부른다.

 

연산 코드

연산 코드 종류는 매우 많지만, 가장 기본적인 연산 코드 유형은 아래의 4가지로 나눌 수 있다.

• 데이터 전송
• 산술/논리 연산
• 제어 흐름 변경
• 입출력 제어

 

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 / 나눗셈을 수행하라
• INCREAMENT / 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
• RETRUN : CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가라

CALL 과 RETURN은 함수를 호출하고 리턴하는 명령어이다.

 

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

 

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주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 숫자나 문자와 같이 연산에 필요한 데이터보다는 메모리나 레지스터의 주소를 담는 경우가 많다고 위에서 언급했었다.

그 이유는 가령 명령어의 크기가 16비트, 연산 코드 필드가 4비트인 2-주소 명령어에서는 오퍼랜드 필드당 6비트 정도밖에 남지 않는다.

즉, 하나의 오퍼랜드 필드로 표현할 수 있는 정보의 가짓수는 2⁶가지로 64개 밖에 되지 않는다.

하지만 여기서 오퍼랜드 필드 안에 메모리 주소가 담긴다면 표현할 수 있는 데이터의 크기는 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간만큼 커진다.

예를 들어 한 주소에 16비트를 저장할 수 있는 메모리가 있다고 가정하면, 이 메모리 안에 데이터를 저장하고, 오퍼랜드 필드 안에 해당 메모리 주소를 명시한다면 표현할 수 있는 정보의 가짓수가 2¹⁶가지로 확 커진다.

오퍼랜드 필드에 메모리 주소가 아닌 레지스터 이름을 명시할 때도 마찬가지이다. 이 경우 표현할 수 있는 정보의 가짓수는 해당 레지스터가 저장할 수 있는 공간만큼 커진다.

 

연산 코드에 사용할 데이터가 저장된 위치, 즉 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치를 유효 주소(effective address)라고 한다. 

오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법을 주소 지정 방식이라고 한다. 주소 지정 방식은 유효 주소를 찾는 방법이다.

주소 지정 방식은 아래와 같이 5가지가 있다.

• 즉시 주소 지정 방식
• 직접 주소 지정 방식
• 간접 주소 지정 방식
• 레지스터 주소 지정 방식
• 레지스터 간접 주소 지정 방식

 

즉시 주소 지정 방식

• 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
• 장점 : 데이터의 크기가 작아진다.
• 장점 : 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기에 빠름

 

직접 주소 지정 방식

• 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
• 데이터의 크기는 즉시 주소 지정 방식보다 더 커졌지만, 여전히 유효 주소를 표현할 수 있는 범위가 연산 코드의 비트 수만큼 줄어들음

 

간접 주소 지정 방식

• 직접 주소 지정 방식의 단점을 보안하기 위함
• 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시한다.
• 직접 주소 지정 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위가 넓다.
• 두 번의 메모리 접근이 필요하기에 느리다.

참고
CPU가 메모리에서 데이터를 찾는 속도는 매우 느리다.

 

레지스터 주소 지정 방식

• 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
• 특징이 모두 직접 주소 지정 방식과 비슷함
• 메모리보다 레지스터에서 데이터를 찾는 것이 훨씬 빠르므로 직접 주소 지정 방식보다 빠름

메모리와 레지스터
메모리는 CPU 밖에 있고, 레지스터는 CPU 내부에 있다.
따라서 CPU는 레지스터에 접근하는 속도가 훨씬 빠르다.

 

레지스터 간접 주소 지정 방식

• 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방법
• 유효 주소를 찾는 과정이 간접 주소 지정 방식과 비슷하지만, 메모리에 접근하는 횟수가 한 번으로 줄어든다는 차이가 있다.
• 레지스터 간접 주소 지정 방식은 간접 주소 지정 방식보다 빠르다.

 

정리하자면 아래와 같다.

유효 주소 : 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치

• 즉시 주소 지정 방식 : 연산에 사용할 데이터
• 직접 주소 지정 방식 : 유효 주소(메모리 주소)
• 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소의 주소
• 레지스터 주소 지정 방식 : 유효 주소(레지스터 이름)
• 레지스터 간접 주소 지정 방식 : 유효 주소를 저장한 레지스터