[CA] Chapter 2-1: Memory Operands, R/I-type

⚙ Computer Architecture 공부

Memory Operands

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• MIPS CPU는 32개의 registers만 가지고 있어 복잡한 데이터 구조를 처리하기 어려움
• 배열이나 구조체는 레지스터보다 훨씬 많은 데이터 요소를 포함할 수 있음
• 실제로 데이터 구조는 메모리에 저장됨 (레지스터가 아닌)
• 하지만 산술 명령어의 피연산자(operands)는 반드시 register에 있어야 함

Memory_sturcture

• Memory is a large, single-dimensional array
• The unit is a byte
• Address acting as index to that array, staring from 0

📚이 문제를 해결하기 위해 MIPS에는 Data transfer instructions(load and store)이 포함되어있음

• Load: 메모리에서 레지스터로 데이터 전송
• Store: 레지스터에서 메모리로 데이터 전송

Load Instruction (lw - load word)

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• 형식: lw register_to_be_loaded memory_address_to_be_accessed
  • memory_address_to_be_accessed: index

    기본 예시

    lw $t0, 32($s3)  # $t0 = Memory[$s3 + 32]
    

    의미: 주소 s3에서 32바이트만큼 떨어진 메모리 위치의 값을 t0에 로드

g = h + A[8]; 구현 예제

• 가정1: A는 100개 요소를 가진 4바이트 정수 배열
• 가정2: A의 기본 주소는 $s3에 저장됨
• 가정3: 변수 g와 h는 각각 $s1과 $s2에 매핑됨

  lw $t0, 32($s3)    # $t0 = A[8] (32 = 8*4bytes)
  add $s1, $s2, $t0  # $s1 = $s2 + $t0 (g = h + A[8])
  

Store Instruction (sw - store word)

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• 형식: sw register_to_be_storedmemory_address_to_be_accessed

기본 예시

sw $t0, 48($s3)  # Memory[$s3 + 48] = $t0

의미: 주소 s3에서 48바이트만큼 떨어진 메모리 위치의 값을 t0에 저장

A[12] = h + A[8]; 구현 예제

lw $t0, 32($s3)    # $t0 = A[8] (32 = 8*4bytes)
add $t0, $s2, $t0  # $t0 = $s2 + $t0 (h + A[8])
sw $t0, 48($s3)    # A[12] = $t0 (48 = 12*4bytes)

Representing MIPS Insturction

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✅ MIPS 명령어(add, sub, addi, lw, sw 등)도 결국 정보이므로 이진수로 표현 가능

• 모든 MIPS 명령어는 32bist(4bytes) 길이를 가짐

R-Type(Register-type) 명령어

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• 어떤 명령어인지, 어떤 레지스터를 사용하는지 등을 나타내는 필드들로 구성

Register-type

• op(opcode): basic operation code (6bits)
• rs: the 1st register source operand
• rt: the 2nd register source operand
• rd: the register source operand
• shamt: shift amount (5bits, 시프트 명령어에서 사용, 그 외에는 0)

• funct: function code(6bits)

• 예시:

• MIPS는 32개의 register를 가지며, 각 레지스터는 특정 목적으로 사용됨:

I-Type(Immediate-type) 명령어

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• contants 또는 address offset을 포함하는 명령어에 사용됨 (Data transfer instructions, Immediate instructions 등)

Immediate-type

• constant/address: 상수 값 또는 주소 오프셋 (16비트)

• 예시:

종합 예시

• 배열 요소 업데이트: A[300] = h + A[300];
• 가정:
  • $t1에는 배열 A의 기본 주소가 저장됨
  • $s2는 변수 h에 해당함

lw $t0, 1200($t1)    # $t0 = A[300] (1200 = 300*4)
add $t0, $s2, $t0    # $t0 = h + A[300]
sw $t0, 1200($t1)    # A[300] = $t0

1. lw $t0, 1200($t1) (I-type)
   • op = 35 (100011)
   • rs = 9 (01001) - $t1
   • rt = 8 (01000) - $t0
   • constant/address = 1200 (0000 0100 1011 0000)
   • lw $t0, 1200($t1) = 100011 01001 01000 0000 0100 1011 0000
2. add $t0, $s2, $t0 (R-type)
   • op = 0 (000000)
   • rs = 18 (10010) - $s2
   • rt = 8 (01000) - $t0
   • rd = 8 (01000) - $t0
   • shamt = 0 (00000)
   • funct = 32 (100000)
3. sw $t0, 1200($t1) (I-type)
   • op = 43 (101011)
   • rs = 9 (01001) - $t1
   • rt = 8 (01000) - $t0
   • constant = 1200 (0000 0100 1011 0000)