[컴퓨터 구조] Instruction Cycles - 16 bit Computer

Instruction Cyle은 크게 4가지 단계를 거쳐 진행된다.

 

1. Memory로부터 Instruction을 fetch

2. Instruction을 Decode

3. Memory로부터 effective address 읽기

4. Instruction의 실행

특히나 3번의 과정은 Instruction의 종류에 따라 생략될 수 있다.

 

 

Instruction의 구조

 

앞선 cycle의 흐름을 단번에 파악하긴 어렵다.

 

Instruction Cycles를 이해하기 위해선, Instruction에 어떤 종류가 있는지 부터 파악해야한다.

 

기본적으로 16비트 컴퓨터에서 Instruction format에는 총 3가지가 있다.

 

1. Memory - reference Instruction

 

2. Register - refernce Instruction

 

3. I/O - reference Instruction

 

 

읽히는 바와 같이 각각 메모리, 레지스터, I/O 기반 명령어 구조를 뜻한다.

 

각각 하나씩 어떤 특징이 있는지 살펴보자.

 

 

Memory - Referece Instruction

memory - reference Instruction

 

• 최상위 비트는 1로 고정이며, operation code는 000 ~ 011까지의 값을 가진다.
• operation code의 조합으로 명령어의 종류가 결정된다.
• 피 연산자를 필요로 한다.

 

 

 

Register - Reference Instruction

 

register - reference - instruction

 

• operation code는 111(고정)이며, 최상위 비트도 0(고정)이다.
• 피 연산자가 필요가 없기 때문에 따로 address part가 있지 않고, 나머지 비트로 연산의 종류를 결정 짓는다.(이를 operand가 필요하지 않다고 말한다.)

 

 

I/O - Reference Instruction

Input/Output Instruction

 

• 최상위 비트와 Operation code가 모두 1로 구성된 Instruction을 뜻한다.
• register - reference - instruction과 마찬가지로 피연산자를 필요로 하지 않는다.

 

아래 표는 이러한 각 Instruction의 연산 종류와 각 Instruction을 Hexadecimal로 구분한 내용이다.

https://upscfever.com/upsc-fever/en/gatecse/en-gatecse-chp155.html

 

나누어진 부분에 따라 각각 memory, register, i/o instruction에 대한 명령어 구조임을 알 수 있다.

 

 

 

 

 

Instruction Cycle FlowChart

 

그렇다면, 이제 Instruction Cycle을 이해할 차례이다.

 

대부분의 용어들은 줄임말로 적혀져있어 이해하기 어려울 수 있다.

그래서 용어 정리를 한번 해두고 가는 편이 좋은 것 같다.

 

SC : Sequence Counter, 순서를 카운터 한다.
AR : Address Register, 주소 저장 레지스터
IR : Instruction Register, 명령어 저장 레지스터
MAR : Memory Address Register
PC : Program Counter

 

 

• T0 : AR <- PC
  • PC가 가진 주소를 AR에 넣는다.
  • 즉, 다음 명령어의 주소를 넣는 것이다.
• T1 : IR <- M[AR], PC = PC + 1
  • 명령어를 IR에 저장하고, PC를 하나 증가시켜준다.
• T2 : Decode operation code in IR(12 ~ 14), AR <- IR(0~11), I <- IR(15)
  • 12~14번째 비트는 operation code 부분이므로, 이를 통해 어떤 종류의 명령어인지 파악한다.
  • 111이 될 수 밖에 없는 I/O instruction이나 register instruction은 1을 반환하고, 그 이외는 memory instruction이다.
  • AR에 IR(0~11)을 해주는 것은 memory instruction을 위한 것이며 이는 피연산자가 존재하기 때문이다.
  • I <- IR(15)는 I/O instruction과 register instruction을 구분 짓기 위함과 동시에 memory instruction의 direct, indirect 주소 지정 방식을 정하는 것이기도 하다.
• 피연산자가 필요 없는 I/O instruction과 register instruction은 T3의 단계가 필요 없으며, 바로 SC<-0을 해주어 다음 실행단계를 거칠 수 있도록 한다.
• Memory - reference instruction은 operand의 주소 지정 방식이 크게 Indirect와 direct로 나뉜다.(이는 I가 1이냐 0이냐의 차이이다.)
  • Indirect는 operand의 주소의 주소를 지정
  • direct는 operand의 주소를 지정
• T3 : memory - reference instruction의 indirect인 mode에서만, AR <- M[AR]이 적용되며, address register에 메모리 상에 존재하는 operand값이 참조되어 들어온다.
  • 이외의 direct mode에서는 달리 아무일도 하지 않는다.

 

 

 

References

 

[컴퓨터구조] 16비트 컴퓨터 설계하기 - Instruction Cycles

[컴퓨터구조] 16비트 컴퓨터를 설계하자 - Instruction set 정의하기