기술노트 블로그

들어가며

레지스터는 CPU 내부의 작은 임시저장장치

프로그램 속 명령어 & 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장

CPU 내부에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 역할을 가진다

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소(메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소) - Instruction Pointer (명령어 포인터) 라고 부르는 CPU도 있다.

2. 명령어 레지스터 : 해석할 명령어 (방금 메모리에서 읽어 들일 명령어) - 제어장치가 해석

3. 메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소를 저장 - CPU가 읽어 들이고자 하는 주소를 주소 버스로 보낼 때 거치는 레지스터

4. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값 (데이터와 명령어) - CPU가 정보를 데이터 버스로 주고받을 때 거치는 레지스터

5. 플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보

6. 범용 레지스터 : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용

7. 스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터로서 스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시

8. 베이스 레지스터 : 기준 주소 저장

* 스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

* 변위 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻기

* 상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소 얻기

* 베이스 레지스터 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻기

1~4번 순서

* 프로그램 카운터가 1 증가하는 것은 프로그램을 순차적으로 실행할 수 있는 원리가 됩니다.

순차적으로 실행 흐름이 끊기는 경우 발생시 다음과 같이 해결합니다.

1) 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어 실행 시 

(e.g. JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET)

2) 인터럽트 발생 시 

3) ETC...

ALU는 계산하는 장치

제어장치는 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치

ALU - 받아들이는 정보

계산을 하기 위해서는 피연산자의 수행할 연산이 필요

레지스터 -> (피연산자) -> | ALU  | -> (플래그) -> 플래그 레지스터

제어장치 -> (제어신호) -> |           | -> (결괏값) -> 레지스터 

플래그 레지스터 - 음수, 0 (부가 정보가 담김), 연산 결과가 결과를 담을 레지스터에 비해 너무 클 시 오버플로우라고 하는데, 오버플로우 발생 시 이를 표시하여 나타낸다.

ALU - 내보내는 정보

플래그 레지스터

부호 플래그 | 제로 플래그 | 캐리 플래그 | 오버플로우 플래그 | 인터럽트 플래그 | 슈퍼바이저 플래그 |

1                  0                  0                  0                             0                        0

제어장치

클럭 신호

시간이다.

일정한 박자에 맞춰서 똑딱 똑딱 발생하는 신호다.

C 언어 컴파일 과정

test.c

전처리기(preprocessor) 

test.i

컴파일러(compiler)

test.s

어셈블러(assembler)

test.o

링커(linker)

test.exe

전처리 과정 (preprocessor)

- 본격적으로 컴파일하기 전에 처리할 작업들

- 외부에 선언된 다양한 소스 코드, 라이브러리 포함

- 프로그래밍의 편의를 위해 작성된 매크로 변환

- 컴파일할 영역 명시

컴파일 과정 (Compiling)

- 전처리가 완료 되어도 여전히 소스 코드

- 전처리 완료된 소스 코드를 저급 언어(어셈블리 언어)로 변환

어셈블 과정 (assembling)

- 어셈블리어를 기계어로 변환

- 목적 코드(object file)를 포함하는 목적 파일이 됨

C 언어 컴파일 과정

- 목적 파일 vs 실행 파일

  - 목적 파일과 실행 파일은 둘 다 기계어로 이루어진 파일

  - But, 목적 파일과 실행 파일은 다르다.

  - 목적 파일은 링킹(linking)을 거친 이후에야 실행 파일이 된다

링킹 과정 (linking)

컴파일 된 목적 파일들은 독립적으로 실행될 수 없다.

따라서 목적 파일들을 서로 연관지어서 실행파일을 만든다.

실행파일이 최종적으로 완료되면 프로그램 실행이 가능하다.

기계어, 어셈블리어

저급 언어로 변환

명령어: "학생들, 다음 주까지 과제를 제출하세요."

명령어의 구조

- 연산코드: 수행할 연산

- 오퍼랜드: 연산에 사용될 데이터 혹은 연산에 사용될 데이터가 저장된 위치

오퍼랜드

- 연산에 사용될 데이터

- 연산에 사용될 데이터가 저장된 위치 (주소필드)

연산코드

- 데이터 전송

MOVE: 데이터를 옮겨라

STORE: 메모리에 저장하라

LOAD: 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라

PUSH: 스택에 데이터를 저장하라

POP: 스택의 최상단 데이터를 가져와라

- 산술/논리 연산

ADD / SUBTRACT / MULTIPLY / DIVIDE : 덧셈 / 뺄셈 / 곱셈 / 나눗셈을 수행하라

INCREMENT / DECREMENT : 오퍼랜드에 1을 더하라 / 오퍼랜드에 1을 빼라

AND / OR / NOT: AND / OR / NOT : 연산을 수행하라

COMPARE : 두 개의 숫자 또는 TRUE / FALSE 값을 비교하라

- 제어 흐름 변경

JUMP : 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라

CONDITIONAL JUMP : 조건에 부합할 때 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라

HALT : 프로그램의 실행을 멈춰라

CALL : 되돌아올 주소를 저장한 채 특정 주소로 실행 순서를 옮겨라 

RETURN : CALL을 호출할 때 저장했던 주소로 돌아가라

- 입출력 제어

READ(INPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터를 읽어라

WRITE(OUTPUT) : 특정 입출력 장치로 데이터를 써라

START IO : 입출력 장치를 시작하라

TEST IO : 입출력 장치의 상태를 확인하라

명령어 주소 지정 방식

- 유효 주소 (effective address) : 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치

- 명령어 주소 지정 방식 (addressing modes) : 

연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 찾는 방법

유효 주소를 찾는 방법

다양한 명령어 주소 지정 방식들

- 즉시 주소 지정 방식 (immediate addressing mode)

연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시

가장 간단한 형태의 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터의 크기가 작아질 수 있지만, 빠름

[연산 코드][연산에 사용할 데이터]

- 직접 주소 지정 방식 (direct addressing mode)

오퍼랜드 필드에 유효 주소 직접적으로 명시

유효 주소를 표현할 수 있는 크기가 연산 코드만큼 줄어듦

- 간접 주소 지정 방식 (indirect addressing mode)

오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시

앞선 주소 지정 방식들에 비해 속도가 느림

- 레지스터 주소 지정 방식 (register addressing mode)

연산에 사용할 데이터가 저장된 레지스터 명시

메모리에 접근하는 속도보다 레지스터에 접근하는 것이 빠름

- 레지스터 간접 주소 지정 방식 (register indirect addressing mode)

연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장

그 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드 필드에 명시