[CA] Chapter 5-1: Memory, Word addressing
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Memory Regions
컴퓨터의 메모리 공간은 목적에 따라 여러 영역으로 나뉜다
1. Text Segment
Text Segment: MIPS 기계어 코드가 저장되는 곳
- 프로그램이 실행될 떄 명령어들이 이곳에 로드됨
PC(program counter)가 현재 실행 중인 명령어를 가리킴
2. Static Data Segment
Static Data Segment: constants(상수)와 static variable(정적 변수)이 저장됨
- c에서 Static variable은 모든 프로시저 밖에서 선언되거나
static키워드로 선언됨 - MIPS는
$gp(글로벌 포인터)를 제공 → static data에 접근
3. Heap
Heap: Dynamic data Structure(예: 배열, 리스트)를 위한 영역
- c예서
malloc()으로 할당,free()로 해제 - Heap과 Stack은 서로를 향해 성장
4. Stack
Stack: local variable, procedure를 위한 영역
$sp(stack pointer)가 가장 최근에 저장된 데이터를 가리킴
Stack + Heap + Static data segment + Text segment
MIPS 주소 지정 (32-bits Address)
MIPS 명령어가 메모리의 Text segment에서 주소를 어떻게 표현할까?
1. Jump instruction (J-type)
26bits를 사용하여 메모리 주소 표현
만약 주소가 2^26bytes보다 크다면?
2. Conditional branch instruction (I-type)
16bits만 사용하여 주소 표현 (J-type보다 훨씬 작음)
32비트 메모리 주소는 어떻게 표현할 수 있을까?
Word Addressing
- 각 명령어는 Text Segment에 저장
j 10000orbne $s0, $s1, Exit에서10000이나Exit은 대상 명령어를 가리킴
- Instruction Size(Word)로 인해 byte offset을 고려할 필요가 없다
- 마지막 두 비트는 항상
00(예: xxxx xxxx xxxx xxxx xx00)이므로 필드에서 비트가 낭비됨
- 마지막 두 비트는 항상
- target address가 워드 주소로 지정되면, 바이트 주소 공간의 4배 크기 표현 가능
Word Address vs byte Address
일반적인 메모리 주소 지정에서는 byte address를 사용한다 각 바이트마다 고유한 주소가 있어, 메모리의 모든 바이트에 접근 가능 32bits 주소 체계에서는 2^32(약 4GB)의 바이트에 접근 가능
byte address 예시:
1
2
3
4
5
6
0x00: 바이트 1
0x01: 바이트 2
0x02: 바이트 3
0x03: 바이트 4
0x04: 바이트 5
...
word address에서는 주소가 4bytes(word)단위로 증가함 명령어가 항상 워드 단위로 정렬되어 있음 → 실제로 명령어를 참조할 때는 마지막 2bits(00)을 굳이 포함X
word address 예시:
1
2
3
4
5
0x00: 워드 1 (바이트 주소 0x00~0x03)
0x01: 워드 2 (바이트 주소 0x04~0x07)
0x02: 워드 3 (바이트 주소 0x08~0x0B)
0x03: 워드 4 (바이트 주소 0x0C~0x0F)
...
- word address는 실제 byte address의 1/4
- byte address
0x1000이 word address로는0x400이 된다 - 즉, word address를 사용하면 마지막 2bits를 생략 가능해서 같은 bits 수로 4배 더 넓은 주소 공간을 다룰 수 있게 됨
PC-Relative Addressing for I-Type
I-type 명령어의 16bits 필드는 2^16 word(and instruction)만 표현할 수 있는 제한이 존재
이를 극복하기 위해 PC-Relative Addressing을 사용
target address는 PC(현재 명령어 주소)를 기준으로 지정됨Target address(32-bit)is calculated as PC(32-bit)+ branch offset (16-bit)Target address(32-bit)= (PC + 4) + (branch address in word * 4)
- 대부분의
loop, if 문은 2^16 word보다 훨씬 작은 주소를 필요로 함
✅PC-Relative Addressing의 장점:
- 코드의 재배치성(relocatability): 코드가 메모리의 어디에 로드되든 분기가 올바르게 작동
- 더 작은 비트 필드로 실용적인 주소 범위 제공
Pseudo-Direct Addressing for J-Type
I-type에도 제한이 있듯이 J-type instruction의 26bits 필드도 2^26 word(and instruction)만 표현 가능해서 제한 존재
이를 해결하기 위해 Pseudo-Direct Addressing 사용
- Target address는 부분적으로 PC를 기준으로 지정
Target address(32-bits)=upper 4 bits of PC(32-bit)⊕branch offset(26-bit)⊕00- ⊕ 는 연결(concatenation) 연산자
- PC의 가장 유의미한 4비트(32-29비트)를 가져와 상위 4비트로 사용
- 명령어의 26비트 주소 필드(28-3비트)를 중간 26비트로 사용
- 마지막 2비트는 00(바이트 정렬을 위해)
- ⊕ 는 연결(concatenation) 연산자
MIPS 주소 지정 예제
1
2
3
4
5
6
7
Loop: sll $t1, $s3, 2 # 임시 레지스터 $t1 = 4 * i
add $t1, $t1, $s6 # $t1 = save[i]의 주소
lw $t0, 0($t1) # 임시 레지스터 $t0 = save[i]
bne $t0, $s5, Exit # 만약 save[i] ≠ k라면 Exit으로 이동
addi $s3, $s3, 1 # i = i + 1
j Loop # Loop로 이동
Exit:
위 코드를 해석한 도표
가정:
- loop가 메모리의
80000위치에서 시작 bne $t0, $s5, Exit:80012에 위치j Loop:80020에 위치
✅PC-Relative Addressing(bne instruction):
Target address= (PC + 4) + (offset * 4)- = (80012 + 4) + (2*4) = 80016 + 8 = 80024
✅Pseudo-Direct Addressing:
Target address= upper 4 bits of PC ⊕ (offset * 4)- = 0000 ⊕ (20000 * 4) = 80000
MIPS ADDRESSING MODES
- Immediate addressing:
- identy operand 값이 명령어에 직접 포함됨
- 예:
addi $t0, $t0, 4(4라는 값이 명령어에 즉시 포함)
- Register addressing:
- identy operand가 레지스터에 있음
- 예:
add $t0, $t1, $t2(모든 피연산자가 레지스터)
- Base addressing:
- 메모리 주소가 베이스 레지스터와 오프셋의 합으로 계산됨
- 예:
lw $t0, 12($s0)($s0 + 12 위치에서 데이터를 로드)
- PC-relative addressing:
- branch 명령어에서 사용, target address가 PC + 오프셋으로 계산
- 예:
beq $t0, $t1, Loop(Loop 위치가 PC에 상대적으로 계산)
- Pseudo-direct addressing:
- jump 명령어에서 사용, target address가 PC의 상위 비트와 주소 필드의 조합으로 계산
- 예:
j Exit(Exit 위치가 의사 직접 방식으로 계산)