명령어와
ISA 설계

명령어 = opcode + register + immediate

CPU는 한국어를 못 읽는다. ‘R2에 R1을 더해라’ 같은 명령도 결국 0과 1 묶음 하나로 줘야 한다.

그 묶음을 명령어(instruction)라고 한다. 16비트 워드 하나에 세 가지를 나눠 담는다.
opcode는 무슨 연산인지 정한다. 더해라, 빼라, 옮겨라 같은 것이다.
register는 어느 레지스터를 쓰는지 가리킨다. R0부터 R7까지 중 둘이다.
immediate는 명령어 안에 박아 넣은 상수다. 예를 들어 +5다.

그래서 ADD R1, R2는 사람이 보는 글자이고, 실제 메모리에는 비트 16칸으로 들어간다.
이 칸을 어떻게 나눌지 정하는 것이 명령어 포맷 설계다.

비트를 어디서 끊나, 필드 경계

16칸은 그냥 일렬이다. 어디서 끊어 어느 필드로 읽을지는 약속으로 정한다. 그 약속이 곧 포맷이다.

보통 MSB(맨 왼쪽)부터 opcode를 둔다. 디코더가 명령어를 읽을 때 제일 먼저 무슨 연산인지부터 알아야 하기 때문이다.
그 뒤로 레지스터 번호 필드가 오고, 마지막에 immediate가 온다.

R0부터 R7까지 여덟 개를 가리키려면 레지스터 한 칸당 3비트면 된다 (2³ = 8).
두 레지스터를 쓰면 3 + 3 = 6비트가 레지스터 몫이다.
남는 비트를 opcode와 immediate가 나눠 가진다. 여기서 줄다리기가 시작된다.

opcode ↔ immediate 트레이드오프

워드는 16비트로 고정이다. 늘릴 수 없는 예산을 opcode와 immediate가 나눠 쓴다.

opcode 비트를 한 칸 늘리면 명령 종류가 두 배가 된다 (2ⁿ). 4비트면 16종, 5비트면 32종이다.
그런데 그 한 칸은 어딘가에서 빼와야 한다. 대개 immediate에서 가져온다.

immediate 비트가 한 칸 줄면 표현할 수 있는 상수 범위가 절반이 된다.
6비트면 부호 있는 수로 −32~31, 5비트면 −16~15다.
명령을 다양하게 할지, 큰 상수를 넣을지 정답은 없다. 설계 선택만 있을 뿐이다.

직접 필드를 잘라 MY-16을 만든다

슬라이더로 opcode와 immediate 비트를 옮기면 16칸이 실시간으로 재배치된다.

필드 합이 16을 넘으면 충돌로 빨갛게 뜨고, 모자라면 남는 칸이 낭비로 흐려진다. 딱 16에 맞춘 한 줄이 곧 MY-16 포맷 후보다.

MY-16 만들기, 균형 잡힌 한 줄

이 강의 결정판은 균형 잡힌 MY-16 한 줄이다. 16비트를 한 칸도 안 남기고 셋이 나눠 쓴다.

opcode 4비트는 명령 16종을 담는다. ADD, SUB, LD, ST, JMP까지 한 세트로 충분하다.
regA 3 · regB 3은 R0부터 R7까지 두 레지스터를 지정한다.
immediate 6비트는 부호 있는 상수 −32~31을 담는다.
4 + 3 + 3 + 6 = 16, 빈틈 없이 딱 맞는다.

이게 정답이라서가 아니라 균형이라서 고른 것이다. 상수를 더 키우고 싶으면 opcode를 3비트로 줄이고, 명령을 더 늘리고 싶으면 imm을 깎으면 된다.