이 자료를 쓰는 강의: 37 Instruction set architecture(명령어 집합 아키텍처) I

Lec2-ISA I

한국어판 강의자료 · 33쪽

p.1CSED311 컴퓨터구조 – 강의 2

instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처) I
김광선
컴퓨터공학과
POSTECH

p.2드론을 구입했다고 상상해보자

드론을 어떻게 조종하는지 배우려면 어떻게 해야 할까?

p.3드론 기능 사양 예시

p.4컴퓨터가 무엇을 하는지 어떻게 사양할까?

아키텍처(명령어 집합 아키텍처) 수준
자동차: 운전 매뉴얼 및 운영 매뉴얼
// 자동차 정비사가 아니어도 자동차를 운전할 수 있음
컴퓨터: 명령어 집합 매뉴얼 (예: Intel x86-64, Arm v8, RISC-V)
// 회로 설계자가 아니어도 컴퓨터를 사용할 수 있음
마이크로아키텍처(구현) 수준
특정 자동차 설계는 전기 및 기계적 구성 요소의 특정 구성
특정 컴퓨터 설계는 datapath(데이터 경로) 및 control logic units(제어 논리 회로)의 특정 구성
다수의 맥락(예: 뉴스 기사)에서 아키텍처와 microarchitecture(마이크로아키텍처)를 서로 바꿔 쓰는 경우가 많음
이 수업에서는 용어의 엄격한 정의를 따를 것임

p.5차량의 전송 방식 – 아키텍처 수준

수동 변속기
자동 변속기

p.6차량의 전송 방식 – microarchitecture(마이크로아키텍처) 수준

수동 변속기
자동 변속기
출처: DOI: 10.3844/ajeassp.2018.586.597
출처: https://youtu.be/Ugao6jTyM7k

p.7Intel x86 아키텍처 매뉴얼

p.8microarchitecture(마이크로아키텍처) 예시

NVIDIA A100 GPU
Arm Neoverse N1 코어
출처: https://en.wikichip.org/wiki/arm_holdings/microarchitectures/neoverse_n1
출처: NVIDIA

p.9컴퓨터가 무엇을 하는지 어떻게 지정할까?

아키텍처 (명령어 집합 아키텍처) 수준
자동차: 운전 매뉴얼 및 운영 매뉴얼
※ 자동차 정비사가 아니어도 자동차를 운전할 수 있음
컴퓨터: 명령어 집합 매뉴얼 (예: Intel, Arm, RISC-V)
※ 회로 설계자가 아니어도 컴퓨터를 사용할 수 있음
마이크로아키텍처 (구현) 수준
특정 자동차 설계는 전기적·기계적 구성 요소의 특정 구성
특정 컴퓨터 설계는 datapath(데이터 경로) 및 control logic units(제어 논리 회로)의 특정 구성
회로 (=물리적 구현) 수준
자동차: 금속 판, 크랭크, 샤프트, 기어 등
컴퓨터: 게이트, 와이어, 반도체, 트랜지스터 등

p.10저장 프로그램 (von Neumann) 아키텍처

stored program architecture(저장 프로그램 아키텍처)
명령어는 선형 메모리 배열에 저장됨
• 명령어(및 데이터)는 메모리에 있음
• 명령어는 데이터처럼 수정될 수 있음
• 둘 다 0과 1로 구성됨
순차적 명령어 처리
1. 프로그램 카운터 (PC)는 현재 명령어를 식별함
2. 명령어는 메모리에서 가져와 실행됨
3. program counter (PC)(프로그램 카운터)가 명령어에 따라 증가함
4. 반복함
Burks, Goldstein, von Neumann, 1946년, 전자 계산 장치의 논리적 설계에 대한 초안 논의

p.11von Neumann vs. 데이터 흐름

von Neumann: von Neumann 프로그램을 고려해보자
프로그램 순서의 의미는 무엇인가?
저장 위치의 의미는 무엇인가?
데이터 흐름: 명령어 순서는 데이터 흐름 의존성에 의해 지정됨 (프로그램 카운터 없음!!)
각 명령어는 결과를 받을 대상을 지정함
명령어는 모든 operand(피연산자)가 도착했을 때 '언제든지' 실행될 수 있음
어느 쪽이 더 나은가?
v <= a + b;
w <= b * 2;
x <= v – w;
y <= v + w;
z <= x * y;
+
*2
-
+
*
b
z
a
‘von Neumann bottleneck(폰 노이만 병목)’

p.12명령어 집합 아키텍처 (ISA)

"컴퓨터 사용자 매뉴얼"

p.13instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처)에서 정의/결정되는 사항은 무엇인가?

‘기계 수준 또는 어셈블리 프로그래머에게 제공되어야 하는 모든 정보’
데이터 유형
인코딩 및 표현 방식
memory model(메모리 모델)
프로그래머가 볼 수 있는 상태
general-purpose registers (GPR)(범용 레지스터)
메모리 공간
program counter (PC)(프로그램 카운터)
프로세서 상태
명령어 집합
명령어 및 형식
addressing modes(주소 지정 방식)
데이터 구조
시스템 모델
상태
privilege level(권한 수준)
interrupt(인터럽트)
입출력
external interface(외부 인터페이스)
입출력 관리
‘아키텍처’라는 용어는 프로그래머가 보는 시스템의 특성, 즉 개념적 구조와 기능적 행동을 설명하기 위해 사용되며, 데이터 흐름과 제어의 구성, 논리적 설계, 물리적 구현과는 구분된다.
--- IBM System/360 아키텍처, Amdahl, Blaauw 및 Brooks, 1964년, 1페이지 주석

p.14프로그래머가 볼 수 있는 상태

M[0]
M[1]
M[2]
M[3]
M[4]
M[N-1]
메모리
주소로 인덱싱된 저장 위치의 배열
프로그램 카운터 (32비트 ~ 64비트)
: 현재 명령어의 메모리 주소
명령어(및 프로그램)는 프로그래머가 볼 수 있는 상태의 값을 변환하는 방법을 지정한다
32비트 ~ 64비트
레지스터
- ISA에서 특별한 이름을 부여받음 (주소와는 다름)
- general-purpose(범용) vs. special-purpose(특수 목적)

p.15일반 명령어 클래스

산술 및 논리 연산 (예: add, sub, and, or)
일반적으로 정수 및 부동소수점 명령어로 분류됨
1) 지정된 위치에서 operand(피연산자) 가져오기
2) operand(피연산자)에 대한 함수로 결과 계산하기
3) 결과를 지정된 위치에 저장하기
4) PC를 다음 순차 명령어로 업데이트하기
데이터 이동 연산 (예: move, load, store)
1) 지정된 위치에서 operand(피연산자) 가져오기
2) operand(피연산자) 값을 지정된 위치에 저장하기
3) PC를 다음 순차 명령어로 업데이트하기

p.16일반 명령어 클래스, 계속

제어 흐름 연산 (예: branch, jump)
1) 지정된 위치에서 operand(피연산자) 가져오기
2) branch(브랜치) 조건과 타겟 주소 계산하기
3) ‘branch(브랜치) 조건이 참’이면 PC ← 타겟 주소
그렇지 않으면 PC ← 다음 순차 명령어
모든 명령어는 일반적으로 atomic instruction(원자적 명령어)로 정의됨

p.17초기 instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처): EDSAC (1949)

단일 accumulator(누산기) 아키텍처, 즉 ACC ← ACC ⊕ M[n]
A n: M[n]을 ACC에 더하기
T n: ACC의 내용을 M[n]에 전송하고 초기화하기
E n: ACC ≥ 0이면 M[n]으로 branch(브랜치)하거나 순차적으로 진행하기
I n: 종이 테이프에서 다음 문자를 읽어 M[n]의 가장 낮은 5비트에 저장하기
Z: 기계를 정지하고 경고 벨을 울리기
메모리 주소가 명령어에 하드코딩되어 있음 (‘n’)
opcode(연산 코드) 5비트
n 10비트
예약됨
operand(피연산자) 크기

p.18같은 실수를 다시 하시겠습니까?

함수 호출
루프 내 배열 접근
......
a:
E n1
......
......
b:
E n1
......
f: ......
......
......
E n2
?
......
a:
......
A n1
......
......
E n2
......
i
i+1
i+2
어떻게 고칠 수 있나요?
f
n1
n2
a+1
n1
n2
a
?

p.19레지스터 아키텍처의 진화

accumulator(누산기)
‘덧셈 기계’ 시대의 유산
계산기의 ‘AC’ 버튼?
accumulator(누산기) + address registers(주소 레지스터)
register indirect addressing(레지스터 간접 주소 지정)이 필요함
초기에는 address registers(주소 레지스터)가 특수 목적 전용이었음 (즉, 간접 주소 지정용 주소를 저장하는 데만 사용됨)
결국 address registers(주소 레지스터)에 산술 연산이 지원됨
general-purpose registers (GPR)(범용 레지스터)
모든 레지스터가 모든 목적에 적합함
몇 개의 레지스터에서부터 32개(RISC에서 흔함)까지, 128개(예: Intel Itanium)까지 다양함
어떤 요인이 변화를 이끌었는가?

p.20operand(피연산자) 출처?

operand(피연산자)의 수
일항 연산
OP in2
(예: EDSAC)
이항 연산
OP inout, in2
(예: IBM 시스템/360)
(메모리 절약을 위해 더 작은 인코딩에서 3개의 operand(피연산자) 사용)
삼항 연산
OP out, in1, in2
(예: MIPS)
ALU operand(피연산자) 중 일부가 메모리에 있을 수 있는가?
예!
예: x86/VAX/‘CISC(복합 명령어 집합 컴퓨터)’
아니요!
예: MIPS/‘RISC(축소 명령어 집합 컴퓨터)’
→ ‘Load-Store architecture(로드-스토어 아키텍처)’
다양한 변형의 수
매우 적음
예: MIPS / RISC
매우 많음
예: x86
모든 것이 가능함
예: VAX

p.21메모리 addressing modes(주소 지정 방식)

absolute addressing(절대 주소 지정)
LD rt, 10000
주소로 즉시 값 사용
register indirect addressing(레지스터 간접 주소 지정)
LD rt, (rbase)
GPR[rbase]를 주소로 사용
displaced addressing(변위 주소 지정) 또는 based addressing(기준 주소 지정)
LD rt, offset(rbase)
offset + GPR[rbase]를 주소로 사용
indexed addressing(인덱스 주소 지정)
LD rt, (rbase, rindex)
GPR[rbase] + GPR[rindex]를 주소로 사용
memory indirect addressing(메모리 간접 주소 지정)
LD rt ((rbase))
M[GPR[rbase]]의 값을 주소로 사용
auto Increment/Decrement(자동 증가/감소)
LD rt, (rbase)
GPR[rbase]를 주소로 사용하지만, 매번 GPR[rbase]를 증가 또는 감소시킴
기타 생각해볼 수 있는 것들……
표기법 사용 설명: GPR[rbase]
레지스터의 ID (즉, 레지스터 번호)
레지스터 rbase의 값

p.22VAX-11: 중년기의 instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처)

최초의 상용 32비트 컴퓨터 (DEC, 1977)
-- 중요한 이정표로 여겨짐
orthogonality(직교성)과 completeness(완전성)의 극치
위의 모든 addressing modes(주소 지정 방식)
x {7개의 정수 형식 및 2개의 부동소수점 형식}
x {300개 이상의 opcode(연산 코드)}
opcode(연산 코드)의 과잉
2연산자 및 3연산자 버전의 ALU 연산
INS(/REM)QUE (순환 이중 연결 리스트용)
"polyf": 4차 다항식 평가
variable-length encoding(가변 길이 인코딩) (1~56바이트)
→ 어떤 트레이드오프가 있는가?
예) addl3 r1,737(r2),(r3)[r4]
7바이트, 순차적 디코딩
이후 DEC는 Alpha라는 RISC 아키텍처로 전환함
VAX 11/780 컴퓨터
출처: https://www.computerhistory.org/revolution/mainframe-computers/7/182/736

p.23RISC(축소 명령어 집합 컴퓨터)

간단한 연산
2입력, 1출력 arithmetic and logical operations(산술 및 논리 연산)
동일한 일을 수행하는 방법이 거의 없음
간단한 데이터 이동
ALU 연산은 레지스터 간 연산 (큰 레지스터 파일 필요)
메모리는 오직 로드 및 스토어 명령어를 통해 접근 가능 → ‘Load-Store architecture(로드-스토어 아키텍처)’
간단한 branch(브랜치)
branch(브랜치) 조건 및 타깃의 종류가 제한됨
간단한 instruction encoding(명령어 인코딩)
모든 명령어가 동일한 비트 수로 인코딩됨 (왜냐하면?)
형식이 매우 적음
예: MIPS 및 RISC-V
이러한 instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처)는 어셈블리 프로그래밍보다 컴파일된 코드를 위한 것이 목적임 (CISC와 대조)

p.24instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처)의 진화

왜 초기 instruction set architecture (ISA)(명령어 집합 아키텍처)는 그렇게 단순했는가?
예: EDSAC
기술적 한계
경험 부족, 사례 부족
왜 나중에 그렇게 복잡해졌는가?
예: VAX-11, x86
어셈블리 프로그래밍
메모리 크기 및 성능 부족
microprogrammed implementation(마이크로프로그램 구현) (강의 6)
왜 다시 단순해졌는가?
예: MIPS, RISC-V, Arm
메모리 크기 및 속도 (캐시!) (강의 14)
compiler(컴파일러)
왜 x86은 여전히 ‘정상’인가?
기술 vs. 경제
기술 vs. 심리학
기술 vs. 막대한 자금
‘The Case for the Reduced Instruction Set Computer’ 논문을 읽어보라 (Patterson and Ditzel, 1980), 더 잘 이해할 수 있음

p.25ISA를 설계해야 한다면?

p.26개방형 설계: 추론과 예측

‘고객의 계획과 프로그래밍에 10년간 신뢰할 수 있는 기반을 제공하며, 지속적인 실험실 개발을 가능하게 한다…’
보통의 수명은 15~20년이지만….
요소들의 ‘비동기적’ 운영
정확한 시간, 성능 등을 추상화하여 (1) 기술 변화와 (2) 요소 간 상대적 속도 변화를 허용
저장 용량, 다중 CPU, 다중 I/O 등에 대한 parameterization(파라미터화)
instruction encoding(명령어 인코딩)에서 여유 비트를 ‘예약’하여 미래 확장 허용
확장 서브시스템에 대한 standard interface(표준 인터페이스) 제공
[Amdahl, Blaauw and Brooks, 1964]

p.27일반 목적

일반 목적 = 다양한 도메인(예: 상업, 과학, 실시간 등)에서 ‘크고 작은, 별도의, 혼합된 응용 프로그램’에 대해 효과적인 지원
어떻게?
code-independent operation(코드 독립적 연산)
• 데이터 내 비트 패턴에 특별한 해석을 하지 않음
예: ASCII 문자에 특별한 의미 없음
• 필수적인 경우를 제외하고는
예: 정수, 부동소수점 등
비트 및 데이터 엔티티에 대한 논리 조작의 완전한 일반성 지원
세밀한 메모리 주소 지정 가능성 (예: 바이트 주소 지정 가능성)
[Amdahl, Blaauw and Brooks, 1964]

p.28모델 간 호환성

엄격한 프로그램 호환성 = ‘실행 시간에 의존하지 않는 유효한 프로그램이 구성 A에서 실행될 수 있다면, 구성 B에서도 실행될 수 있다. 단, 구성 B가 최소한 필요한 저장 용량과 최소한 필요한 I/O 장치를 포함하고 있다면…’
비유효 프로그램은 동일한 결과를 내야 한다는 제약 없음
‘비유효 프로그램’은 아키텍처 매뉴얼을 위반하는 프로그램을 의미하며, 예외를 발생시키는 프로그램을 의미하는 것은 아님
예외 조건은 아키텍처의 일부
논리적 구조 및 기능의 virtualization(가상화)를 통해
binary compatibility(이진 호환성)의 왕: Intel x86, IBM System/360
소프트웨어 기반
성능 확장성
[Amdahl, Blaauw and Brooks, 1964]

p.29정리: 용어 정의

명령어 집합 아키텍처 (ISA)
• 프로그래머가 관찰하고 제어할 수 있는 머신의 동작
명령어 집합
• 컴퓨터가 이해하는 명령어의 집합
machine code(머신 코드)
• 이진 형식으로 인코딩된 명령어의 모음
• 하드웨어에 직접 소비 가능한 형태
assembly code(어셈블리 코드)
• ‘텍스트 형식’으로 표현된 명령어의 모음
예: ADD r1, r2, r3
• 어셈블러에 의해 machine code(머신 코드)로 변환됨
• machine code(머신 코드)와 (대략) 일대일 대응

p.30질문?

공지사항
- 교재 읽기: P&H Ch. 2 및 선택적으로 Appendix D (모든 주요 ISA 요약)
(Appendices는 이 링크에서 제공됨)
- 논문 읽기: ‘The Case for the Reduced Instruction Set Computer’, Patterson and Ditzel, 1980
- 교재(&논문) 독서 그룹:
• 카메라를 켜고 마이크는 끄세요. 토론은 채팅을 이용하세요.
• 월, 수, 금 9-10pm 및 화, 목 8-9pm
• Zoom 링크: https://us02web.zoom.us/j/85840311354?pwd=cEdyZDJjUzJ4MlFsWnMzc041L3YwZz09
(회의 ID: 858 4031 1354, 비밀번호: v3td8m)
- 참고: 이 과정의 모든 독서 과제는 첫 번째 강의 노트에 제시됩니다.

p.31백업 슬라이드

p.32다양한 아키텍처의 예시

TOS
프로세서
메모리
...
...
스택
프로세서
메모리
...
...
accumulator(누산기)
프로세서
메모리
...
...
레지스터-메모리
프로세서
메모리
...
...
레지스터-레지스터

p.33C = A + B에 대한 코드 시퀀스 예시

스택
accumulator(누산기)
레지스터-메모리
레지스터-레지스터
Push A
Push B
Add
Pop C
Load A
Add B
Store C
Load R1, A
Add R3, R1, B
Store C, R3
Load R1, A
Load R2, B
Add R3, R1, R2
Store C, R3
4 명령어, 3 메모리 연산
3 명령어, 3 메모리 연산
3 명령어, 3 메모리 연산
4 명령어, 3 메모리 연산
TOS
프로세서
메모리
...
...
스택
프로세서
메모리
...
...
accumulator(누산기)
프로세서
메모리
...
...
레지스터-메모리
프로세서
메모리
...
...
레지스터-레지스터

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