20250731 모각코 활동 3회차
오늘의 목표 : 프로세서 기초와 명령어 집합 공부하기
프로세서 기초와 명령어 집합
일단 컴퓨터의 구조이다
1. CPU 기본 구조
CPU의 핵심 구성 요소
제어장치가 시키고, 연산장치가 일하고, 레지스터가 저장하는 느낌이다~_~
제어장치 (Control Unit)
역할
- 명령어를 해석하고 실행 순서를 제어
- 각 구성 요소에 제어 신호 전송
- 프로그램 카운터(PC) 관리
주요 기능 - 명령어 인출 (Fetch): 메모리에서 명령어 가져오기
- 명령어 해석 (Decode): 명령어의 의미 분석
- 실행 제어 (Execute): 필요한 제어 신호 생성
구성 요소 - 프로그램 카운터 (PC): 다음 실행할 명령어의 주소 저장
- 명령어 레지스터 (IR): 현재 실행 중인 명령어 저장
- 제어 신호 생성기: 각 구성 요소 제어
연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)
역할
- 모든 산술 연산과 논리 연산 수행
- 비교 연산 및 시프트 연산 담당
지원 연산 - 산술 연산: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈
- 논리 연산: AND, OR, XOR, NOT
- 비교 연산: 같음, 크기 비교
- 시프트 연산: 좌시프트, 우시프트
플래그 레지스터 - Zero Flag (Z): 결과가 0인지 표시
- Carry Flag (C): 자리올림 발생 시
- Overflow Flag (V): 오버플로 발생 시
- Negative Flag (N): 결과가 음수인지 표시
레지스터 (Register)
역할
- CPU에서 당장 사용할 데이터 보관
특징 - CPU 내부의 고속 저장 공간
- 메모리보다 훨씬 빠른 접근 속도
- 제한된 개수 (보통 16~32개)
종류 - 범용 레지스터: 일반적인 데이터 저장
- 특수 목적 레지스터: 특정 용도로 사용
- PC (Program Counter): 다음 명령어 주소
- SP (Stack Pointer): 스택의 최상위 주소
- LR (Link Register): 함수 호출 시 복귀 주소
2. 명령어 집합 구조 (ISA, Instruction Set Architecture)
ISA의 개념
정의
- 소프트웨어와 하드웨어 간의 인터페이스
- 프로그래머가 볼 수 있는 컴퓨터의 추상적 모델
- CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 집합
ISA가 정의하는 요소 - 명령어 집합: 사용 가능한 모든 명령어
- 레지스터: 개수, 크기, 용도
- 메모리 모델: 주소 지정 방식, 데이터 타입
- 예외 처리: 인터럽트, 예외 상황 처리
3. RISC-V 명령어 세트
RISC-V 개요
특징
- 오픈소스 ISA
- 모듈러 설계 (기본 + 확장)
- 학술 및 상업적 목적으로 자유 사용
RISC-V 레지스터
32개의 범용 레지스터 (x0 ~ x31)
| 레지스터 | ABI 이름 | 용도 | 보존 여부 |
|---|---|---|---|
| x0 | zero | 항상 0 | - |
| x1 | ra | 복귀 주소 | 호출자 |
| x2 | sp | 스택 포인터 | 피호출자 |
| x3 | gp | 글로벌 포인터 | - |
| x4 | tp | 쓰레드 포인터 | - |
| x5-x7 | t0-t2 | 임시 레지스터 | 호출자 |
| x8 | s0/fp | 저장/프레임 포인터 | 피호출자 |
| x9 | s1 | 저장 레지스터 | 피호출자 |
| x10-x11 | a0-a1 | 인수/반환값 | 호출자 |
| x12-x17 | a2-a7 | 인수 레지스터 | 호출자 |
| x18-x27 | s2-s11 | 저장 레지스터 | 피호출자 |
| x28-x31 | t3-t6 | 임시 레지스터 | 호출자 |
특수 레지스터
- x0 (zero): 항상 0 값, 쓰기 무시
- pc: 프로그램 카운터 (명시적 접근 불가)
4. 명령어 형식 (Instruction Format)
R-type (Register Type)
용도: 레지스터 간 연산 형식: op rd, rs1, rs2
I-type (Immediate Type)
용도: 즉시값과 레지스터 연산, 로드 명령어 형식: op rd, rs1, imm 또는 op rd, imm(rs1)
S-type (Store Type)
용도: 스토어 명령어 형식: op rs2, imm(rs1)
B-type (Branch Type)
용도: 조건부 분기 형식: op rs1, rs2, label
U-type (Upper Immediate Type)
용도: 상위 즉시값 로드 형식: op rd, imm
J-type (Jump Type)
용도: 무조건 점프 형식: op rd, label
5. 주소 지정 방식 (Addressing Modes)
즉시 주소 지정 (Immediate Addressing)
형식: addi x1, x2, 100
의미: 즉시값을 직접 사용
장점: 빠름
단점: 값의 크기 제한
레지스터 주소 지정 (Register Addressing)
형식: add x1, x2, x3
의미: 레지스터 값 직접 사용
장점: 가장 빠름
특징: RISC의 기본 방식
베이스 + 오프셋 주소 지정 (Base + Displacement)
형식: lw x1, 8(x2)
의미: 베이스 레지스터 + 오프셋
용도: 배열, 구조체 접근
계산: 주소 = x2 + 8
PC 상대 주소 지정 (PC-relative)
형식: beq x1, x2, label
의미: 현재 PC + 오프셋
용도: 분기 명령어
장점: 위치 독립적 코드
6. 명령어 실행 과정
기본 실행 사이클
1. 인출 (Fetch)
IR ← Memory[PC]
PC ← PC + 4
2. 해석 (Decode)
- 명령어 형식 판별
- 필요한 레지스터 식별
- 제어 신호 생성
3. 실행 (Execute)
- ALU 연산 수행
- 메모리 접근 (필요시)
- 결과 저장
4. 쓰기 (Write-back)
- 결과를 목적지 레지스터에 저장
- 플래그 업데이트
예시: add x1, x2, x3 실행
1. Fetch: IR ← Memory[PC], PC ← PC + 4
2. Decode: R-type, rs1=x2, rs2=x3, rd=x1, funct=ADD
3. Execute: ALU_result ← Register[x2] + Register[x3]
4. Write-back: Register[x1] ← ALU_result