[컴퓨터 구조] LEGv8의 ISA 명령어 종류와 특징

지난 포스팅에 이어 ISA에 대해 작성하겠다. 마이크로프로세서마다 기계어 코드의 길이와 숫자 코드가 다르기 때문에 그 양이 방대하므로 본 포스팅에서는 ARMv8의 ISA에 대해서 다루도록 하겠다.

✅ Arithmetic Operations ( 산술 연산 )

add와 sub, 그리고 3개의 operands(피연산자)가 존재한다.

operands에는 두개의 source(b,c)와 한개의 destination(a)이 존재한다.

모든 산술연산은 이러한 형태를 가지고있다.

Design Principle 1 : Simplicity favors regularity

여기서 첫번째 하드웨어 설계원칙을 살펴볼 수 있다. 모든 명령어가 operand를 3개씩 갖도록 제한함으로써 하드웨어를 단순하게 할 수 있다.

위 그림에서 Arithmetic Operation의 산술 과정을 살펴보자.

C 코드 :

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

컴퓨터는 위의 코드를 다음과 같이 처리한다.

t0 라는 임의의 변수에 g + h 값을 저장하고 t1이라는 변수에 i + j를 저장한다.

그후 sub operation은 t0 - t1을 수행해 결과를 출력한다.

The Stored-Program Concept

위의 산술 연산자 뿐만아니라 다른 연산자를 실행할때 컴퓨터가 데이터를 저장하는 방법에 대해 알아보자.

Instructions와 Data는 Binary(2진법)으로 Main Memory에 저장된다.

본 노이만 컴퓨터 구조에서 반드시 알아둬야할 몇가지 note를 보자

Register Operands

레지스터는 프로세서 내부적으로 관리하는 저장공간으로, 데이터를 담을 수 있는 가장 기본적인 단위이다. 일반적으로 레지스터의 크기는 32bit이다.

그러나 본 포스팅에서 다룰 LEGv8같은 경우는 32,64bit의 레지스터를 둘다 가지며

64-bit 데이터는 “double word” 라고 불리우며 32-bit 데이터는 “word” 라고 불린다.

이때 레지스터는 0~31로 번호가 매겨져 있음을 유의해야 한다.

Design Principle 2 : Smaller is Faster

LEGv8에서 레지스터의 수는 32개로 제한 됐으며 이는 더 빠른 연산을 위함이다. cf ) 메인메모리는 수백만개의 저장공간을 가진다.

LEGv8에서 제공하는 레지스터의 역할은 다음과 같다.

X0 ~ X7 : Procedure arguments / results X9 ~ X15 : 임시적으로 값을 저장 X19 ~ X27 : 레지스터 저장 XZR ( = X31 ) : 절대상수 0을 항상 갖고있음

레지스터 피연산자의 예시를 보자.

C코드 :

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

이때 f, … , j 는 X19, X20, X21, X22, X23 에 각각 저장된다. 이를 LEGv8 내부에서 인식하는 코드로 살펴보면 다음과 같다.

ADD X9, X20, X21 ADD X10, X22, X23 SUB X19, X9, X10

Register vs Main Memory

레지스터는 32비트 혹은 64비트의 저장소를 32개 가지므로 128B / 256B 의 크기를 가진다.

메모리는 훨씬 큰 데이터를 저장할 수 있다.

레지스터는 CPU내에 존재하는데 더 빠른 데이터 처리를 위해 존재한다. CPU가 메모리에 접근할 때마다 BUS를 통해 이동하는 시간 + 메모리 처리 시간이 소요되는데 이를 절약하기 위해 레지스터에 필요한 데이터를 미리 저장해두고 필요할 때마다 메모리에 접근하지 않고 레지스터에서 데이터를 빼가는 구조이다.

이런 구조속에서 메모리와 레지스터 간에 데이터를 전달하기 위해서 우리는 data transfer instruction가 반드시 필요하다. 이때 사용되는 명령어는 단 두개! load와 store가 있다.

load : memory -> register store : register -> memory

이때 load와 store를 하기 위해선 반드시 Memory Operands(Address)가 필요하다.

Memory Operands

• 보통 메모리는 혼합된 데이터 ( 배열, 구조체, 동적할당 등 )을 위해 사용된다.
• Arithmetic Operation을 위해 Register Operand를 사용하려면,
• 가장 먼저 Memory의 데이터를 Register로 Load 해야한다.
• 그리고 Register에서 연산하고, 결과 값을 다시 Memory에 Store한다.
• 이런 구조를 Load - Store 구조라고 한다.

Memory Operand Example

**1. h는 X21 레지스터에 저장되어 있고, 배열 A의 base address는 X22에 있다.

1. 먼저 A[8]을 가져오기 위해 Load 명령어를 실행한다.
2. A의 base address인 X22 레지스터부터
3. 배열의 8번째 값을 load하기 위해 8byte x 8번째 = 64의 byte offset을 X9라는 임시레지스터에서 Load한다.
4. X9에 저장된 A[8]과 X21에 저장된 h를 더해 X9에 다시 저장한다.
5. X9에 h + A[8]의 값인 A[12]를 Store 한다.**

Immediate Operands

우리가 상수를 더하고자 할때는 Instruction을 Load하는 과정을 거치지 않고 직접 더해버린다.

C코드 :

x = x + 4

이를 LEGv8에서는 다음과 같이 컴파일한다.

ADDI X22, X22, #4

Design Principle 3 : Make the common case fast

-> 작은 상수는 common에 해당한다. -> Immediate Operand는 불필요한 Load를 피한다!

The Constant Zero

LEGv8의 31번째 레지스터는 XZR, 즉 절대상수 0이다. 이는 Common Operations에 굉장히 유용하다.

C코드 :

y = z

위와 같은 연산을 처리할때 또 다른 Instruction을 만들지말고 XZR을 활용할 수 있다.

ADD X10, X11, XZR 또는 ORR X10, X11, XZR