[혼공컴운] 컴퓨터 구조 chapter 3

소스코드와 명령어

우리가 작성한 소스코드는 컴퓨터 내부에서 명령어로 변환된다. 
프로그래밍 언어는 어떻게 명령어가 되어 실행될까?

고급 언어와 저급 언어

고급 언어 : 사람을 위한 언어 - 대부분의 프로그래밍 언어
예시 : C, C++, JAVA, Python 등등
저급 언어 : 컴퓨터가 이해하고 실행 할 수 있는 언어
예시 : 기계어,어셈블리어
우리가 고급언어로 작성한 코드는 반드시 저급언어(명령어)로 변환되어야한다. (컴퓨터는 고급언어를 이해못함)

기계어 : 0과 1의 명령어 비트로 이루어진 언어
컴퓨터만을 위해 만들어진 언어라서 의미를 이해하기 어렵다. 

어셈블리어 : 0과 1로 표현된 명령어(기계어)를 읽기 편한 형태로 번역한 언어
HW와 밀접하게 맞닿아있는 프로그램 개발자 (임베디드 개발자, 게임 개발자(대부분 C++,C#을 한다고 한다), 정보보안 등)는 어셈블리어를 많이 이용한다.

컴파일 언어와 인터프리터 언어

고급언어가 저급언어로 변환되는 방식이 두가지가 있다. 
-> 컴파일 방식, 인터프리트방식

컴파일 언어 : 컴파일 방식으로 작동하는 프로그래밍 언어
인터프리터 언어 : 인터프리트방식으로 작동하는 프로그래밍 언어

컴파일 언어

소스코드 전체가 저급언어로 변환되어 실행
ex) C언어

컴파일 : 코드 전체가 저급언어로 변환되는 과정
컴파일러 : 해당 과정을 수행하는 도구
(처음부터 끝까지 저급언어로 컴파일 하는데 오류 1개라도 있으면 컴파일 실패한다.) 
목적코드 : 컴파일러를 통해 저급언어로 변환된 코드

인터프리터 언어

인터프리터에 의해 소스코드 한줄씩 실행되는 언어
예시 : Python
한줄씩 차례로 실행된다.
인터프리터 : 한줄씩 저급 언어로 변환해 실행해주는 도구
※소스코드 전체를 변환하는 시간을 기다릴 필요가 없다.
※한줄씩 실행하기 떄문에 N번쨰 줄에 문법 오류가 있어도, N-1번째 줄까지는 올바르게 수행된다.

인터프리터 방식과 컴파일러 방식이 칼로 자르듯이 나뉘는것은 아니다
Python도 컴파일을 하는경우도 있고 Javascript도 과거엔 인터프리터였으나 현대엔 컴파일 방식도 사용한다.

목적파일 vs 실행파일
목적파일 : 목적 코드로 이루어진 파일
실행파일 : 실행 코드로 이루어진 파일(.exe)

목적 파일의 경우 링킹 작업필요
목적파일에 없는 외부기능들을 연결시켜야 사용가능하므로 링킹작업이 필요

명령어의 구조

하나의 명령어를 자세하게 들여다 보자!

연산 코드와 오퍼랜드

명령어는 연산코드 + 오퍼랜드로 구성되어있다. 

연산코드 : 명령어가 수행할 연산 (연산자)
오퍼랜드 : 연산에 사용될 데이터가 저장된 위치 (피연산자)

 

오퍼랜드

연산코드가 어떤 연산을 하느냐에 따라
오퍼랜드가 1개일수도, 2개일수도, 없을수도 있다

0-주소 명령어: 오퍼랜드가 하나도 없는 명령어
1-주소 명령어: 오퍼랜드가 하나인 명령어
2-주소 명령어: 오퍼랜드가 두 개인 명령어
3-주소 명령어: 오퍼랜드가 세 개인 명령어

 

연산코드

데이터 전송
MOVE : 데이터를 옮겨라
STORE : 메모리에 저장해라
LOAD (FETCH) : 메모리에서 CPU로 데이터를 가져와라
PUSH : 스택에 데이터를 저장해라
POP : 최상단 데이터를 가져와라

산술 논리 연산
ADD, SUBTRACT, MULTIPLY, DIVIDE - 산술연산을 수행하라
INCREMENT, DECREMENT - 오퍼랜드에 1을 더하라/빼라
AND, OR, NOT  - 해당 연산을 수행하라 
COMPARE - 두 숫자 / TRUE, FALSE 값을 비교하라

제어 흐름 변경
JUMP : 특정 주소로 이동해 실행 순서 변경
CONTITIONAL JUMP : 특정 조건에 부합시 주소 이동해 실행 순서 변경
HALT : 프로그램 실행 멈춰라
CALL : 되돌아올 주소 저장한 채 특정 주소로 실행순서를 옮겨라
RETURN : CALL 에서 저장한 주소로 돌아가라

입출력 제어
READ (INPUT) : 특정 입출력 장치로부터 데이터 읽어라
WRITE (OUTPUT) : 특정 입출력 장치로 데이터를 써라
START IO : 입출력 장치를 시작하라
TEST IO : 입출력 장치 상태를 확인하라

주소 지정 방식

왜 오퍼랜드 필드에 메모리/레지스터의 주소를 담는걸까?
왜냐면 명령어의 길이가 정해져 있기 때문이다.

연산코드와 오퍼랜드 (개수가 증가할수록 오퍼랜드 공간 크기는 점점 작아진다)로 표현할 수 있는 비트 수가 작아서
오퍼랜드 필드에 주소를 담게 되면, 데이터의 크기 상관없이 표현할 수 있다.
주소가 가르킨 메모리를 사용하여 정보의 가짓수를 늘리는것!
마찬가지로 레지스터를 가리키면 레지스터가 저장할 수 있는 공간만큼 커진다.
유효주소 : 연산의 대상이 되는 데이터가 저장된 위치

유효주소를 찾는 방법은 5가지가 있다. 

즉시 주소 지정 방식 

연산에 사용할 데이터를 직접 명시하는 방식 (굉장히 빠름 하지만 표현가능한 데이터 크기가 작아짐)

직접 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에 유효주소를 직접적으로 명시
표현할 수 있는 데이터 크기는 즉시 주소 지정방식보다 커졌지만,
오퍼랜드 필드 길이가 짧아져 유효주소 표현 범위가 제한이 있다.

간접 주소 지정 방식

유효주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 명시
두번의 메모리 접근이 필요해서 위의 방식들보다 느리다.
(메모리를 두번 거친다 , 오퍼랜드 --> 유효주소를 가진 메모리 -> 메모리)

레지스터 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터가 레지스터에 저장된 경우
연산에 사용할 데이터가 저장된 레지스터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
CPU 외부 메모리접근하는 것보다는, CPU 내부 레지스터에 접근하는게 더 빠르다
레지스터 크기에 따라 제한이 생길 수 있다. 

레지스터 간접 주소 지정 방식

연산에 사용할 데이터를 메모리에 저장하고, 그 주소를 저장한 레지스터를 오퍼랜드필드에 명시하는 방법
간접 주소 지정방식과 비슷하지만, 메모리에 접근하는 횟수가 한번으로 줄어든다.
따라서 간접 주소 지정방식보다 빠르다!
오퍼랜드 --> 유효주소를 가진 레지스터 -> 메모리)

※스택과 큐

스택(stack): 나중에 저장한 데이터를 가장 먼저 빼내는 데이터 관리 방식
Last In First Out ( LIFO, 후입선출 )
데이터 저장 명령어 : PUSH
데이터 꺼내는 명령어 : POP

큐(queue): 먼저 저장한 순서대로 데이터를 빼내는 데이터 관리 방식
First In First Out ( FIFO, 선입선출 ) 

데이터 저장 명령어 : Enqueue
데이터 꺼내는 명령어 :  Dequeue