누산기

3. 누산기 기반 컴퓨터

누산기 기반 컴퓨터는 연산 결과를 저장하기 위해 '누산기'라고 불리는 특별한 레지스터를 주로 사용하는 컴퓨터 구조를 가리킨다. 초기 컴퓨터는 대부분 누산기 기반이었으며, 메인프레임에서 마이크로컴퓨터로 전환되면서 MOS 6502와 같이 누산기 아키텍처가 다시 인기를 얻었다. PICmicro 및 8051과 같이 현재까지도 널리 사용되는 많은 8비트 컴퓨팅 마이크로컨트롤러가 누산기 기반 머신이다.^[1]

누산기는 연산 결과를 임시로 저장하여 다음 연산에 바로 사용할 수 있게 함으로써 성능 향상에 기여한다. 예를 들어, 주간 급여 계산 시 기본 주급을 누산기에 저장하고, 이를 소득세 계산에 즉시 사용할 수 있다. 이렇게 하면 저장 및 읽기 연산을 줄여 성능을 높일 수 있다.^[1]

에니악은 20개의 누산기를 병렬로 운용할 수 있었고,^[15] PDP-8은 누산기를 사용한 초기 미니컴퓨터 중 하나였다.^[16] IBM의 초기 이진 컴퓨터는 대부분 단일 36비트 누산기를 사용했으며, IBM 650은 10자리 배분기와 두 개의 10자리 누산기를, IBM 7070은 3개의 누산기를 가지고 있었다. IBM System/360과 PDP-6는 16개의 범용 레지스터를 가지고 있었지만, PDP-10은 이들을 누산기라고 불렀다.

초기 4비트 및 8비트 마이크로프로세서인 4004, 8008 등은 일반적으로 단일 누산기를 가지고 있었다. 8051 마이크로컨트롤러는 두 개의 누산기를 가진다. 현대의 인텔 x86 프로세서는 곱셈과 나눗셈에 주 누산기 EAX와 보조 누산기 EDX를 사용하지만, 다른 산술-논리 명령어에서는 여러 레지스터 중 하나를 누산기로 지정할 수 있어 일반적인 레지스터 아키텍처에 가깝다.^[6]

자르곤 파일에서는 "누산기"를 레지스터의 일종을 고풍스럽게 부르는 용어로 설명한다.^[7] 이는 연산 장치(ALU)에서 수행된 연산 결과 값이 전달되는 특별한 레지스터를 의미하며, 다음 연산 시에는 그 값이 피연산자 중 하나로 사용된다. 인텔 8080의 A 레지스터,^[8] Z80,^[9] MOS 6502^[10] 등이 누산기의 예시이다.

3. 1. 누산기와 어셈블리 언어

4. 현대의 누산기

마이크로컨트롤러와 x86 프로세서에서 누산기가 어떻게 활용되는지 간략하게 살펴보자.

일부 현대 마이크로컨트롤러는 르네사스의 RL78과 ST마이크로일렉트로닉스의 STM8처럼 누산기를 사용해 저비용으로 고성능을 낸다.^[11][12][13] 이들은 누산기와 하버드 아키텍처를 결합하여 효율성을 높인다.

x86 프로세서는 범용 레지스터를 쓰지만, MUL, DIV 같은 일부 명령어에서는 EAX 및 EDX 레지스터가 누산기처럼 쓰인다.^[12] 이는 하위 호환성을 위한 것으로, 기계어에서는 여전히 누산기 특징이 남아있다. AX 레지스터(8비트 프로세서 시절 A 레지스터에서 유래, 32비트에서는 EAX)는 함수의 반환값을 저장하는 등 "자주 사용되는 레지스터"로 여겨진다. 초기 명령어 집합에서는 일부 명령어의 소스와 대상이 암묵적으로 AX와 DX로 고정되었고, AX를 대상으로 하는 명령어에는 단축형이 있었으나, 이후 확장에 따라 어셈블리 언어에서는 임의의 명령에 임의의 피연산자를 지정할 수 있게 되면서 이러한 특징은 사라졌다.

4. 1. 마이크로컨트롤러

4. 2. x86 프로세서

5. 누산기의 장점과 단점

누산기는 시스템의 성능을 향상시키지만, 프로그램의 유연성을 떨어뜨리고 여러 연산을 동시에 처리하기 어렵게 만든다는 단점이 있다.^[7]

누산기는 한 연산의 결과를 다음 연산에 거의 또는 전혀 성능 저하 없이 공급할 수 있는 임시 저장 공간을 제공하여 시스템의 성능을 획기적으로 향상시킨다. 예를 들어, 기본 주급이 계산되어 누산기에 저장되면 소득세 계산에 즉시 사용될 수 있다. 이렇게 하면 저장 및 읽기 연산이 제거되는데, 이러한 연산은 일반적으로 곱셈 자체보다 수십 배에서 수백 배 더 오래 걸렸다.^[7]

5. 1. 장점

5. 2. 단점

6. 결론

자르곤 파일의 accumulator 항목의 머리말에는 "Archaic term for a register."라고 쓰여 있다.^[7] 이는 "누산기"란 현재 해석으로는 레지스터의 일종을 고풍스럽게 부르는 것이라는 의미이다. 다만 이 설명은 불충분하며, 누산기는 레지스터의 일종이지만 실제로는 특별한 위치를 차지하며 연산 장치(ALU)와의 관계가 특별하다. 누산기는 연산 장치(ALU)에서 수행된 연산의 결과 값을 반드시 전달받는 레지스터이며, 다음 연산 시에는 그 값이 두 개의 오퍼랜드(피연산자) 중 하나로 취급되어 다시 연산 장치로 보내진다. 1970년대와 1980년대 CPU는 탑재 가능한 트랜지스터 수가 상당히 제한되었기 때문에, 구조를 간소화하여 트랜지스터 수를 줄이고자 누산기 방식 아키텍처가 채용되었다. CPU 내부에서 수의 총합을 구하는 작업은 빈번하게 이루어지는데, 오퍼랜드를 차례로 주어 덧셈을 반복하면 이 레지스터에 총합 값(누적 값)이 들어가게 된다. 이러한 사용법이 누산기의 전형적인 사용법이므로 누산기(누적 장치)라고 불렸다.

예를 들어 인텔 8080의 A 레지스터는 누산기이다.^[8] Z80도 마찬가지로 누산기를 채용하여 "누산기 머신"이라고 불린다.^[9] MOS 6502 역시 누산기를 채용하고 있다.^[10]

참조

_[1] 웹사이트 HC16 Overview http://www.freescale[...] Freescale.com 2008-09-22
_[2] 논문 A Survey of Digital Computer Memory Systems
_[3] 웹사이트 The Feasibility of Ludgate's Analytical Machine http://www.fano.co.u[...]
_[4] 서적 ENIAC in Action: Making and Remaking the Modern Computer MIT Press
_[5] 간행물 Programmed Data Processor-1 Manual http://bitsavers.tra[...] Digital Equipment Corporation 1961
_[6] 서적 Assembly Language for Intel-Based Computers Pearson Prentice Hall
_[7] 웹사이트 accumulator http://catb.org/jarg[...]
_[8] 웹사이트 Intel 8080 http://www.st.rim.or[...]
_[9] 웹사이트 https://www.salutewe[...]
_[10] 웹사이트 https://kikb.web.fc2[...]
_[11] 뉴스 50억個を売ったルネサスのマイコン「RL78」、第2世代品が登場 https://xtech.nikkei[...] 日経XTECH
_[12] 웹사이트 https://cir.nii.ac.j[...]
_[13] 뉴스 マイコンのアーキテクチャって何？ https://edn.itmedia.[...] EDN 菅井賢（STマイクロエレクトロニクス）
_[14] 문서
_[15] 서적 ENIAC in Action: Making and Remaking the Modern Computer MIT Press
_[16] 간행물 PROGRAMMED DATA PROCESSOR-1 MANUAL http://bitsavers.tra[...] Digital Equipment Corporation 1961