Structure
컴퓨터 구조와 운영체제
명령어 - 명령어의 구조
연산 코드와 오퍼랜드
컴퓨터 속 명령어는 무엇을 대상으로, 어떤 작동을 수행하라는 구조로 되어 있다.
아래 그림에서 색이 있는 필드는 명령의 작동, 즉 연산을 담고 있고, 나머지 필드는 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 담고 있다.
명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.
명령어가 수행할 연산을 연산 코드(또는 연산자) 라 하고, 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 오퍼랜드(또는 피연산자) 라고 한다.
연산 코드가 담기는 영역을 연산 코드 필드라고 부르고, 오퍼랜드가 담기는 영역을 오퍼랜드 필드라고 한다.
참고로 기계어와 어셈블리어도 명령어이기 때문에 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있다.
오퍼랜드
오퍼랜드는 연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 의미한다.
하지만 실질적으로 연산에 사용할 데이터를 직접 명시하기보다는, 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치, 즉 메모리 주소나 레지스터 이름이 담긴다. 그래서 오퍼랜드 필드를 주소 필드라고 부르기도 한다.
오퍼랜드는 명령어 안에 0개 이상 있을 수 있으며 아래 그림과 같이 개수에 따라 명령어 이름을 다르게 부르기도 한다.
연산 코드
연산 코드는 명령어가 수행할 연산을 의미한다.
연산 코드 유형은 매우 많으며, CPU 마다 연산 코드의 종류와 생김새가 모두 다르다. 다음은 CPU가 공통으로 이해하는 대표적인 연산 코드의 종류이다.
데이터 전송
MOVE,STORE,PUSH,POP등
산술/논리 연산
ADD,INCREMENT,AND,OR등
제어 흐름 변경
JUMP,CALL,RETURN등
입출력 제어
READ,WRTIE,START_IO등
주소 지정 방식
위에서 오퍼랜드 필드에는 메모리나 레지스터의 주소를 담는 경우가 많다고 했는데, 굳이 왜 그런 것일까?
이는 명령어 길이 때문이다. 예를 들어
n비트로 구성되어 있는 명령어 중 연산 코드 필드가m비트인 경우, 오퍼랜드 필드의 크기는 오퍼랜드 필드 개수에 비례하여 작아진다.아래는 16비트 크기의 명령어 중 연산 코드 필드가 4비트인 2-주소 명령어이다.
이 경우 오퍼랜드 필드당 6비트 밖에 남지 않으므로 하나의 오퍼랜드 필드 당 2^6개 밖에 표현할 수 없다.
아래는 16비트 크기의 명령어 중 연산 코드 필드가 4비트인 3-주소 명령어이다.
이 경우 오퍼랜드 필드당 4비트 밖에 남지 않으므로 하나의 오퍼랜드 필드 당 2^4개 밖에 표현할 수 없다.
하지만 만약 오퍼랜드 필드 안에 메모리 주소가 담긴다면 표현할 수 있는 데이터의 크기는 하나의 메모리 주소에 저장할 수 있는 공간만큼 커질 수 있다.
예를 들어 한 주소에 16비트를 저장할 수 있는 메모리가 있을 때, 이 메모리 안에 데이터를 저장하고, 오퍼랜드 필드 안에 해당 메모리 주소를 명시한다면 표현 범위가
2^16이 된다.
마찬가지로 메모리 주소 대신 레지스터 이름을 명시할 때도 표현의 범위는 해당 레지스터가 저장할 수 있는 공간만큼 커진다.
연산 코드에 사용할 데이터가 저장된 위치, 즉 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치를 유효 주소라고 한다.
이렇게 오퍼랜드 필드에 데이터가 저장된 위치를 명시할 때 연산에 사용할 데이터 위치를 찾는 방법을 주소 지정 방식이라고 한다. 즉, 주소 지정 방식은 유효 주소를 찾는 방법이다.
대표적인 주소 지정 방식 5가지를 알아보자.
1. 즉시 주조 지정 방식
즉시 주조 지정 방식은 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식이다. 가장 간단하다.
표현할 수 있는 데이터의 크기가 작아지지만, 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기 때문에 다른 주소 지정 방식들보다 빠르다.
2. 직접 주소 지정 방식
직접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식이다.
표현할 수 있는 데이터의 크기는 위 방식보다 크지만, 여전히 유효 주소를 표현할 수 있는 범위가 연산 코드의 비트 수만큼 줄어들었다.
3. 간접 주소 지정 방식
간접 주소 지정 방식은 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식이다.
바로 위 방식보다 표현할 수 있는 유효 주소의 범위는 더 넓어졌지만, 두 번의 메모리 접근이 필요하기 때문에 일반적으로 느린 방식이다.
4. 레지스터 주소 지정 방식
레지스터 주소 지정 방식은 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 연산에 사용할 데이터를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방식이다.
일반적으로 메모리에 접근하는 속도보다 CPU 내부에 있는 레지스터에 접근하는 것이 더 빠르기 때문에 이 방식은 빠르게 데이터에 접근할 수 있다.
다만 직접 주소 지정 방식과 비슷하게 표현할 수 있는 레지스터 크기에 제한이 생길 수 있다는 단점이 있다.
5. 레지스터 간접 주소 지정 방식
레지스터 간접 주소 지정 방식은 연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소(유효 주소)를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시하는 방식이다.
유효 주소를 찾는 과정은 간접 주소 지정 방식과 비슷하지만, 메모리에 접근하는 횟수가 한 번인 것이 차이이자 장점이다.
메모리 접근보다 레지스터에 접근하는 것이 더 빠르기 때문에 이 방식은 간접 주소 지정 방식보다 빠르다.
정리
연산에 사용할 데이터를 찾는 방법을 주소 지정 방식이라고 하며, 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 유효 주소라고 한다.
대표적인 주소 지정 방식은 다음과 같다. (방식 : 오퍼랜드 필드에 명시하는 값)
즉시 주조 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
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