[computer architecture]-instructions_language_of_computer(2)

📕Binary Numbers

 📗숫자들은 모든 base(진수)로 표현 가능하다.

• 123 base 10 = 111011 base 2   ==> base는 몇 진수인지를 뜻함.

📗이진수의 single digit는 컴퓨팅 관점에서 더 이상 쪼갤 수 없다.

• 모든 정보는 binary digits(bit) 로 구성되어 있다.

1011 base 2 -> (1 * 2^3) + (0 * 2^2) + (1 * 2^1) + (1*2^0)

= 8+0+2+1  = 11 base 10

📕MSB & LSB

📗MSB 

• most significant bit : most left bit

📗LSB

• least significant bit : most right bit

endian이랑 MSB & LSB를 혼동하면 안됨

💡endian은 byte단위로 데이터를 저장하는 방식이고, MSB & LSB는 bit단위로 저장하는 방식.

31bit의 자리가 MSB이고, 0bit의 자리가 LSB이다

📕Unsigned Numbers

📗RISC-V word is 32-bit long 

• 0~2^32 -1까지의 범위를 나타낸다. 
• 부호 비트가 없기 때문.

📗32비트 이진수는 비트 값 곱하기 2의 거듭제곱으로 나타낼 수 있습니다.

이러한 양수들을 unsigned numbers라고 부른다.

📕Signed Numbers

📗컴퓨터 프로그램은 양수와 음수를 동시에 계산한다.

• 우리는 음수와 양수를 구별할 수 있는 확실한 기준이 필요하다.

📗구별할 수 있는 방법

• sign and magnitude
• 1's complement (1의 보수)
• 2's complement (2의 보수)

📗최종적 해결방법은 2의 보수 표현 방식

• 32-bit long일 때 표현할 수 있는 범위는 -2^32 ~ 2^31 -1 

📗Msb를 sign bit로 지정

1 -> 음수  ,  0 -> 양수

📕Negation and Sign Extension

📗숫자를 부정하는 방법

~X + 1 = -X

• "~"는 0은 1로, 1은 0으로 바꾸는 연산자
• e.g) ~(0001) = 1110

📗부호 확장자는 더 많은 bits를 사용해서 숫자들을 표현한다.

• 하지만 숫자적인 value는 보존한다.

📗부호 비트를 왼쪽으로 확장하면서 bit를 확장시킴

• +2 : 0000 0010 ->  양수이므로 남은 자리를 모두 0으로 채움. 
  • 0000 0000 0000 0010
• -2 : 1111 1110 -> 음수이므로 남은 자리를 모두 1로 채움.
  • 1111 1111 1111 1110 
• 확장시킬 때 남은 자리를 sing-bit로 채움.

📕Representing Instructions in the Computer 

📗인스트럭션들은 machine code라고 불리는 이진수로 인코딩 됩니다.

• 인스트럭션의 숫자 버전이 기계어이다.

📗RISC-V Instructions 

• 32-bit instructions words로 인코딩 되는 것이 규칙이다.
• opcode, register numbers

📗Instruction format

• R-type : 산술 및 논리 명령 (immediate를 제외한)
• I-type : 데이터 전송(load), 즉시 연산 (immediate)
• S타입 : 데이터 전송(store)
• incoding 방식이 다르다.

📕R-type Instructions

📗RISC - V R-type instruction format

 

opcode : 어떤 작업을 하는가를 나타냄.

instruction	Format	funct7	rs2	rs1	funct3	rd	opcode
add(add)	R	0000000	reg	reg	000	reg	0110011
sub(sub)	R	0100000	reg	reg	000	reg	0110011

 

📗Example

• add x9, x20 , x21 

 

 

📕I-type Instructions

📗RISC-V I-type instructions format

 

Instructions	Format	immediate	rs1	funct3	rd	opcode
addi(add immediate)	I	constant	reg	000	reg	0010011
lw(load word)	I	address	reg	010	reg	0000011

📗설계 원칙 3

좋은 설계는 좋은 타협을 요구한다.

• 형태가 다르면 디코딩이 복잡해진다 하지만 32-bit 인스트럭션은 균일하게 허락한다.(디코딩인 듯)
• 형식을 가능한 비슷하게 유지한다.

 

📕S-type Instructions 

📗RISC - V S-type Instructions format

Instruction	Format	immediate	rs2	rs1	funct3	immediate	opcode
sw(store word)	S	address	reg	reg	010	address	010011

📗12-bit immediate는 두 개의 field로 분리된다.

• 모든 인스트럭션 형식의 rs1 및 rs2 필드를 동일한 위치에 유지합니다.
• 유사하게 opcode와 funct3 필드는 모든 위치에서 같은 size/place이다.

📕Logical Operations

📗RISC -V는 비트 별 논리적 연산자에 대한 인스트럭션을 제공합니다.

• 논리적 연산자는 word의 bits of groups를 삽입하고 추출하는데 유용하다.

 

📗Shift 인스트럭션은 word의 모든 비트를 왼쪽이나 오른쪽으로 이동시킬 수 있습니다.

📗sra/ srai

• 오른쪽으로  이동시키고, sign -bit를 채운다
• ex) 1100 0011 -> 1110 0001
• sri는 오른쪽으로만 이동하고 sing-bit를 채우지 않음.

📕AND/OR Instructions

📗AND 인스트럭션은 word의 bit를 mask 하는데 유용하다. [and, andi]

📗OR 인스트럭션은 word의 bit를 include 하는데 유용하다. [or, ori]

📕XOR Instruction

📗XOR 인스트럭션은 differencing operation을 허락한다. [xor, xori]

📗RISC-V에서는 NOT operation은 XOR 인스트럭션으로 구현할 수 있다.

• xor은 bit가 같을 때 0을 , 다를 때는 1을 생성한다.
• 32bit에 0으로 32개를 밀든 1로 32개를 밀든 생성해서 xor연산을 하면 not 연산과 같은 결과가 나온다.

📕Instructions for Making Decison

📗컴퓨터를 단순한 계산기와 구별하는 요소는 결정하는 능력이다.

• 의사 결정은 it문을 사용해서 표현한다.

📗조건이 참일 경우 레이블이 지정된 인스트럭션으로 분기한다.

• 아닐 경우 순서대로 진행

📗Examples

💡beq rs1, rs2, L1

• if(rs1==rs2), branch to instruction labeled L1.

💡bne rs1, rs2, L1

• if(rs1!= rs2), branch to instruction labeled L1.

💻bne와 beq는 conditional branches라고 불린다.

📕Compiling if-then-else into Conditional Branches

📗consider an if-else statement

• if ( i==j ) f=g+h; else f= g-h;
• f, g, h, i and j는 registers x19/20/21/22/23에 각각 상응된다.

📗Compiled RISC - V code

bne x22, x23, Else // go to Else if i!=  j
add x19, x20, x21 // f=g+h (skipped if i!= j)  
beq x0, x0, Exit // if 0 == 0 , go to exit  -> Unconditional branch
Else : sub x19, x20, x21 // f=g-h (skipeend if i == j )
Exit : 

📕Compiling a while Loop in C

📗Consider an while statement in C

📗Compiled RISC - V  code

Loop :  slli  x10,  x22, 2 // Temp reg  x10 = i*4 
            add x10, x10, x25 // x10 = address of save [i]
             lw : x9, 0(x10)     // Temp reg x9 = save [i]
            bne : x9, x24, Exit // go to Exit if save [i]!= k
            addi x22, x22, 1 // i= i+1
            beq x0, x0, Loop // goto Loop
Exit : 

save 배열은 4byte 배열이기에 인덱스가 한 칸 증가하면 레지스터는 4칸이 증가한 주소를 저장해야 한다.

기존 주소 (x25) + 4칸이 증가한 주소인 x10을 x10에 저장한다.

x9 레지스터에는 x10에 해당하는 데이터인 save [i]를 불러온다.

그리고 while 조건절을 검사한다.

x9에는 save [i]에 대한 값이 있고, k가 들어있는 x24를 비교해서 같지 않다면 Exit로 이동. 아니라면 순차적으로 진행한다.

i에 i +1을 더한 값을 저장하고, 루프로 돌아간다.

📕More Conditional Operators

📗Branch by comparison (blt / bltu and bge/bgeu)

blt rs1, rs2, l1  // less than

• if(rs1 <rs2), branch to instruction labeled L1

bge rs1, rs2, L1 //greater than?

• if(rs1 >= rs2), brnach to instruction labeled L1

📗Signed and unSigned comparison

rs1 11111111   11111111   11111111   11111111

rs2 00000000 00000000 00000000 00000000

 

💻blt rs1, rs2, L1

• L1으로 이동해라 만약 rs1( -1 ) < rs2 ( 1)   ==> TRUE

💻bltu rs1, rs2, L1 

•  L1으로 이동해라 만약 rs1(2^32-1) < rs2(1) ==> False

즉 blt는 Sign numbers를 비교, bltu는 Unsigned numbers를 다룸!!

📗Case/ Switch

• 분기 주소 테이블(또는 분기 테이블)은 프로그램이 테이블로 인덱스 하고 적절한 순서로 분기해야 하는 것만을 허용한다.

📕Procedure Calls 

📗프로시저는 프로그래머가 한 번에 작업의 한 부분을 집중할 수 있게 해 준다.

위 코드와 아래 코드는 같습니다.

📗Caller?

• "calls" the procedure
• procedure를 호출합니다.

📗Arguments

• Data for the procedure
• procedure에 사용되는 데이터입니다.

📗Callee

• The "called" procedure
• 호출당하는 부분입니다.

📗Return

• Data from the procedure
• procedure 호출을 통해서 얻게 된 데이터입니다.

caller는 procedure를 호출합니다.
procedure는 callee입니다.
caller는 callee에게 arguments를 전달합니다.
callee는 결과를 caller에게 리턴합니다.

 

📕Procedure Execution

📗Program은 procedure 실행 6단계를 반드시 따라야 합니다.

1. 프로시저가 매개 변수에 액세스 할 수 있는 위치에 매개 변수 배치
2. 제어권을 프로시저로 이동
3. 프로시저에 필요한 저장공간을 확보한다.
4. 주어진 작업을 수행한다.
5. 호출하는 프로그램이 엑서스 할 수 있는 위치에 결괏값을 배치한다.
6. 제어권을 프로시저가 호출당했던 위치에 반환한다.

📗PC

• Progrma Counter의 약자
• 현재 인스트럭션의 주소를 의미함.

t는 작업 시작 기준? 그런 의미인 듯.

t단계에서는 procedure(g, h)로 이동을 한다.

t+1 단계에서는 제어권을 프로시저로 옮기고, 필요한 저장공간을 확보

• 여기서 저장공간이란 caller가 넘겨준 g, h를 담아둘 공간

t+2 단계에서는 프로시저의 본문인 작업을 진행한다.

t+3 단계에서는 프로시저의 결괏값을 반환한다.

t+4 단계에서는 t단계에서의 진행이 모두 끝났기에 다음으로 이동한다.

📕Supporting procedures in Computer Hardware

📗RISC - V는 함수 호출을 위해서 9개의 레지스터를 할당합니다.

• x10~x17 : 8개의 매개변수 레지스터 ( 파라미터를 전송하거나 값을 반환할 때 사용되는) 
  
  • x10과 x11은 결괏값을 반환하는 데 사용한다.
• x1 : 원점을 반환하기 위한 하나의 반송 주소 레지스터

📗만약 argumetns와 result가 엄청 많다면 레지스터가 모자라지 않을까?

• 그래서 parameter가 일정 개수 이상이면 메모리에 저장된다.
• 메모리에 저장해서 꺼냈다가 넣었다가 하는 작업은 레지스터에 비해서 굉장히 비효율적이기에 우리는 최대한 파라미터의 개수를 적게 사용해서 레지스터에 저장하는 것이 효율적이다.

📗RISC - V는  프로시저만을 위한 인스트럭션을 제공합니다.

• 그것은 주소로 분기하고 동시에 다음 명령의 주소를 목적지 레지스터에 저장합니다.

📗jump-and-link 인스트럭션(jal) for procedure call

jal x1, ProcedureAddress // jump to
          ProcedureAdress and write return address to x1

•  Jump : 프로시저에게 control을 넘겨준다.
• Link :  control이 원점으로 되돌아갈 수 있도록 링크를 만들다.
  • 이 링크는 return address라고 불리고, x1 register에 저장된다.

그림을 보면 이해하기 훨씬 수월할 것입니다.

📗RISC - V는 indirect jump를 사용하여 프로시저로부터의 return을 지원합니다.

📗Jump-and-Link register instruction(jalr) for procedure return

jalr x0, 0(x1)

• 레지스터 x1에 저장된 주소로 분기합니다.
• x0을 destination register로 사용한다 그 효과는 return address를 버리는 것이다.

 

 

📕Using More Registers

📗프로시저가 8개 이상의 인수와 2개의 반환 값을 사용하는 경우, 추가 인수를 저장하고 값을 반환하기 위해 "메모리"가 필요합니다.

📗프로시저를 실행하려면 레지스터의 수가 제한되어 있기 때문에 호출자의 로컬 값을 메모리로 이동해야 합니다.

• Registers spilling : 레지스터의 값을 메모리에 저장하다

📗Register spilling 하는데  이상적인 데이터 구조는 스택이다.

• Stack은 가장 늦게 들어온 것이 가장 먼저 나간다.
• 분명한 푸시와 팝 동작이 없다.
• Load, Store 인스트럭션은 스탁 안에 있는 메모리에 액세스 할 때 사용된다.

📗Stack은 위에서 아래 주소로 확장된다.

• RISC - V에서 Stack 포인터는 register X2 (named sp)
• 스택 포인터는 저장(즉, 푸시) 및 복원(즉, 팝)된 각 레지스터에 대해 한 단어로 조정됩니다.
• push -> go down, pop -> go up

📕Compiling a Leaf Procedure

📗Compiling a C procedure that doesn't call another procedure

 

leaf_example :
addi sp, sp , -12  // adjust stack to make room for 3 items
sw x5, 8(sp)  // save registers x5 for use afterwards
sw x6, 4(sp) // save registers x6 for use afterwards
sw x20, 0(sp) // save registers x20 for use afterwards
add x5, x10, x11 // regitser x5 contains g+h
add x6, x12, x13 // register x6 contains i+j
sub x20, x5, x6 // f= x5-x6, which is (g+h)-(i+j)
addi x10, x20, 0 // returns f (x10 = x20 + 0)  
lw  x20, 0 sp) // restore register x20 for caller
lw x6, 4(sp) // restroe register x6 for caller
lw x5, 8(sp) // restore register x5 for caller
addi sp, sp, 12 //adjust stack to delete 3 items
jalr x0, 0(x1) //branch back to calling routine

 

📕Register Saving Convention

📗값이 사용되지 않는 레지스터를 저장하고 복원하는 것을 방지하기 위해 RISC-V는 레지스터 19개를 두 그룹으로 분리합니다.

📗Caller saved registers

• x5~x7 and x28~x31 : 프로시저 호출에서 callee가 보존하지 않는 임시 레지스터
• Callers는 호출 전에 임시적으로 값을 스택에 저장한다.
• 이러한 레지스터의 내용은 프로시저 호출의 결과로 수정될 수 있습니다.

📗Callee saved registers

• x8~x9 and x18~x27 : 프로시저 호출에 저장해야 하는 레지스터 저장(사용하는 경우 callee가 저장 및 복원)
• Callee는 스택이 사용되기 전에 임시적으로 값을 저장한다.
• Callee는 caller에게 반환하기 전에 그것들은 복구한다.
• 이러한 레지스터의 내용은 프로시저 호출을 통해 보존됩니다.

sw/lw x5 및 x6은 이전 예에서는 필요하지 않지만 sw/lw는 필요합니다. (??)

 

📕Calling Convention

✔요약

• Sign Numbers and Unsign Numbers
  • 각각의 수가 표현할 수 있는 범위가 다름.
  • Unsign Numbers
    • 0~2^32-1
  • Sign Numbers
    • - 2^32 ~ 2^31-1
    • 음수를 표현하기 위해서는 MSB(31번째 자리)를 sign bit로 할당
    • 0이면 양수, 1이면 음수
    • 음수를 표현하기 위해서는 2의 보수방식을 채택
      • not 연산 후 +1을 더해줌.
• RISC-V에는 인스트럭션 type이 3가지 있다.
  • R-type
  • I-type
  • S-type
  • 각각의 쓰임과 인스트럭션을 잘 알아둬야할 듯. (Instruction Format이 다름)
• RISC-V에서는 NOT instructions이 따로 필요하지 않다.
  • XOR로 구현 가능함.
• Procedure 각각의 요소에 대해서 알아야 할듯.
  • caller
  • callee
  • arguments
  • Return
• 프로시저 실행의 6단계
• RISC - V는 프로시저 호출에 대해서 9개의 레지스터를 할당한다.
  • x12 ~ x17 : 매개변수 전송
  • x10 ~ x11 :  리턴 값 저장.
  • x1 : 원점으로 돌아가기 위한 return address를 저장.
• stack이라는 자료구조는 spilling registers를 하는데 효과적이다.
  • high address에서 low address로 확장된다.
  • x2는 stack pointer이다.
  • push와 pop으로 값을 저장하거나 복구한다.
• RISC-V는 레지스터를 2개의 그룹으로 분리했다.
  • Caller
    • x5~x7 and x28~x31 : temporary register
  • Callee
    • x8~x9 and x18~x27 : save register