[Computer Organization & Design] Instructions: Language of the Computer - Part 2

https://kangcoder.tistory.com/entry/Computer-Organization-Design-Instructions-Language-of-the-Computer-Part-1

[Computer Organization & Design] Instructions: Language of the Computer - Part 1

MIPS의 여러 Instructions에 대해 살펴보자.

 

Logical Operations

AND Operation (R-format)

word에서 특정 부분의 bit들을 mask할 때 유용하다.

- 특정 bit들을 선택하고, 나머지는 0으로 둔다.

 

OR Operation (R-format)

word에서 특정 부분을 포함시키고 싶을 때 유용하다.

- 특정 bit 부분을 무조건 1로 바꾸고, 나머지는 그대로 계승한다.

 

NOT Operation 

word의 bit들을 모두 반전시키고 싶을 때 유용하다. (0 -> 1, 1 -> 0)

- MIPS는 not inst.를 따로 만들진 않았고, nor를 활용하여 NOT을 구현하였다.

- a NOR b => NOT (a OR b)이므로, b=0일 경우 NOT (a OR 0) = NOT a가 된다.

 

Shift Operations (R-format Instruction)

모든 bit들을 왼쪽/오른쪽으로 몇 칸이나 shift 시킬 것인가

sll

- 왼쪽으로 shift

- 전체 bit들이 왼쪽으로 이동하며, 이동하면서 생기는 오른쪽의 빈 공간들은 0으로 채워진다.

- sll $t2, $s0, 8 # s0에 담긴 값을 8bits만큼 왼쪽으로 shift 시켜 t2에 담는다.

- i비트만큼 왼쪽으로 shift한 것은, 2^i만큼 곱한 것과 같다.

slr

- 오른쪽으로 shift

- 전체 bit들이 오른쪽으로 이동하며, 이동하면서 생기는 왼쪽의 빈 공간들은 0으로 채워진다.

- i비트만큼 오른쪽으로 shift한 것은, 2^i만큼 나눈 것과 같다. 이 때, 부호가 있는 표현에서는 MSB가 0이 되므로 음의 여부도 달라질 수 있으니 유의해야 한다.

 

Conditional Operations

조건(condition)에 대한 operations.

조건이 true라면 label된 Inst.로 향하게 하는 branch. false라면 그대로 진행

 

MIPS Control Flow Instructions (I-format)

bne $s0, $s1, Lbl # $s0 != $s1이라면 Lbl로 가라

beq $s0, $s2, Lbl # $s0 == $s1이라면 Lbl로 가라

 

예제

C code:

if (i == j) f = g + h;

else f = g - h;

(f=$s0, g=$s1, h=$s2, i=$s3, j=$s4)

 

MIPS code:

beq $s3, $s4, Else

sub $s0, $s1, $s2

j  Exit

Else: add $s0, $s1, $s2

Exit: ...

 

C code:

while (save[i] == k) i+=1;

(i=$s3, k=$s5, save의 시작 주소=$s6)

 

MIPS code:

Loop: sll $t0, $s3, 2 #현재 save의 base address인 $s6에 i번째 index만큼 이동하여 가기 위해서는 $s6 + (4*i)가 되어야 한다.

           add $t0, $t0, $s6

           lw $t1, 0($t1)

           bne $t1, $s5, Exit

           addi $s3, $s3, 1

           j  Loop

Exit: ... 

 

More Branch Instructions

좀 더 조건적인 Inst. (조건이 true라면 결과를 1로 만들고, 아니라면 0으로 만든다)

slt rd, rs, rt

- if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0;

 

slti rt, rs, constant

- if (rs < constant) rt  = 1; else rt = 0;

 

bne, beq와 혼합하여 사용한다.

slt $t0, $t1, $t2 # $t1 < $t2라면 $t0를 1로, 아니라면 0으로

beq $t0, $zero, L # $t0가 0이라면 L로

=> 이렇게 혼합하여 사용해서 less than등을 표현할 수 있다.

 

Branch Instruction Design

왜 blt(branch less than), bge(branch greater or equal) 등은 없는가?

- 하드웨어 입장에서 <, ≤ 등의 연산은 =, ≠보다 느리다.

- 모든 branch Inst.를 지원하면 한 inst.마다 기존보다 더 많은 일을 수행하게 되고, 클럭 속도가 느려진다. => 모든 Inst.가 불이익을 받는다. (클럭 속도가 느려지므로)

- 그리고 beq, bne는 자주 쓰이는 Inst. 이다. (MIPS의 좋은 설계를 위한 적당한 타협 설계 규칙)

 

Signed vs. Unsigned

부호가 있는 비교: slt, slti

부호가 없는 비교, sltu, sltui

 

예제

$s0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

$s1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001

slt $t0, $s0, $s1 => $t0 = 1 ($s0 < $s1 이기 때문)

sltu $t0, $s0, $s1 => $t0 = 0 ($s0 > $s1이기 때문)

 

Branching Far Away

만약 branch 명령어의 destination이 16bits 범위보다 훨씬 멀리 있는 경우 어떻게 해야 할까?



jump instruction (J-format)

op (6bits): opcode

address (26bits): target 주소

- target 주소는 26bits지만, PC에서 4bits를 가져오고, 끝에 2bits를 00을 붙여서 32bits를 만든다.

 

이제 16bits보다 먼 범위를 jump해보자.

beq $s0, $s1, L1에서 L1이 먼 주소라고 한다면

bne $s0, $s1, L2

j  L1

L2: ...

로 표현할 수 있다.