Ch 2. Instructions: Language of the Computer -(3)

1. Introduction to Instruction Set Architecture

- Addressing modes

• operand가 메모리나 레지스터에 있는 장소를 지정하는 다양한 방법
• Advantages
  • 프로그래밍 다양성
    • pointers to memory
    • counters for loop control
    • indexing of data
  • addressing field의 비트 수 감소
• Effective Address(E.A.)
  • Actual address of the location containing the referenced operand
  • Ex) [In ARM] LDR(Load Register: 메모리값을 레지스터로 복사) r1, [r2, #20]
    • 
    • Effective Address: 120
    • #: 값 자체, 날 것 그대로의 데이터
  • Ex) [In MIPS] lw(load word) $t1, 1000($s1)
    • 
    • Effective Address: 1100
    • $: register

Type

1. Implied addressing mode

• No explicit address
• 명령어 실행에 필요한 operand를 지정하지 않아도 묵시적으로 수행하는 방식
• Ex) PUSH A, ADD A, RTS

2. Immediate addressing mode(즉시 주소 지정 방식)

• Operand field contains the actual operand value
• operand에 연산에 필요한 숫자 데이터를 직접 넣어주는 방식
• instruction이 데이터(operand)를 직접 포함하고 있어 명령어의 실행이 바로 이루어지는 방법
• 장점: 빠르다
• 단점: 수의 크기에 제한
• ex) [In ARM] ADD r3, r3, #4
  • r3←r3+4
• ex) [In MIPS] addi $s1, $s2, 4
  • s1←s2+4
  • addi(immediate address): address랑 다름

3. Register addressing mode

• Selected Register contains the operand
• address part는 memory가 아닌 Register를 Point
• operands는 register에 위치
• E.A. = Selected Register
• 장점: 명령어의 주소필드가 작아도 됨. 메모리 접근x. 매우 빠르다
• 단점: register 개수 제한
• Ex) [In ARM] ADD r0, r1, r2 (r0←r1+r2)
  • r1, r2 register안에 operand가 포함

4. Register Indirect addressing mode

• Selected Register contains the address of operands
• address part는 Register를 Point
• Register는 메모리의 operand의 주소값을 가짐
• E.A. = Contents of Selected Register
• 장점: 넓은 주소 공간, 한번의 메모리 접근
• Ex) MOVE.W (A1), D1
  • IF) A1(address): 1000
    Memory에서 1000번지를 찾아 a value를 D1(Data)에 Load

5. Direct Addressing mode

• instruction의 address part는 Operand의 주소를 가짐
• operands는 memory에 위치
• E.A. = Address Field of Instruction
• 단점: 주소 공간 제한
• Ex) MOVE.W 10000, D1 , (or ADD A)
  • Memory에서 10000번지를 찾아 a value를 D1(Data)에 Load

6. Indirect Addressing mode

• Instruction의 address field는 Operand의 주소값(E.A.)을 가지는 곳의 주소를 가짐
• The Address field gives the address where the effective address is stored
• E.A. = Memory[Address Field of Instruction]
• Two Memory References (Slowest)
• 장점 : word길이가 n이면 2^n개의 주소 공간
• Ex) ADD (1000) , (or ADD (A))
  • Memory에서 1000번지 주소로 감, 주소값이 들어있다면 다시 2000번지로 이동
    2000번지 value를 add

7. (PC) Relative Address mode

• PC(Program Counter): 다음에 실행될 instruction의 주소를 포함
• Value in PC is added to the address part of instruction to obtain the effective address (branch type instructions)
• E.A. = PC + Offset in Address Field of Instruction(Operands)
• [In MIPS]
  

   100         bne $s0, $s1, Exit // Code:Exit
   104         add . . .<br/>
   108         sub . . .<br/>
   112         lw  . . .<br/>
   116   Exit: . . . // Label:Exit
  

  • bne: Branch(jump) (if)Not Equal → if($s0≠$s1) Exit // beq(Branch (if)E Qual)
  • PC ←104 // bne instruction이 실행될 때 PC는 다음 실행될 instruction의 주소를 가짐
  • Exit(Label)’s address: 116
  • E.A. = (PC) + Exit = 104 + 3*4 = 116
    • Exit = 3 으로 Translate // Exit(Label)과 PC가 포인터하는 곳 사이에 3개의 instruction
• 
  

      slt $t0, $s0, $s1 #t0 = 1 if $s0 < $s1
      beq $t0, $zero, Less
      add $s2, $s0, $s1
      j Exit
  Less: sub $s2, $s0, $s1
  Exit:
  

  Convert to machine code
  

  000000 10001 10010 01000 00000 101010 /* slt
  000100 01000 00000 00000 00000 000010 /* beq
  000000 .............................. /* add
  000010 .............................. /* j
  000000 .............................. /* sub
  

  Less = 2
  PC = 208
  Address of next instruction = PC + 2*4 = 216
  

Memory Structure of ARM and MIPS

• Main Memory(random access memory)
  • 일차원 배열
  • 주소는 배열의 index , 주소를 통해 메모리에 access
• 1 byte 단위마다 메모리 주소를 가짐(bit X)
• 1 word = 4 bytes access
  • ARM, MIPS: 32bits -> 4 bytes
    • 2^32 bytes = 2^30 words(bytes/4) 주소를 표현
  • A[i] = A+i*4 byte address * word0의 대표주소: 0 , word1의 대표주소: 4

8. Base Register Addressing mode

• lw instruction에서 사용하는 address mode
• E.A. = Base Register + Offset in the Address Field of Instruction
  • offset: 얼마나 떨어져 있는가
• [In MIPS]
  

  lw $t1, 1000($s1)
  E.A. = (s1) + 1000
  

  memory에서 processor로 값을 load(word size)
  processor안의 t1 register에 저장
  메모리 주소값 계산: processor의 s1 register안에 있는 값+1000

• [In ARM]
  

  LDR r5, [r3, #32]
  E.A. = (r3) + 32
  

---

Direct vs. Indirect

Indirect

• 장점: address field can be extended to word length
  word길이가 n이면 2^n개의 주소 공간을 가진다.
• 단점: slower

Direct vs. Register

Register

• faster / cpu안에 register가 있어 메모리로 갈 필요가 없음
  

Direct

• addressing space of memory is larger than register / cpu 안의 register는 다소 제한