Reference :
- 컴퓨터 구조 및 설계 MIPS EDITION [6판] / David A. Patterson / 한빛에듀
- 건국대학교 컴퓨터구조 강의 / 박능수 교수님
- https://developbear.tistory.com/ (김베어의 개발일지)
조건 명령어 (Conditional Operations)
- 조건부 분기 (Conditional Branch)
컴퓨터는 판단 기능이 있어, 입력 데이터나 연산 결과에 따라 다른 명령어를 실행할 수 있다.
우리가 프로그래밍을 할 때 if 문이나 go to 문과 같은 조건문을 사용하여 판단 기능을 표한다.
MIPS 명령어로는 아래의 2가지가 존재하며, 이 두 명령어를 조건부 분기(conditional branch)라 부른다.
* 조건부 분기 (conditional branch)
: 두 값의 비교가 필요한 명령어로, 비교 결과에 따라 프로그램 내의 새로운 주소로 제어를 넘길 수 있게 한다.
1. beq(branch on equal)
beq rs, rt, L1 # if (rs == rt) branch to instruction labeled L1레지스터 rs와 rt의 값이 같으면 L1에 해당하는 문장으로 가라는 뜻이다.
2. bne(branch on not equal)
bne rs, rt, L1 # if (rs != rt) branch to instruction labeled L1레지스터 rs와 rt의 값이 다르면 L1에 해당하는 문장으로 가라는 뜻이다.
beq와 bne는 I-format을 따르며, 16비트 주소 필드에는 target address가 들어간다.
* target address : 현재 읽고 있는 명령어에서부터의 상대적인 거리
- 무조건 분기 (Unconditional Branch)
무조건 분기(unconditional branch)로는 jump 명령어가 있다. (jump라는 이름을 붙이고 간략하게 j로 사용)
이 명령어는 프로세서에게 항상 분기하라고 말한다.
jump는 J-format을 따른다. (자세한 설명은 후에 할 예정)
예를 들어, 다음과 같은 C 코드가 있다고 하자.
if (i == j) f = g + h;
else f = g - h;
이를 MIPS 어셈블리 언어로 컴파일한다면 다음과 같을 것이다.
bne $s3, $s4, Else # go to Else if i
add $s0, $s1, $s2 # f = g + h (skipped if i != j)
j Exit # go to Exit
Else: sub $s0, $s1, $s2 # f = g - h (skipped if i = j)
Exit: ...beq가 아닌 bne를 쓰는 이유는 더 효율적이기 때문이다
Else나 Exit으로의 분기 주소 계산은 어셈블러가 한다.
순환문
순환문은 어떻게 컴파일될까?
while (save[i] == k) i += 1;
배열 save의 시작 주소가 $s6에 저장되어 있고, i와 k는 각각 레지스터 $s3와 $s5에 할당되었다고 할 때
MIPS 어셈블리 언어는 다음과 같을 것이다.
Loop: sll $t1, $s3, 2 # Temp reg $t1 = i * 4
add $t1, $t1, $s6 # $t1 = address of save[i]
lw $t0, 0($t1) # Temp reg $t0 = save[i]
bne $t0, $s5, Exit # go to Exit if save[i] != k
addi $s3, $s3, 1 # i = i + 1
j Loop # go to Loop
Exit: ...
1. sll $t1, $s3, 2 → add $t1, $t1, $s6
==> 순환의 끝에서 처음 명령어로 되돌아갈 수 있도록 Loop이라는 레이블을 추가한다.
save[i]의 값을 가져오기 위해서는 먼저 그 주소를 구해야 한다.
바이트 주소 문제 때문에 인덱스 i에 4를 곱해서 save의 시작 주소에 더해야 주소가 만들어진다.
2 비트씩 왼쪽 자리이동(shift left)을 하면 4를 곱한 것과 같기 때문에
sll 연산을 사용하여 임시 레지스터 $t1에 값을 저장한다. (상대 주소)
그 후 $t1 값과 save의 시작 주소를 더하여 save[i]의 주소를 구한다. (절대 주소)
2. lw $t0, 0($t1)
==> $t1에 저장된 주소를 통해 save[i]에 저장된 값을 임시 레지스터 $t0에 저장한다.
3. bne $t0, $s5, Exit
==> 반복 검사를 수행해서 save[i] != k이면 순환에서 빠져나가는 부분이다.
4. addi $s3, $s3, 1
==> i에 1을 더하는 명령어이다.
5. j Loop
==> 순환문의 끝에서는 맨 앞의 while 조건 검사로 되돌아가야 한다.
그렇다면 명령어 실행 중, 다음 라벨 혹은 분기점으로 어떻게 넘어가는 것일까?
PC(Program Counter) 레지스터는 명령어의 주소를 담고 있는 레지스터이다.
원래는 한 사이클마다 PC 레지스터의 값에 4를 더해서 다음 명령어를 실행한다.
4를 더하는 이유는 워드(word) address이기 때문이다. (1 word = 4 byte)
만약 beq 또는 bne가 발생하여 상수값(offset)이 들어오게 된다면
offset+4의 값을 부호 확장(sign extend)하여 PC+4의 값에 더해준다.
이때 부호 확장을 하는 이유는 PC가 32비트 값을 가지고 있는 레지스터이기 때문에 비트 수를 맞추기 위해서이다.
따라서 다음 명령어의 주소는 PC+4가 아닌, PC+4에 offset*4를 더한 값이 되므로
조건문이 원하는 명령어를 실행하게 되는 것이다.
이렇게 명령어 내 상수의 합이 실제 주소가 되는 주소 지정을 PC 상대 주소 지정(PC-relative addressing) 방식이라고 한다.
경우에 따라서는 두 변수 간의 대소 비교가 필요할 수 있다.
이때는 slt(set on less than)이라는 명령어를 사용한다.
slt $t0, $s0, $s1 # if $s0 < $s1 then # $t0 = 1 else # $t0 = 0
두 레지스터의 값을 비교한 후
$s0 < $s1이라면 $t0 = 1, 반대의 경우에는 $t0 = 0이 되는 것이다.
이 명령어는 피연산자가 2개이기 때문에 R-format을 따른다.
slt 명령어에는 여러 가지 대안 버전이 존재한다.
stli $t0, $s0, 25 # i : immediate - if $s0 < 25 then $t0 = 1 ...
sltu $t0, $s0, $s1 # u : unsigned - if $s0 < $s1 then $t0 = 1 ...
sltiu $t0, $s0, 25 # iu : immediate unsigned - if $s0 < 25 then $t0 = 1 ...* 부호가 없는 수 : slt, stli
* 부호가 있는 수 : sltu, sltiu
부호가 있는 수와 없는 수를 구분해야 하는 이유는
1111 1111 1111 1111가 부호가 없을 때 매우 큰 수이지만, 부호가 있을 때에는 -1인 것처럼 큰 차이가 존재하기 때문이다.
slt, beq, bne 명령어들과 $zero를 통해 다양한 비교 조건문을 구현할 수 있다.
1. blt (branch less than)
blt $s1, $s2, L # if $s1 < $s2 go to Lslt $at, $s1, $s2 # if $s1 < $s2 then $at = 1
bne $at, $zero, L # if $at != 0 go to L
2. ble (branch less than or equal to)
ble $s1, $s2, L # if $s1 <= $s2 go to Lslt $at, $s2, $s1 # if $s2 >= $s1 then $at = 0
beq $at, $zero, L # if $at == 0 go to L
3. bgt (branch greater than)
bgt $s1, $s2, L # if $s1 > $s2 go to Lslt $at, $s2, $s1 # if $s2 < $s1 then $at = 1
bne $at, $zero, L # if $at != 0 go to L
4. bge (branch greater than or equal)
bge $s1, $s2, L # if $s1 >= $s2 go to Lslt $at, $s1, $s2 # if $s1 >= $s2 then $at = 0
beq $at, $zero, L # if $at == 0 go to L
위의 명령어들은 왜 따로 만들지 않고 slt와 beq, bne를 통해서 구현할까?
위 명령어들을 직접 만든다면 이들은 너무 복잡해서 별도의 클럭 사이클이 발생하고, 이에 따라 수행 속도가 느려지게 된다. 간단한 설계를 지키기 위해, 그리고 자주 생기는 일을 더 빠르게 만들기 위해 빠른 명령어 두 개를 대신 사용하는 것이다.
기본 블록 (Basic Block)
분기 명령을 포함하지 않으며 (맨 끝에는 존재 가능)
분기 목적지나 분기 테이블도 없는 (맨 앞에는 존재 가능) 명령어 시퀀스를 말한다.
컴파일의 초기 단계 작업 중 하나는 프로그램을 기본 블록으로 나누는 일이다.
MIPS J-format Instruction
J : Jump
- op : 명령어가 실행할 연산의 종류로서 연산자(opcode)라고 부른다.
- jump target : jump 할 타겟 주소(상대 주소) 값이 저장된다.
무조건 분기 명령어
원하는 명령어로 주소를 바꾸고 싶을 때 사용한다.
j L # go to L
똑같이 PC+4에 26비트의 offset+4 값이 더해져서 다음 명령어의 주소가 바뀌게 된다.
만약 branch 타겟 주소가 16비트로 표현할 수 없는 먼 주소라면 어떻게 해야 할까?
beq $s0, $s1, L1 # L1이 16비트로 나타낼 수 없는 수일 경우
j 명령어를 활용하여 다음과 같이 해결할 수 있다.
bne $s0, $s1, L2 # L2 : L1보다 가까운 주소 j L1 L2:'컴퓨터 구조 > Ch2. 명령어 : 컴퓨터 언어' 카테고리의 다른 글
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