ISA란?

이 포스트는 ISA의 개념에 대해 설명한다.

Interface vs Implementation

Interface는 이 cpu의 작동 규칙을 적어놓은 것과 비슷하다. 실제 구현보다는 어떻게 명령어를 받을 것이고 어떻게 메모리를 관리할 것인지에 대한 약속 집합이라고 보는 것이 맞을 것 같다.
Implementation은 실제 cpu 구현과 관련되어 있다. Interface에서 정한 약속대로 cpu가 작동하기 위한 실제 내부 구현을 의미한다.

The RISC-V Instruction Set

수많은 ISA중 우리는 RISC-V를 살펴볼 것이다. RISC(reduced instruction set computer) principle을 따른다.

register operands

RISC-V은 64bit의 크기를 가진 32개의 register를 가지고 있다. (x0~x31)
64bit = 8byte = doubleword
이것은 64비트 운영체제일 때가 그렇고 만약 32비트 운영체제이면 32bit크기 32개 이다. 각 register가 사용되는 용도가 어느정도 정해져있다.

• x0: the constant value 0
• x1: return address
• x2: stack pointer
• x3: global pointer
• x4: thread pointer
• x5~x7, x28~x31: temp
• x8: frame pointer
• x9, x18~x27: saved registers
• x10: return value
• x11: function arguments/results
• x12~x17: function arguments

memory operands

main memory에는 배열(array)와 같은 composite data가 저장되어 있다.
load(ld)하면 memory에서 register로 data를 불러오고
store(sd)하면 register에서 memory로 data를 저장한다. memory주소 하나에는 1byte가 저장된다.
그렇다면 여기서 왜 32비트 운영체제가 4GB까지밖에 메모리를 못쓰는지에 대한 이유가 추론가능한데 32비트 운영체제에서는 register가 32bit라 주소 개수가 \(2^{32}\)개 이다. 각 주소에 1byte가 저장된다고 하면 총 \(2^{32}Byte = 4GB\)까지 저장가능하다.

이 예시를 보면 현재 A 배열을 base address가 x22에 저장되어 있는 것이다. A 배열이 doubleword크기를 가지는 자료형을 저장하고 있다고 가정하자. 그러면 A[8]의 메모리 주소를 찾기 위해서는 \(8칸\times 8byte\)만큼 이동해야한다. 따라서 64(x22)를 ld한다. 만약 저장하고 있는 자료형이 int였다면 32만큼 이동했을 것이다.

Registers vs Memory

Register이 CPU입장에서는 훨씬 빠르다. Memory까지 갔다오게 되면 CPU는 상당히 많은 cycle손해를 본다

Immediate Operands

addi x22, x22, 4
처럼 register값에 상수를 더해주는 operand도 있다.