기계어는 왜 컴퓨터가 직접 인식하고 실행할 수 있는 언어일까요?

기계어는 컴퓨터가 직접 인식하고 실행할 수 있는 바이너리 코드로 표현되는 기계 명령어의 집합이기 때문에, 이러한 명령어 집합을 기계어라고 부르는데, 이는 컴퓨터의 CPU가 직접 해석할 수 있는 데이터입니다. 컴퓨터 설계자는 컴퓨터의 하드웨어 구조에 따라 컴퓨터의 작동 기능을 제공합니다.

이 튜토리얼의 운영 환경: Windows 10 시스템, DELL G3 컴퓨터.

왜 기계어는 컴퓨터가 직접 인식하고 실행할 수 있는 언어라고 할까요?

컴퓨터가 직접 인식하고 실행할 수 있는 언어가 기계어입니다. 기계어는 컴퓨터가 직접 인식하고 실행할 수 있는 이진 코드로 표현된 기계 명령어 집합입니다. 기계어라고 불리는 이 명령어 세트는 컴퓨터의 CPU가 직접 해석할 수 있는 데이터입니다.

기계어는 컴퓨터 설계자가 컴퓨터의 하드웨어 구조를 통해 컴퓨터에 부여한 작동 기능입니다. 기계어는 유연성, 직접 실행, 빠른 속도라는 특징을 가지고 있습니다. 서로 다른 유형의 컴퓨터의 기계어는 호환되지 않습니다. 한 유형의 컴퓨터의 기계어 명령에 따라 컴파일된 프로그램은 다른 유형의 컴퓨터에서 실행될 수 없습니다.

기계어로 프로그램을 작성할 때 프로그래머는 먼저 사용하는 컴퓨터의 모든 명령어 코드와 그 코드의 의미를 외워야 합니다. 프로그래밍할 때 프로그래머는 각 명령어와 각 데이터의 저장 할당과 입력 및 출력을 스스로 처리해야 하며 프로그래밍 프로세스의 각 단계에서 사용되는 작업 단위의 상태도 기억해야 합니다.

이 작업은 매우 지루한 작업이며, 프로그램을 작성하는 데 걸리는 시간은 실제 실행 시간보다 수십, 수백 배 더 길어지는 경우가 많습니다. 게다가 컴파일된 프로그램은 모두 0과 1의 명령어 코드로 직관적이지 않고 오류가 발생하기 쉽습니다. 이제 컴퓨터 제조업체의 전문가를 제외하고 대다수의 프로그래머는 더 이상 기계어를 배우지 않습니다.

명령어는 의미 있는 이진 코드 집합인 기계어로 된 명령문입니다. 다양한 컴퓨터 회사에서 설계하고 생산한 컴퓨터는 개수와 기능, 명령어 형식, 주소 지정 모드, 데이터 형식 등에서 서로 다른 명령어를 가지고 있습니다. 컴퓨터를 구성하는 기본 하드웨어의 급속한 발전과 컴퓨터의 급속한 교체로 인해 소프트웨어가 어떻게 하드웨어를 따라잡을 수 있는가에 대한 문제가 있음을 컴퓨터의 개발 과정에서 볼 수 있다.

새 기계가 출시되어 사용을 위해 제공되면 소량의 시스템 소프트웨어(예: 운영 체제 등)만 사용자에게 제공될 수 있습니다. 특히 응용 프로그램이 상당히 많아지고 있습니다. 그 중 일부는 사용자가 기계를 사용할 때 지속적으로 생성됩니다. 새로운 기계의 도입으로 인해 원래 응용 프로그램을 계속 사용할 수 없는 문제를 완화하기 위해 여러 컴퓨터 회사에서 동일한 시리즈의 컴퓨터를 생산하는 경우 하드웨어 구현 방법은 다를 수 있지만 명령 시스템, 데이터 형식, I/O 시스템 등은 동일하게 유지되므로 소프트웨어가 완벽하게 호환됩니다.

확장된 지식: 기계어 명령어 형식

기계어 명령어는 opcode와 피연산자라는 두 부분으로 구성된 이진 코드입니다. opcode는 명령어의 작동을 지정하며 명령어의 키워드이며 기본값으로 설정할 수 없습니다. 피연산자는 명령어의 피연산자를 나타냅니다. 컴퓨터의 명령어 형식은 기계의 단어 길이, 메모리 용량 및 명령어 기능과 큰 관계가 있습니다. 프로그램 설계를 용이하게 하고 기본 작업의 병렬성을 높이며 명령어 기능을 향상시키는 관점에서 명령어에는 다양한 정보가 포함되어야 합니다. 그러나 일부 명령어에서는 정보의 일부가 쓸모가 없기 때문에 명령어가 차지하는 저장 공간을 낭비하고 메모리 액세스 횟수가 증가하여 실제로 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 명령어가 충분한 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 그 길이가 기계의 단어 길이와 최대한 일치하도록 명령어 형식을 합리적이고 과학적으로 설계하는 방법을 통해 저장 공간을 절약하고 가치 시간을 단축할 수 있습니다. , 기계의 성능을 향상시키는 것은 명령어 형식 설계에서 중요한 문제입니다.

컴퓨터는 명령을 실행하여 다양한 데이터를 처리합니다. 데이터 소스, 작업 결과의 대상 및 수행된 작업을 나타내기 위해 명령에는 다음 정보가 포함되어야 합니다.

(1) 작업 코드. 이는 작업의 성격과 기능을 지정합니다. 컴퓨터에는 수십에서 수백 개의 명령어가 있을 수 있으며 각 명령어에는 해당 연산 코드가 있으며 컴퓨터는 연산 코드를 인식하여 다양한 작업을 완료합니다.

(2) 피연산자의 주소입니다. CPU는 이 주소를 통해 필요한 피연산자를 얻을 수 있습니다.

(3) 연산 결과의 저장 주소입니다. 피연산자 처리 결과는 재사용을 위해 이 주소에 저장됩니다.

(4) 다음 명령어의 주소입니다. 프로그램을 실행할 때 대부분의 명령어는 순서대로 메인 메모리에서 가져와 실행됩니다. 전송 명령어를 만나면 프로그램의 실행 순서가 변경됩니다. 명령어 길이를 압축하기 위해 프로그램 카운터(ProgramCounter, PC)를 사용하여 명령어 주소를 저장할 수 있습니다. 명령어가 실행될 때마다 PC의 명령어 주소는 자동으로 +1(명령어가 하나의 주 메모리 장치만 점유한다고 가정)되어 실행될 다음 명령어의 주소를 나타냅니다. 전송 명령이 발생하면 전송 주소를 사용하여 PC의 내용을 수정합니다. PC를 사용하기 때문에 다음에 실행될 명령어의 주소를 명령어에 명시적으로 지정할 필요가 없습니다.

명령에는 실제로 작업 코드와 주소 코드라는 두 가지 정보가 포함됩니다. 연산 코드(OperationCode, OP)는 명령어(예: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈, 데이터 전송 등)에 의해 완료되는 연산을 나타내는 데 사용됩니다. 그 길이는 명령어 시스템의 명령어 수에 따라 다릅니다. . 주소 코드는 명령어의 피연산자를 설명하는 데 사용됩니다. 피연산자를 직접 제공하거나 피연산자의 메모리 주소 또는 레지스터 주소(즉, 레지스터 이름)를 나타냅니다.

명령에는 opcode 필드와 주소 필드의 두 부분이 포함됩니다. 주소 필드에 포함된 주소의 개수에 따라 일반적인 명령어 형식은 다음과 같습니다.

• 3개 주소 명령어: 일반 주소 필드의 A1과 A2는 각각 첫 번째와 두 번째 피연산자 주소를 결정하고 A3은 결과 주소를 결정합니다. 다음 명령어의 주소는 일반적으로 프로그램 카운터에 의해 순차적으로 제공됩니다.

• 2주소 명령어: 주소 필드의 A1은 첫 번째 피연산자 주소를 결정하고 A2는 두 번째 피연산자 주소와 결과 주소를 동시에 결정합니다.

• 단일 주소 명령어: 주소 필드의 A는 첫 번째 피연산자의 주소를 결정합니다. 두 번째 피연산자와 연산 결과를 저장하기 위한 특정 레지스터의 사용을 수정했습니다. 따라서 해당 주소는 지침에 암시되어 있습니다.

• 제로 주소 명령어: 스택 컴퓨터에서 피연산자는 일반적으로 푸시다운 스택 상단의 두 유닛에 저장되고 결과는 스택 상단에 배치되므로 주소는 암시적입니다. 대부분의 명령어에는 opcode만 있고 주소 도메인은 없습니다.

• 가변 주소 번호 지침: 주소 필드에 포함된 주소 개수는 연산 정의에 따라 변경됩니다. 예를 들어 일부 컴퓨터의 명령어에 포함된 주소 수는 적게는 0에서 많게는 6까지 가능합니다.

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