[CA] Chapter 1-1: MIPS

⚙ Computer Architecture 공부

• System software enable your app software to run on hardware
  • System software는 application과 hardware를 연결하는 다리 역할
• Two type of system sw
  1. OS
     1. Allocates memory and storage
     2. Handles I/O operations
     3. Coordinates concurrent applicaions
  2. Compiler
     1. 고급 언어로 작성된 프로그램을 하드웨어가 실행할 수 있는 명령어로 변환
        • ex: c = a + b; → 100111010

High-level language to Machine Language

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High-level language(C code): Text composed of words and algebraic notation ↓ Compiler Assembly language: A symbolic representation of machine instructions(대충 봐도 추측 가능) Assembly language → Machine language Machine language: A binary representation of machine instructions

• 고급 언어(C) → 컴파일러 → 어셈블리 언어(MIPS) → 어셈블러 → 기계어

Instruction Set

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• Instruction: 컴퓨터 언어의 단어
• Instruction Set: 특정 컴퓨터가 이해하는 명령어 목록
• 다른 컴퓨터 언어(Instruction Set)는 서로 유사함

💻MIPS ARITHMETIC Instructions

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• MIPS의 특징
  • 각 명령어는 하나의 연산만 수행
  • 각 명령어는 정확히 3개의 변수를 가짐
  • 복잡한 연산은 여러 개의 명령어로 분해해야 함

MIPS 기본적인 예시

add a, b, c  # a = b + c
sub a, b, c  # a = b - c

그럼 여러 변수의 경우는?

# C 언어: a = b + c + d + e;

# MIPS 명령어:
add a, b, c  # a = b + c
add a, a, d  # a = a + d
add a, a, e  # a = a + e

• 위의 예시처럼 3개의 변수로 계산하도록 분해해야함!!

C 프로그램을 MIPS 명령어로 변환하는 예제

예제 1: 간단한 덧셈과 뺄셈

# C 프로그램:
a = b + c;
d = a - e;

# MIPS 명령어:
add a, b, c
sub d, a, e

예제 2: 괄호가 포함된 복잡한 수식

# C 프로그램:
f = (g + h) - (i + j);

# MIPS 명령어:
add t0, g, h  # 임시 변수 t0에 g + h 저장
add t1, i, j  # 임시 변수 t1에 i + j 저장
sub f, t0, t1 # f = (g + h) - (i + j)

5개의 변수 필요, g+h를 담을 임시 변수가 필요함(t0)

MIPS Registers

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• MIPS CPU에는 32개의 Registers가 있으며, 각 레지스터 크기는 32bits(32bits 단위는 “word”라 부름)
• 명령어는 이를 피연산자로 활용

  ┌─────────┬───────────┬─────────────────────────────┐
  │name     │register number│ 용도                    │
  ├─────────┼───────────┼─────────────────────────────┤
  │ $zero   │ 0         │ 상수 0                      │
  │ $v0-$v1 │ 2-3       │ 결과값과 수식 계산           │
  │ $a0-$a3 │ 4-7       │ 인자(Arguments)              │
  │ $t0-$t7 │ 8-15      │ 임시 변수                    │
  │ $s0-$s7 │ 16-23     │ 저장된 변수                  │
  │ $t8-$t9 │ 24-25     │ 추가 임시 변수               │
  │ $gp     │ 28        │ 전역 포인터                  │
  │ $sp     │ 29        │ 스택 포인터                  │
  │ $fp     │ 30        │ 프레임 포인터                │
  │ $ra     │ 31        │ 리턴 주소                    │
  └─────────┴───────────┴─────────────────────────────┘
  

• 위의 register에 따라 예시 2를 다음처럼 바꿔볼 수 있다

  # f,g,h,i,j를 각각 $s0, $s1, $s2, $s3, $s4에 저장 (#s0~7은 저장된 변수)
  add t0, $s1, $s2   # 임시 변수 t0에 g + h 저장
  add t1, $s3, $s4  # 임시 변수 t1에 i + j 저장
  sub $s0, $t0, $t1 # f = (g + h) - (i + j)
  

MIPS Constant

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• constant를 연산에 사용하기 위한 “immediate operation” 제공
• addi $s3, $s3, 4 → $s3 = $s3 + 4
• 세가지 연산 비교

  ┌─────────────┬─────────────┬───────────────┬────────────────┐
  │ 명령어      │ 예시         │ 의미           │ 설명           │
  ├─────────────┼─────────────┼───────────────┼────────────────┤
  │ add        │ add $s1,$s2,$s3 │ $s1=$s2+$s3 │ 레지스터 3개 사용 │
  │ subtract   │ sub $s1,$s2,$s3 │ $s1=$s2-$s3 │ 레지스터 3개 사용 │
  │ add immediate│ addi $s1,$s2,20│ $s1=$s2+20  │ 상수 더하기      │
  └─────────────┴─────────────┴───────────────┴────────────────┘