2. 소스코드와 명령어

소스코드

1. 소스코드 분류

• 고급언어(High-Level Language): 사람이 이해하기 쉬운 문법이다. (C, Java, Python 등)
• 저급언어(Low-Level Language)
  • 어셈블리어(Assembly): 기계어를 사람이 읽을 수 있도록 기호화한 언어이다.
  • 기계어(Machine Code): 0과 1로 표현된 CPU가 직접 해석할 수 있는 명령어 비트다.

 

2. 변환(Translation) 방식

• 컴파일 언어(Compiled Language)
  • 전체 소스코드를 한 번에 번역하여 실행 파일을 생성한다. (예: C, C++, Go)
• 인터프리터 언어(Interpreted Language)
  • 실행 시 한 줄씩 해석하여 실행한다 (예: Python, JavaScript)
• 혼합형: Java: 소스 -> 바이트코드 -> JVM이 실행한다.

3. 컴파일 언어 실행 과정

Source Code -> Compiler -> Object Code(.o/.obj) Object Code + Libraries -> Linker -> Executable File(.exe / ELF)

• Compiler: 고급언어 -> 저급언어(기계어에 가까운 형태) 변환
• Linker: 여러 오브젝트 파일과 라이브러리를 연결하여 실행 가능한 하나의 파일 생성
• Executable File: OS가 로드 후 CPU가 실행

4. 추가 설명

• Object Code는 CPU 아키텍처에 맞는 기계어지만, 단일 파일로 실행되려면 링킹이 필요하다.
• 어셈블리어 <---> 기계어는 1:1 매핑 관계라서 어셈블러/디스어셈블러로 상호 변환이 가능하다.

 

소스코드가 실행파일로 변환되는 과정

Source Code (C, Java, Python...) -> Compile / Assemble Object Code (Machine Instructions) ->
Link Executable File (.exe / ELF) -> Load (by OS Loader) Main Memory (Instructions + Data) ->
Fetch / Decode / Execute (by CPU)

 

 

OS Loader와 메모리 배치

실행 파일이 OS에 의해 실행되면 Loader가 다음 작업을 진행한다.

1. 코드 영역(Text Segment): 기계어 명령어를 저장 (CPU가 여기서 Fetch)
2. 데이터 영역(Data Segment): 전역 변수, 상수
3. 힙(Heap): 동적 메모리 할당
4. 스택(Stack): 함수 호출 시 지역 변수, 리턴 주소 저장

 

이때 CPU는 메모리 주소(Instruction Pointer)를 통해 명령어를 한 줄씩 가져온다.

CPU 레지스터 관점: 실행 사이클, 명령어 사이클(Instruction Cycle)을 반복한다.

 

1. Fetch (명령어 가져오기)
   1. PC (Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소 저장
   2. MAR (Memory Address Register): PC가 가리키는 주소를 메모리에 전달
   3. MDR (Memory Data Register): 해당 주소에서 읽은 명령어를 저장
   4. IR (Instruction Register): 현재 실행할 명령어를 보관
2. Decode (명령어 해석)
   1. 명령어를 해석하여 어떤 동작(ADD, MOV, JUMP 등)과 어떤 데이터가 필요한지 판단
   2. 제어장치(Control Unit)가 ALU나 레지스터에 신호를 보냄
3. Execute (명령어 실행)
   1. ALU (Arithmetic Logic Unit): 덧셈, 뺄셈, 논리연산 수행
   2. General Purpose Registers (EAX, EBX, R0, R1 등): 중간 계산값 저장
   3. 메모리 읽기/쓰기, 분기(JUMP) 등 실행
4. Write Back (결과 저장)
   1. 계산 결과를 레지스터나 메모리에 저장
   2. PC 값을 갱신 -> 다음 명령어로 이동

 

 

명령어(Command): Operation code, Operand

[ Operation Code | Operand(s) ]

Operation Code(Opcode): 수행할 동작을 지정하는 부분 (예: ADD, MOV, JUMP 등), CPU가 어떤 연산을 해야 하는지 알려준다.

Operand: 연산에 필요한 데이터나 데이터의 위치(주소)를 지정한다. 레지스터, 메모리 주소, 즉시 값(Immediate Value) 등이 될 수 있다.

오퍼랜드는 사용할 데이터를 직접 명시하기 보다, 데이터가 저장된 위치를 주로 나타낸다. 즉 메모리 주소나 레지스터 이름이 담긴다.

아래는 Operation code와 Operand가 사용될 때의 예시다.

ADD R1, R2, R3

 

 

주요 아키텍처(예: x86, ARM, RISC-V)에서 공통적으로 나오는 Opcode 분류 + 대표 예시 정리내용은 아래와 같으며, 분류별 개념을 설명한다. 모든 CPU의 Opcode 집합은 ISA(Instruction Set Architecture)마다 다르다.

 

1. 데이터 전송 (Data Transfer): 메모리와 레지스터, 레지스터 간 데이터 이동

• MOV: 레지스터 ↔ 메모리/레지스터 간 데이터 이동
• LD / LDR / LOAD: 메모리 → 레지스터 로드
• ST / STR / STORE: 레지스터 → 메모리 저장
• PUSH / POP: 스택에 값 저장/스택에서 값 꺼내기
• LEA: 주소 계산 후 레지스터에 저장

2. 산술 연산 (Arithmetic Operations): 수학적 연산 수행

• ADD: 덧셈
• SUB: 뺄셈
• MUL / IMUL: 곱셈 (정수)
• DIV / IDIV: 나눗셈 (정수)
• INC: 1 증가
• DEC: 1 감소
• NEG: 부호 반전
• ADC / SBB: 캐리·보로와 함께 덧셈/뺄셈

3. 논리 연산 (Logical Operations): 비트 단위 연산

• AND: 비트 AND
• OR: 비트 OR
• XOR: 비트 XOR
• NOT: 비트 반전
• TEST: AND 수행 후 결과 저장 안 하고 플래그만 설정

4. 시프트 / 회전 (Shift / Rotate): 비트를 이동시키는 연산

• SHL / SAL: 왼쪽 시프트
• SHR: 오른쪽 시프트
• SAR: 부호 유지하며 오른쪽 시프트
• ROL / ROR: 비트를 왼쪽/오른쪽 회전
• RCL / RCR: 캐리 플래그 포함 회전

5. 비교 및 분기 (Comparison & Branching): 조건에 따른 실행 흐름 제어

• CMP: 두 값 비교 (결과는 플래그에 반영)
• JMP: 무조건 점프
• JE / JZ: 같으면/0이면 점프
• JNE / JNZ: 다르면/0이 아니면 점프
• JG / JGE / JL / JLE: 부호 있는 비교 후 조건 점프
• JA / JAE / JB / JBE: 부호 없는 비교 후 조건 점프
• CALL: 서브루틴 호출
• RET: 서브루틴 반환

6. 스택/프로시저 제어 (Stack & Procedure Control)

• CALL / RET: 함수 호출 / 반환
• ENTER / LEAVE: 함수 프레임 설정 / 해제

7. 시스템 제어 (System Control)

• HLT: CPU 정지
• NOP: 아무것도 하지 않음
• INT: 소프트웨어 인터럽트
• IRET: 인터럽트에서 복귀
• CLI / STI: 인터럽트 비활성화 / 활성화

8. 부동소수점/멀티미디어 명령 (Optional)

• FADD / FSUB / FMUL / FDIV: 부동소수점 연산
• MOVD / MOVQ: SSE/MMX 레지스터 간 데이터 이동
• ADDPS / MULPS: SIMD 벡터 연산

 

 

강민철, 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제. 한빛미디어, 2022