핵 컴퓨터

3. 명령어 집합 구조 (ISA) 및 기계어

핵 컴퓨터의 명령어 집합 구조(ISA)와 여기서 파생된 기계어는 다른 많은 아키텍처에 비해 간소한 편이다. ALU가 연산을 지정하는 데 사용하는 6비트는 이론적으로 64개의 서로 다른 명령어를 표현할 수 있지만, 핵 컴퓨터의 ISA에는 공식적으로 18개의 명령어만 구현되어 있다. 또한 핵 컴퓨터 하드웨어는 정수 곱셈이나 나눗셈, 함수 호출 기능을 직접 지원하지 않기 때문에, 이러한 연산에 해당하는 기계어 명령어는 ISA에 포함되지 않는다.

핵 기계어 명령어는 16비트 이진수로 인코딩되며, A-명령어와 C-명령어의 두 가지 기본 유형으로 나뉜다.

3. 1. A-명령어

• '''0''': A-명령어의 가장 중요한 비트는 항상 "0"이다.
• b₁₄ - b₀: 나머지 15개 비트는 0에서 32767까지의 십진수 범위 내에서 음수가 아닌 정수의 이진 표현을 제공한다.

3. 2. C-명령어

• 111: 첫 번째 비트 '1'은 이 명령어가 C-명령어임을 나타낸다. 두 번째와 세 번째 비트 '1'은 CPU에서 무시되지만 관례적으로 '1'로 설정된다.
• a: ALU 연산에 사용될 두 번째 피연산자(y)의 출처를 지정한다. `a=0`이면 A 레지스터 값을, `a=1`이면 메모리 M(RAM[A]) 값을 사용한다.
• c₁~c₆: ALU가 수행할 구체적인 계산 내용을 지정하는 6개의 제어 비트이다. 이 비트들은 어떤 연산(예: 덧셈, 논리곱, 값 증가 등)을 수행할지 결정한다. (자세한 내용은 계산 (comp) 필드 섹션 참조)
• d₁~d₃: ALU의 연산 결과를 어디에 저장할지 지정하는 3개의 비트이다. A 레지스터, D 레지스터, 메모리 M 중 하나 또는 여러 곳에 동시에 저장할 수 있다. (자세한 내용은 저장 (dest) 필드 섹션 참조)
• j₁~j₃: 명령어 실행 후 다음으로 실행할 명령어의 주소를 결정하는 3개의 비트이다. ALU 연산 결과(예: 결과가 0보다 큰지, 0과 같은지 등)에 따라 조건부로 분기하거나, 무조건 분기하거나, 분기하지 않을 수 있다. (자세한 내용은 분기 (jump) 필드 섹션 참조)

3. 2. 1. 계산 (comp) 필드

• `a` 비트: ALU 연산에 사용될 두 번째 피연산자(y)를 선택한다.
• `a=0` 이면 A 레지스터의 값을 사용한다.
• `a=1` 이면 메모리(RAM)의 `A` 레지스터 주소에 해당하는 값, 즉 M (RAM[A])을 사용한다.
• c₁ ~ c₆ 비트: ALU가 수행할 구체적인 연산 종류를 지정한다. 이 비트들은 ALU 내부의 제어 신호로 사용되어, 피연산자를 선택하고 어떤 연산(덧셈, 비트 AND, 2의 보수 등)을 수행할지 결정한다.

3. 2. 2. 저장 (dest) 필드

예를 들어, `d1=1`, `d2=1`, `d3=0` 이면 ALU의 출력 값은 A 레지스터와 D 레지스터에 동시에 저장되며, 어셈블리 니모닉으로는 `AD`로 표현된다.^[1] 만약 세 비트가 모두 0이면 (`d1=0`, `d2=0`, `d3=0`), ALU의 연산 결과는 어디에도 저장되지 않는다.^[1]

3. 2. 3. 분기 (jump) 필드

4. 어셈블리 언어

핵 컴퓨터는 핵 컴퓨터 ISA를 구현하는 하드웨어 플랫폼용 프로그램을 만들기 위한 텍스트 기반 어셈블리 언어를 제공한다. 핵 어셈블리 언어 프로그램은 일반적으로 `.asm` 파일 확장자를 가진 텍스트 파일에 저장되며, 소스 코드는 대소문자를 구분한다.

각 텍스트 줄은 다음 요소 중 하나를 포함할 수 있다.

• 빈 줄
• 주석
• 레이블 선언 (선택적으로 줄 끝 주석 포함)
• A-명령어 (선택적으로 줄 끝 주석 포함)
• C-명령어 (선택적으로 줄 끝 주석 포함)

4. 1. 주석

4. 2. 기호 및 숫자 상수

또한, 0부터 32,767까지의 범위를 가지는 음수가 아닌 십진수 상수를 사용할 수 있다. 숫자 상수는 십진수(0-9) 문자열로 표현해야 한다. 음수 표현을 위한 마이너스 기호(-) 사용이나 이진, 8진 표현은 지원되지 않는다.

4. 3. 변수

4. 4. 레이블

4. 5. A-명령어 (어셈블리)

• 첫째, 프로그램 내에서 음수가 아닌 숫자 값, 즉 프로그램 상수를 정의하는 유일한 방법이다.
• 둘째, RAM 메모리 주소를 지정하는 데 사용된다. 이는 M 의사 레지스터 메커니즘을 통해 이루어지며, 이후 C-명령어에서 해당 메모리 위치를 참조할 때 사용된다.
• 셋째, 분기를 위한 주소를 설정하는 데 사용된다. 분기를 수행하는 C-명령어는 분기할 목적지 주소로 A 레지스터의 현재 값을 사용하는데, A-명령어는 주로 레이블을 참조하여 분기 명령 전에 해당 목적지 주소를 A 레지스터에 설정하는 역할을 한다.

4. 6. C-명령어 (어셈블리)

• `comp` 필드는 모든 C-명령어에서 필수이다. 이 필드는 수행할 계산을 지정하며, 문서화된 28개의 니모닉 코드 중 하나를 사용해야 한다. 이 코드들은 대문자로 표기하며 내부 공백은 허용되지 않는다. ALU 제어 비트는 이론상 64개의 계산 기능을 지정할 수 있지만, 공식적으로 인식되고 문서화된 것은 18개이다.
• `dest` 필드는 `comp` 필드에서 계산된 결과 값을 저장할 위치(레지스터 또는 메모리)를 지정한다. '=' 기호와 함께 사용되며, 여러 위치를 동시에 지정할 수도 있다. 만약 계산 결과를 저장할 필요가 없다면 `dest` 필드와 '=' 기호는 생략한다. 허용되는 저장 위치 조합은 정해진 니모닉 코드로 지정된다.
• `jump` 필드는 다음에 실행할 명령어의 ROM 주소를 지정하여 프로그램의 흐름을 제어한다. ';' 기호와 함께 사용된다. 만약 `jump` 필드를 생략하면 현재 명령어 다음의 명령어를 순차적으로 실행한다. 분기 조건이 충족되면 A 레지스터의 현재 값이 다음 명령어의 주소가 된다. 분기 조건이 충족되지 않으면 다음 명령어를 순서대로 실행한다. 계산 결과 값에 따라 6가지 비교 조건을 사용한 조건부 분기가 가능하며, 무조건 분기(`0;JMP`)도 지원된다. 무조건 분기 시에는 `comp` 필드 값이 필요 없더라도 반드시 `0`과 같은 값을 지정해야 한다. 지원되는 분기 조건들은 정해져 있다.

5. 어셈블러

핵 컴퓨터용 어셈블러는 어셈블리 언어로 작성된 프로그램(`.asm` 파일)을 기계어 코드(`.hack` 파일)로 변환하는 도구이다. 자유롭게 이용 가능한 소프트웨어 중 하나로 제공된다.

어셈블러는 Hack 어셈블리 언어 소스 파일(.asm)을 입력으로 받아 Hack 기계어 출력 파일(.hack)을 생성한다. 이 출력 파일 역시 텍스트 파일 형태이며, 각 줄은 소스 파일의 실행 가능한 한 줄에 해당하는 16자리 이진 숫자로 이루어진 문자열이다. 이는 핵 컴퓨터의 명령어 집합 구조(ISA) 및 기계어 사양에 따라 인코딩된 결과이다.

이렇게 생성된 .hack 파일은 에뮬레이터 사용자 인터페이스를 통해 핵 컴퓨터 에뮬레이터에 로드하여 실행할 수 있다.

6. 예제 어셈블리 언어 프로그램

다음은 핵 컴퓨터의 어셈블리 언어로 작성된 예제 프로그램으로, 1부터 100까지의 정수를 더하여 그 결과를 사용자 정의 변수 'sum'에 저장하는 과정을 보여준다.^[1] 이 프로그램은 1부터 100까지 반복하며 각 정수를 'sum' 변수에 더하는 'while' 루프 구조를 구현한다. 사용자 정의 변수 'cnt'는 현재 정수 값을 저장하는 데 사용된다. 이 예제는 메모리 맵 I/O를 제외한 핵 컴퓨터 어셈블리 언어의 주요 기능을 보여주며, 아래 C 언어 코드를 핵 어셈블리로 변환한 것이다.^[1]

```c

// 1부터 100까지 더하기

int cnt = 1;

int sum = 0;

while (cnt <= 100) {

sum += cnt;

cnt++;

}

```

아래 표는 핵 어셈블리 언어 소스 파일의 내용(두 번째 열, 굵은 글씨)과 각 줄에 대한 설명, 명령어 유형, 할당된 ROM 주소, 그리고 어셈블러가 생성한 기계어 코드(마지막 열)를 보여준다. 줄 번호는 설명을 위한 것이며 실제 코드에는 포함되지 않는다. 전체 줄 주석, 빈 줄, 레이블 정의는 기계어 코드를 생성하지 않으며, 각 명령어 줄 끝의 주석도 어셈블러에 의해 무시된다.^[1] 마지막 열의 기계 코드는 16비트 이진 정수가 아닌 16개의 이진 문자 텍스트 문자열로 표시된다.^[1]

이 프로그램의 명령어 순서는 A-명령어, C-명령어, A-명령어, C-명령어... 패턴을 따르는데, 이는 핵 어셈블리 프로그램의 전형적인 모습이다. A-명령어는 다음에 오는 C-명령어에서 사용할 상수 값이나 메모리 주소를 지정하는 역할을 한다.^[1]

A-명령어의 세 가지 사용 방식이 모두 나타난다.

• 상수 값 로드: 11번째 줄(`@100`)에서는 상수 값 100을 A 레지스터에 직접 로드한다. 이 값은 다음 줄(12번째 줄, `D=D-A`)에서 루프 종료 조건을 검사하기 위한 계산(cnt - 100)에 사용된다.^[1]
• 변수 주소 로드: 4번째 줄(`@cnt`)에서 사용자 정의 변수 'cnt'가 처음 등장하므로, 어셈블러는 이 기호('cnt')를 사용 가능한 다음 RAM 주소(이 경우 16번지)에 할당하고, 이 주소 값을 A 레지스터에 로드한다. 동시에 M 의사 레지스터(선택된 메모리 위치를 가리킴)도 이 주소를 참조하게 되어 RAM[16]이 현재 작업 대상 메모리 위치가 된다.^[1] 'sum' 변수도 마찬가지로 6번째 줄에서 RAM 17번지에 할당된다.
• 레이블 주소 로드: 21번째 줄(`@LOOP`)에서는 레이블 'LOOP'에 바인딩된 ROM 메모리 주소(이 경우 4번지)를 A 레지스터에 로드한다. 다음 줄(22번째 줄, `0;JMP`)의 무조건 분기 명령어는 A 레지스터의 값(즉, 'LOOP' 레이블의 주소)을 CPU의 프로그램 카운터 레지스터에 로드하여 프로그램 실행 흐름을 루프의 시작 지점(ROM 4번지)으로 이동시킨다.^[1]

참조

_[1] 서적 The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles, 2nd Edition The MIT Press
_[2] 문서 Nand to Tetris Syllabus https://drive.google[...]
_[3] 웹사이트 Build a Modern Computer from First Principals: From Nand to Tetris https://www.coursera[...] 2021-08-21
_[4] 웹사이트 From Nand to Tetris https://www.nand2tet[...] 2021-08-23
_[5] 서적 The Elements of Computing Systems: Building a Modern Computer from First Principles, 2nd Edition The MIT Press
_[6] 웹인용 Build a Modern Computer from First Principals: From Nand to Tetris https://www.coursera[...] 2021-08-21
_[7] 웹인용 From Nand to Tetris https://www.nand2tet[...] 2021-08-23