레지스터

최건우·2023년 1월 28일

컴퓨터공학

혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제

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레지스터

레지스터는 프로그램 속의 명령어와 데이터를, 프로그램 실행 전/후로 저장한다. 따라서 레지스터를 통해 프로그램의 실행 과정을 파악할 수 있다.

레지스터는 그 종류가 다양하고 각기 다른 역할을 수행한다.

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터

Program Conter(PC): 메모리에서 읽어들일 명령어의 주소를 저장.
어떤 CPU에서는 PC를 명령어 포인터(IP: Instruction Pointer)라고도 부른다.

2. 명령어 레지스터

Instruction Register(IR): 방금 메모리에서 읽어들인 명령어를 저장하는 레지스터.
제어장치는 IR 안에 있는 명령어를 받아들이고 해석한 뒤 제어 신호를 보낸다.

3. 메모리 주소 레지스터

Memory Address Register(MAR): 메모리의 주소를 저장하는 레지스터.
CPU가 읽어들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때, 이곳을 거치게 된다.

4. 메모리 버퍼 레지스터

Memory Buffer Register(MBR): 메모리와 주고받을 값(데이터, 명령어)을 저장하는 레지스터.
메모리에 쓰고 싶은 값은 이곳을 거쳐 데이터 버스로 보낸고, 메모리로부터 데이터 버스를 통해 값을 전달받을 때도 여기를 거친다.

5. 범용 레지스터

General Purpose Register: 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터.
데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.
- cf. MBR: 데이터 버스로 주고받을 값만 저장
- cf. MAR: 주소 버스로 내보낼 주소값만 저장
CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터가 있다.

6. 플래그 레지스터

ALU 연산 결과에 따른 플래그를 저장하는 레지스터.
연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장.

7. 스택 포인터

스택 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용됨.

스택 주소 지정 방식

스택, 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식.
스택은 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역으로 지정된 스택 영역이라는 곳에 있다. 이 영역은 다른 주소 공간과는 달리, 스택처럼만 사용하게 된다.
스택 포인터는 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터. 즉, 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장함.
- 만약 스택에서 데이터를 하나 꺼낸다면, 꼭대기의 주소가 달라지므로 스택 포인터가 가리키는 주소는 그 아래 주소로 변경된다.
- 반대로, 스택에 데이터를 하나 추가한다면, 스택 포인터가 가리키는 주소는 그 위 주소로 변경된다.

8. 베이스 레지스터

프로그램 카운터와 함께 변위 주소 지정 방식 이라는 주소 지정 방식에 사용됨.

변위 주소 지정 방식

displacement addressing mode: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식.
이 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 세 가지 필드를 가진다.
- 레지스터 필드: 이 레지스터의 값과
- 오퍼랜드 필드: 이 주소를 더한 곳에 있는 데이터로
- 연산 코드 필드: 이런 내용을 수행하라
이 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 더 세부적으로 나뉜다. 다양한 세부 지정 방식 중 대표적인 것은 다음 두 개와 같다.
- 상대 주소 지정 방식(Relative addressing mode)
  - 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값(=읽어들일 명령어의 주소)을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
    - 오퍼랜드가 -3이었다면, CPU는 실행하려는 명령어의 세 번째 이전 번지로 접근한다.
    - 오퍼랜드가 3이었다면, CPU는 실행하려는 명령어의 세 번째 이후 번지로 접근한다.
  - if문처럼, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용된다.
- 베이스 레지스터 주소 지정 방식(Base-register addressing mode)
  - 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
  - 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 오퍼랜드만큼 떨어진 주소에 접근하여 유효 주소를 얻는 방식.
    - 기준 주소가 200, 오퍼랜드가 40이라면 "기준 주소로부터 40만큼 떨어진 240으로 접근하라"라는 의미.

상기에 언급된 8가지 레지스터 종류, 2가지의 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식을 잘 기억하자.

[레지스터 종류]
1. 프로그램 카운터
2. 명령어 레지스터
3. 메모리 주소 레지스터
4. 메모리 버퍼 레지스터
5. 범용 레지스터
6. 플래그 레지스터
7. 스택 포인터
8. 베이스 레지스터

[특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식]
1. 스택 주소 지정 방식
2. 변위 주소 지정 방식
  - 상대 주소 지정 방식
  - 베이스 레지스터 주소 지정 방식

*이 글은 '혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제(한빛미디어, 2022)'를 개인적인 학습을 목적으로 요약한 게시글입니다. 문제가 있는 경우, 지적해 주시면 감사하겠습니다.