Intro
대학원 입시 공부를 할 때 컴퓨터 구조를 처음부터 다시 공부했었다. (지진 컴구의 여파라고 해둔다..)
이번 포스팅에서는 그때 추상적으로 다가왔던 ISA에 대한 개념을 좀 더 구체화 시켜보려고 한다.
ISA (Instruction Set Architecture)
ISA는 글자 그대로 해석하자면 명령어 집합 구조이며, 하드웨어와 소프트웨어 간의 커뮤니케이션을 가능하게 하는 인터페이스라고 할 수 있겠다.
보다 자세한 이해를 위해 아래 그림을 살펴보자.
아래 그림은 컴퓨터 시스템을 레이어별로 추상화하여 나타낸 것이다.
가장 상위 레이어인 어플리케이션 레이어부터 시작하여 다양한 레이어를 거쳐 SW 레이어에서 HW 레이어로 레이어 단계가 넘어가게 되는데, 이때 SW에서 HW로 넘어가는 단계에 위치하면서 이들간의 중재자 역할을 해주는 것이 바로 ISA이다.
따라서 ISA는 최하위 레벨의 프로그래밍 인터페이스로 정의될 수 있으며, 프로세서가 실행할 수 있는 모든 명령어들을 포함하고 있다.
ADT (Abstract Data Type)
ISA를 Abstract Data Type (ADT) 개념을 통해 나타낼 것인데, 그 전에 ADT가 무엇인지 정의해보려고 한다.
ADT란
A set of data values (state) and associated operations that are precisely specified independent of any particular implementation
ADT, 즉 추상 자료형이란 자료와 그 자료를 이용한 연산들의 집합을 의미한다. 자료구조 Stack을 예로 들어보면, Stack의 원소는 자료에 해당하고, push()와 pop()등의 연산은 자료를 이용한 연산들에 해당한다.
덧붙여 말하자면, 추상 자료형은 구체적 구현 방법을 명시하지 않는다는 특징을 가진다.
Stack을 사용할 때 원소의 타입과 push(), pop()과 같은 연산의 사용 방법을 알면 내부 구현 방법을 알지 못해도 해당 자료구조를 사용할 수 있는 걸 떠올려보자.
ISA as an ADT
이제 ISA를 ADT 개념을 통해 나타내보자.
“…the attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure (state) and functional behavior (operations), as distinct from the organization of the data flow and controls, the logical design, and the physical implementation.” - Amdahl, Blaauw, and Brooks, 1994
(컴퓨터구조를 배우기 시작했을 때 위 문장이 모호하게만 다가와 완전히 이해하기 힘들었다. 문장을 다시 읽어보니 보다 뚜렷하게 이해할 수 있어 왠지 모르게 감회가 새롭다.)
앞서 ADT를 ‘자료와 그 자료를 이용한 연산들의 집합’ 이라고 정의하였는데, ISA에서 자료는 무엇이고 연산은 어떤 걸 의미할까?
아래 그림은 ISA를 ADT로 나타낸 것인데, 이해를 도울 수 있을 것 같다. 그림을 살펴보자면 ISA에서 자료란 Registers & Memory 를 의미하며 연산이란 Instruction을 의미한다. Instruction이 수행되고 나면 레지스터의 값과 메모리 상태가 변하는 것을 떠올리면 이해가 수월할 거 같다.
여기까지 왔을 때, ISA가 HW 레이어의 인터페이스라는 말에 동의를 할 수 있다면 좋겠다.