Instructions: Language of the Computer Part.1 - Computer Architecture

Instruction Set ( 명령어 집합 )

• 컴퓨터에서 사용되는 Instruction ( 명령, 작업 )의 레퍼토리(순서를 가진 목록)

• 다른 컴퓨터는 다른 instruction set을 가짐
• 하지만 대부분 공통된 특성을 가짐

• 초기 컴퓨터는 아주 단순한 instruction set을 가졌었음
• Simplefied implementation

• 복잡한 instruction set으로 고급화, 많은 함수를 제공
• Complex instructino sets (CISC)

• 많은 현대의 컴퓨터들도 단순한 instruction set을 가짐
• Reduced instruction sets(RISC)

The MIPS Instruction Set

• Stanford MIPS는 MIPS Technologies에 의해 상용화 되었다.

• 전형적인 현대의 ISA들과 비슷한 특성들을 공유

• embedded core 시장에서 높은 점유율
• 가전기기, 네트워크/저장장치, 카메라, 프린터 등에 사용됨
• 최근에는 ARM이라는 CPU에도 많이 씀

Arithmetic Operation

• 덧셈과 뺄셈 - 삼항연산
• 2개의 source와 하나의 destination

add a, b, c # a gets b + c

• 모든 산술 arithmetic operation은 위와 같은 형태를 지닌다.

Arithmetic Example

• c code

f = (g + h) - (i + j);

• Compiled MIPS code

add t0, g, h # temp t0 = g + h
add t1, i, j # temp t1 = i + j
sub f, t0, t1 # f = t0 - t1

Register Operands

• arithmetic instruction은 register operand를 사용한다.
• 레지스터를 연산처리기로 사용

• MIPS는 32개의 32-bit register file을 갖는다
• 자주 접근하는 데이터를 위한 고속의 저장소
• 0~31까지 번호로 매겨짐
• 32-bit 는 하나의 “word”

• Assembler names
• 임시 값 ( temporary values )
• $t0, $t1, …, $t9
• 저장된 변수 ( saved variables )
• $s0, $s1, …, $s7

Register Operand Example

• c code

f = (g + h) - (i + j)

• Compiled MIPS code

add $t0, $s1, $s2
add $t1, $s3, $s4
sub $s0, $t0, $t1

Memory Operands

• 메인 메모리는 복합 데이터를 다룬다.
• array, structures, dynamic data

• arithmetic operation을 위해서
• 메모리에서 레지스터로 값을 적재 (load)
• 연산 결과는 레지스터에서 다시 메모리로 가져옴 (store)

• 메모리는 byte단위로 접근함
• 주소 한 칸은 byte로 이루어짐

• word 단위로 메모리에 정렬됨
• 주소들은 4개의 배수. ( 1word = 4byte = 32bit )

• MIPS는 Big Endian이다.
• Most-significant Byte는 가장 작은 자리의 주소에 위치한다. ( byte단위로 거꾸로 들어간다 )
• Big Endian: 가장 왼쪽 byte가 word address이다.
• 뒤집어서 저장. 작은 곳에 큰 자릿수
• MIPS
• Little Endian: 가장 오른쪽 byte가 word address 이다.
• 그대로 저장. 작은 곳에 작은 자릿수
• RISC-V
• MSB (Most significant Bit): 가장 큰 자릿수의 비트. 가장 왼쪽의 비트
• LSB (Least Significant Bit): 가장 작은 자릿 수의 비트. 가장 오른쪽의 비트

Memory Operand Example 1

• c code

g = h + A[8]

• Compiled MIPS code
• index 8은 32(4*8 ← 0, 4, 8, 12, …, 32)의 offset을 필요로 함.
• word는 4byte

lw $t0, 32($s3) # load word (메모리($s3)에 담긴 주소(+32)를 이용하여 한 word만큼의 데이터를 $t0에 로드)
add $s1, $s2, $t0

Memory Operand Example 2

• c code

A[12] = h + A[8];

• Compiled MIPS code

lw $t0, 32($s3) # load word
add $t0, $s2, $t0
sw $t0, 48($s3) # store word

Registers vs Memory

• 메모리에 직접 접근하는 것보다 레지스터에 접근하는 것이 훨씬 빠름

• 메모리의 데이터를 레지스터에서 사용하기 위해 레지스터에 데이터를 불러오고 다시 메모리에 저장하는 방법을 사용한다.
• Load-Store Architecture

• 컴파일러는 가능한 변수들을 레지스터를 활용하여 처리해야 한다.
• 변수 처리를 위해 메모리에 접근하는 일을 최대한 줄이기
• 레지스터 최적화는 매우 중요하다.

즉각 연산

• instruction에 상수를 사용

addi $s3, $s3, 4

• immediate instruction에 뺄셈은 지원하지 않는다.

addi $s2, $s1, -1

The Constant Zero

• MIPS 레지스터의 0번 레지스터($zero)는 항상 0이다.
• 값을 변경할 수 없는 고정된 상수. 읽기만 가능

• 많은 작업에 유용하다. ex) 레지스터간의 이동

add $t2, $s1, $zero

Representing Instructions

• instructions는 binary로 인코딩된다.
• binary는 기계어로 불림

• MIPS instructions
• 32-bit의 word로 인코딩된다
• 적은 종류의 포맷(규칙)으로 되어 있다.
• Regularity

• 레지스터 번호
• $t0 ~ $t7 ⇒ 레지스터 번호 8 ~ 15
• $t8 ~ $t9 ⇒ 레지스터 번호 24 ~ 25
• $s0 ~ $s7 ⇒ 레지스터 번호 16 ~ 23

Unsigned Binary Integers

• n-bit 수들의 합으로 이루어짐

• 범위: 0 ~ 2^n - 1

• 32비트의 경우
• 0 부터 4,294,967,295
 

2s-Complement signed Integers

• n-bit 수들의 합으로 이루어짐 (MSB는 부호의 역할)

• 범위: -2^n-1 ~ 2^n-1

• 32비트의 경우
• -2,147,483,648 ~ 2,147,483,647
 

Signed Negation

비트의 확장

• 같은 수를 더 많은 비트를 이용하면서 표현

• MIPS에서의 instruction set
• addi: immediate value를 늘린다
• lb, lh: loaded byte/halfword를 늘린다
• beq, ben: displacement를 늘린다

• 부호 비트와 같은 값을 왼쪽으로 늘려주면 됨
• unsigned: 0

• Example: 8-bit에서 16-bit
• +2: 0000 0010 => 0000 0000 0000 0010
• –2: 1111 1110 => 1111 1111 1111 1110
 

MIPS-32 ISA

• Instruction 카테고리
• Computational
• Load/Store
• Jump and Branch
• Floating Point
• coprocessor
• Memory Management
• Special

R format

J format

MIPS Arithmetic Instructions

add $t0, $s1, $s2

• 각각의 세 개의 피연산자는 데이터 경로의 레지스터 파일을 정확히 지정한다.

Instruction format (R format)

MIPS Register File

• 32개의 32-bit 레지스터들을 갖는다. 이 레지스터 집합에는
• 2개의 read port (src1 addr, src2 addr)
• 1개의 write 포트 (dst addr)

• 32개의 레지스터 주소를 위한 것임으로, 각각 5비트만 담을 수 있어도 충분하다.

• 레지스터는 메인메모리보다 빠르다
• 하지만 구성되는 레지스터 수가 많을 수록 속도는 느리다.
• (e.g., 64개의 레지스터 집합이 32개의 레지스터 집합보다 50% 이상 느릴 수 있다)
• read/write 포트의 증가는 속도에 2차 함수적인 영향을 준다. (정비례가 아니라, ^2)

• 컴파일러가 쓰기에 더 용이하다
• e.g., (A*B) ~ (C*D) ~ (E*F) 어느 순서로든 연산할 수 있다. (스택에 비해)

• 변수를 저장할 수 있다
• 코드의 밀도를 향상시킨다. (레지스터는 메모리보다 적은 비트 수로 불리기 때문에(5bits<32bits))

Stored Program Computers

• instruction들은 binary로 표현된다. 마치 data처럼

• instruction들과 data들은 메모리에 적재(store)된다

• 프로그램들은 다른 프로그램 위에서 동작하기도 한다.
• e.g., 컴파일러, 링커, ...

• Binary compatibility(binary 일치성)은 컴파일된 프로그램들이 다른 컴퓨터에서도 작동하도록 해준다.
• Standardized ISAs (정규화된 ISA)
 

Logical Operations

• bit단위 조작을 위한 instruction

• word에서 비트그룹을 추출하거나 새로 집어넣는데 유용하다.

MIPS Shift Operations

• word에 있는 모든 비트를 왼쪽 / 오른쪽으로 shift

sll $t2, $s0, 8 # $t2 = $s0 << 8 bits
srl $t2, $s0, 8 # $t2 = $s0 >> 8 bits

• 빈 공간들은 0으로 채워진다.
• sign bit도 달라질 수 있다.

AND Operations

• word에서 비트마스킹에 용이하다
• 특정 비트들을 선택하고 나머지는 0으로 볼 때

OR Operations

• word에서 특정 부분의 비트를 포함시킬때 용이하다
• 나머지는 계승시키면서 특정 부분을 1로 만들 때

NOT Operations

• word의 비트들을 모두 반전시키고 싶을 때 유용
• 0은 1로, 1은 0으로

• MIPS는 NOR 3항 연산으로 구현한다.
• a NOR b는 NOT (a OR b)를 의미한다.

MIPS I-format Instructions

MIPS (RISC) Design Principles

1. Simplicity favors regularity. 규칙성을 이용하여 간결하게 만든다.
1. instruction size 고정
2. instruction format의 적은 수
3. opcode는 항상 처음의 6 bit

2. Smaller is faster. 작을 수록 빠르다.
1. 한정된 instruction set
2. 레지스터 파일에 한정된 레지스터 수

3. Make the common case fast. 일반적인 경우(자주 사용되는 경로)를 빠르게 해라.
1. register 파일로부터 계산되는 피연산자들을 가져옴
2. 즉각 연산이 가능한 피연산자를 instruction에 포함 가능

4. Good design demands good compromises. 좋은 설계는 좋은 타협을 필요로 한다.
1. 3개의 instruction format
 

MIPS Memory Access Instructions

• MIPS는 메모리에 접근하기 위한 두가지의 데이터 전달 instruction이 있다.
• lw, sw

• 5bit address를 사용해서 load, store가 가능하다.

Machine Language - Load Instruction

• Load/Store Instruction Format (I format)

Aside: Loading and Storing Bytes

• MIPS에서는 bytes를 옮기기 위해 특별한 instruction을 제공한다.

lb $t0, 1($s3) # load byte from memory
sb $t0, 6($s3) # store byte from memory

MIPS Immediate Instructions

• $zero가 아니어도 작은 상수값들은 보통 자주 쓰이기에 메모리에 넣어놓고 load해온다.

addi $sp, $sp, 4 # $sp = $sp + 4
slti $t0, $s2, 15 # $t0 = 1 if $s2 < 15 else $t0 = 0

큰 수는?

• load upper immediate instruction ( 상위 16비트에 )

lui $t0, 1010101010101010

• 아래의 비트를 ori 사용하여

ori $t0, $t0, 1010101010101010