Instructions: Computer 의 언어

• Pentium(인텔에서 만든 PC용 마이크로프로세서의 상표명)
• M1 Chip
• MIPS
• ARM

이런 칩들마다 각기 다른 언어를 가짐

1. Introduction to Instruction Set ArchitecturePermalink

- BasicsPermalink

Machine Instruction (macro instruction)Permalink

• native language of processor
• 컴퓨터한테 특정한 operation을 하라고 얘기하는 group of bits (명령)
• Program: A finite sequence of instructions
• IF) C(컴파일러) -> instruction의 집합(Memory) -> 실행(CPU) -> 결과저장(Memory)

RegistersPermalink

• CPU 안에 존재
• 필요한 data와 instruction을 메모리에서 가져와서 보관하는 일시적 보관소 (In CPU)
  • cpu는 단독으로 먼가 일을 할 수 없고 메모리에서 instruction과 data를 가져다 씀
  • instruction과 instruction을 실행하기 위한 data
• 장점: Main Memory(RAM)보다 빠름
  • register는 CPU안에 존재하기 때문에 access가 빠름
• 단점: 비쌈
  • 메모리도 많이 필요하기 때문에 cpu안에 많이 집어넣진 못함 -> register로 모든 메모리 기능을 대체X
• Types of Register
  • General purpose register: 어떤 목적이든지 사용 가능
  • Special purpose register
    • PC(Program Counter): 다음 실행될 instruction 주소를 기록
      • instruction이 꼭 순서대로 실행X
      • EX) if문의 경우, false일 경우 다음 instruction을 뛰어넘고 그 다음 instruction을 실행
    • AC(Accumulator): 계산결과를 잠시 보관(축적)
      • ALU(Arithmetic Logic Unit): 사칙연산, 논리연산을 수행할 수 있는 unit(In CPU)
        
    • IR(Instruction Register): 메모리부터 가져온(fetch) instruction을 보관
    • Not accessible to programmers(Assembly language)

Instruction Set ArchitecturePermalink

• 프로그래머(Assembly language)가 프로세서(CPU)를 보는 관점
• 어플리케이션을 사용하지 않고, 프로세서와 상호작용하기 위해 필요한 정보

• 프로세서가 어떻게 디자인되고 구현되는지 디테일 필요x (-> 4장)

• ISA includes:
  • Processor’s instruction set
    • 어떠한 instruction이 있는지
    • the set of assembly language instructions
  • Programmer accessible register within processor
    • 프로그래머가 사용할 수 잇는 register가 어떤 것들이 있는지
    • Size of each programmer-accessible registers (개수)
    • 어떤 instruction이 어떤 register을 access 할 수 있는지
  • Information necessary to interact with memory
    • Memory alignment: 메모리의 구조, 주소 체계
  • How processor reacts to interrupt from the programming view point
    • interrupt -> I/O

ExcercisePermalink

same Instruction Set Architecture (I3, I5, I7)

• A에서 돌아가는 프로그램은 B에서도 돌아간다
• 두 마이크로프로세서 내부의 모든 registers는 같다.
• performance와 design은 다르다

Levels of Programming LanguagesPermalink

High Level Languages

• 인간에게 더 가까운 (C, Python)
• Machine independent (어떤 Machine이라도 관계없음 -> complier가 machine에 따라 번역)

Assembly Languages

• Machine Languge를 기호화시킨것 (mnemonic)
• 각각의 프로세서는 고유의 assembly language를 가짐(Machine language가 다르기 때문)
• Assembly Languages 한줄(instruction)은 machine language 한줄(instruction)과 대응
• 프로세서 안에 있는 components (register) 에 저장된 데이터를 직접 조종가능

Machine Languages: Instruction(Language of machine)

• 프로세서에 Binary code(0/1)을 전달해야 특정한 operation을 수행
• native language of processor
• Machine dependent
• 프로세서는 논리회로로 구성

CompilingPermalink

Same High-Level Language -> Run on different processors
Ex)

• Compiler for PC: gcc -> Pentium object code
  • Other Pentium object files + Pentium object code -> Pentium linker
  • -> Pentium Executable file(Machine Language) -> Pentium PC
• Compiler for SPARC -> SPARC object code
  • Other SPARC object files + SPARC object code -> SPARC linker
  • -> SPARC Executable file(Machine Language) -> SPARC workstation
• Compiler for microprocessor X
  • ..

AssemblingPermalink

Ex)
Assembly Language Program for Pentium(source code): not same

• Pentium Assembler -> Pentium Object code
  • Other Pentium Object files + Pentium Object code -> Pentium linker
  • -> Pentium Executable file(Machine Language) -> Pentium PC

Assembly Language Program for SPARC(source code)

• SPARC Assembler -> SPARC Object code
  • Other SPARC Object files + SPARC Object code -> SPARC linker
  • -> SPARC Executable file(Machine Language) -> SPARC Workstation

Instruction FormatPermalink

• Assembly Language -> (convert) -> Machine code (0/1) : Specific format
• Instruction length: 8, 16, 32(MIPS), 64bits… (word size 기준)
  • fixed size: 요즘엔 32, 64bits으로 충분
  • variable size: word가 부족해서 붙여서 사용
• Typical instructions consist:
  • Opcode: operation(+, -, ×, ÷)
    • opcode: k bits, 2^k instructions(+, -,… if) 3bits -> 8개의 operation 사용가능)
  • Operands: 데이터의 위치, 데이터를 표시하는 방법
    • Operand의 개수
    • operand 표시방법
    • address part: m bits, 2^m different memory locations access