Instructions: Language of the Computer - 1

• 프로그래밍 언어의 레벨

  • High-level code
    • 우리가 실제로 코딩하는 언어 c, c++, python 생산성, 휴대성 굿!
    • compiler에 의해 어셈블리어로 변환
  • Assembly code
    • 기계 코드의 사람이 읽을 수 있는 표현
    • assembler에 의해 머신 코드로 변환
  • Machine code
    • 이진수 형식으로 된 명령어

• 명령어 모음

  • 사칙연산, 논리 연산, 메모리로부터 로드, 메모리에 저장, 점프/가지치기, 예외처리, Floating point

• RISC-V ISA

  • 기본 명령어에 대한 이해, 어셈블리어로 표현된 코드, machine code의 이진수 표현
  • 명령어셋은 open ISA에 의해 UC버클리에서 개발됨
  • RISC-V시뮬레이터
    • Spike, RARS 시뮬레이터 등등이 있다.

• 레지스터 : CPU 내부의 작고 빠른 저장소

  • 실행중에 데이터를 갖고 있을 수 있다.

  • RISC-V(RV32I) ISA는 32개의 레지스터가 있으며 각 레지스터의 크기는 다음과 같다.

    • 32개의 레지스터가 모여있는 것을 레지스터 파일라고 부른다.
    • 각 레지스터는 고유한 번호(이름)이 있다. x0~x31
    • 레지스터는 32비트 = 4byte이고, 32비트의 값은 “Word”라고 불린다.

    

    • 1bit 사각형 하나의 크기 → 8bit = 1Byte → 16bit = 2Byte = Half word

    • 산술연산 예시

      

• 메모리 : 프로그램 데이터의 main 저장소

  • 레지스터에 전체 데이터를 담을 수 없다.
  • 메인 메모리에 있는 데이터를 산술연산하려면
    • 불러오기 : 메모리 → 레지스터
    • 계산 : source 레지스터 → destination 레지스터
    • 저장 : 레지스터 → 메모리
  • 메모리는 단위가 1Byte (8bit) → 각 주소가 1바이트

• 레지스터vs메모리

  • 레지스터는 메모리보다 훨씬 빠름
  • 메모리 내의 데이터를 직접 계산할 수 없다! (로드 - 계산 - 저장~~)

• 레지스터의 최적화

  • 좋은 컴파일러는 메모리 접근을 최소화 해야한다.
    • 레지스터만 사용하여 작업할수 있다면 메모리 접근을 피할수있다.
    • 데이터크기가 레지스터보다 큰 경우 컴파일러는 레지스터에 자주 액세스하는 데이터의 우선순위를 정하고 덜 자주 액세스하는 데이터를 메모리에 저장해야 한다.

• RISC-V 레지스터 사용처

  

  • x0 : 상수 0을 의미 → 0을 사용할 일이 있으면 무조건 x0가 사용됌(값을 덮어쓰기 불가능)
  • x1 ~ x32 : 32bit value → 각자 목적에 맞게 사용됌
    • t0~t6 는 임시변수에 사용됌
    • s1~s11은 선언된 변수에 사용됌
  • 질문! 연산에 레지스터를 계속 사용하다보면, 레지스터가 부족해지지 않을까요?
    • ㄴㄴ, 사용하지 않는 레지스터를 재사용하면 됌!
      • 그럼에도 다 사용하는 경우엔 메모리에 몇몇 레지스터 값을 저장해야함
        • 최대한 피하는 것이 좋다!

• Unsigned / Signed value

  • Unsigned : 양수만 존재함 → 0번째 0~2^n-1까지 표현가능(뒤에서 부터 0번째임)
  • Signed : n개의 비트 → 0~~~n-1까지 bit가 있다고 했을때, 최상위 bit의 값이 0이면 양수, 1이면 음수

    • 그렇다면 최상위 bit가 0이든 1이든 뒤에가 모두 0으로 되어있으면 둘다 0인데?

      다른방법 ㄱㄱ

      • 1의 보수(1’s complement)
        • 어떤 음수를 이진수로 표현했을때 1→0, 0→1로 바꿔준 수
          • 1의 보수로 계산하려면 다음과 같다.
            • 13-10 = 3 → -10 : - 1010(2진수) → 1의 보수표현 : 0101
              • 13 = 1101 + 0101 = 1 0010 최상위 비트1을 캐리라고 부르는데 최상위 비트가 1이면 최상위 비트를 떼서 최하위 비트에 더해준다. 0이면 최상위 비트를 버리고 결과값을 1의 보수 취해주고 앞에 -를 붙여준다.
                • 10-13 = -3 → 1010 - 1101 → 1001+0010 = 0 1100 ⇒ 0011 ⇒ -0011(-3)
      • 2의 보수(2’s complement)
        • 1의 보수에 1을 더한 수
          • 2의 보수로 계산하려면 다음과 같다.
            • 13-10 =3 → -10 : -1010(2진수) → 2의 보수표현 : 0110
              • 10을 이진수 → 1010(10) 뒤집고 +1 → 절댓값 같은 음수 표현 0110(-10)
              • 13 = 1101 + 0110 = 1 0011 최상위 비트가 1이면 캐리(1)를 2의 보수에선 버리고, 나머지 4비트에 해당하는 값 0011(3)이 정답이 된다. 0이면 최상위 비트를 버리고 결과값을 2의 보수 취해주고 앞에 -를 붙여준다.
                • 10-13 = -3 → 1010 - 1101 → 1010+0011 = 0 1101 ⇒ 0010 + 1 ⇒ -0011
          • -2^n-1 ~ +2^n-1 - 1을 나타낸다.(양수보다 1개 더 많게)
          • 0을 한개의 표현으로 나타낼수있다.
      • sign extension
        • sign bit를 복사해서 앞에 배치
        • 8비트 → 16비트
          • 2 : 0000 0010 → 0000 0000 0000 0010

• RISC-V의 명령어(어셈블리어)

  • 산술 연산(덧셈, 뺄셈)

    • add, sub : 총 3개의 피연산자가 있다. a,b,c
      • add a, b, c → b+c를 더해서 a에 저장해라 ! sub도 마찬가지 (b-c ⇒ a)
    • 예시

    

    • g + h → t0에 저장하고, i + j → t1에 저장해라 그리고 t0 - t1 → f에 저장해라!
    • addi : add immediate 상수를 더할 때 사용한다.
    • x0의 활용처

  • Load 연산

  • 곱셈 연산 Multiply

  • 나눗셈 연산 Division

  • 논리 연산

• Machine code