레지스터는 프로세서 안에 있는 아주 작고 아주 빠른 저장 칸이다. 일꾼이 손에 쥐고 있는 메모지와 같아서, 책상(주기억장치)까지 손을 뻗지 않고 바로 쓸 수 있다. 두 무리로 나뉜다. 하나는 프로그램이 직접 쓰는 칸이고, 다른 하나는 프로세서와 운영체제가 실행을 지휘하려고 쓰는 칸이다. 칸 수가 적어서 무엇을 레지스터에 둘지 잘 골라야 한다.
예시로 보기
a = b + c를 실행한다고 하자. 주기억장치에서 b와 c를 가져와 더한 뒤 결과를 a 자리에 쓴다. 주기억장치를 오가는 일은 레지스터를 쓰는 것보다 훨씬 느리다. 그래서 컴파일러는 자주 쓰는 변수를 레지스터에 두려고 한다. C 언어에는 “이 변수는 레지스터에 두면 좋겠다”고 컴파일러에 알려 주는 방법(register)도 있다.
계산이 끝나면 프로세서는 결과가 양수인지, 음수인지, 0인지, 넘쳤는지를 몇 개의 비트에 표시해 둔다. if (a == 0) 같은 분기는 이 비트를 보고 갈 길을 정한다.
두 무리의 레지스터
프로그램이 직접 쓰는 칸 (사용자 가시 레지스터). 기계어로 이름을 불러 쓸 수 있고, 응용 프로그램과 시스템 프로그램 모두 쓴다.
| 종류 | 하는 일 |
|---|---|
| 데이터 레지스터 | 계산할 값을 담는다. 대개 어떤 명령어에든 쓸 수 있지만, 실수 전용·정수 전용처럼 제한이 붙기도 한다 |
| 주소 레지스터 | 주소나 주소 계산에 쓸 값을 담는다. 기준값에 더할 번호(인덱스 레지스터), 메모리 구역의 시작 주소(세그먼트 포인터), 스택 맨 위의 주소(스택 포인터)가 여기에 들어간다 |
| 조건 코드 | 아래 설명 |
실행을 지휘하는 칸 (제어·상태 레지스터). 프로세서가 자기 동작을 조절할 때, 그리고 특권을 가진 운영체제 코드가 프로그램 실행을 조절할 때 쓴다. 대부분은 일반 프로그램에 보이지 않는다.
| 이름 | 담는 것 |
|---|---|
| 프로그램 카운터 (PC) | 다음에 가져올 명령어의 주소 |
| 명령어 레지스터 (IR) | 가장 최근에 가져온 명령어 |
| 프로그램 상태 워드 (PSW) | 상태 정보. 조건 코드, 인터럽트를 받을지 말지 정하는 비트, 지금이 커널 모드인지 사용자 모드인지 나타내는 비트 등 |
조건 코드. 연산 결과에 따라 하드웨어가 켜고 끄는 비트들이다. 플래그(flags)라고도 부른다. 보통 제어 레지스터의 일부다. 프로그램은 이 비트를 읽을 수만 있고 직접 바꿀 수는 없다. 명령어 실행 결과를 알려 주는 용도이기 때문이다.
두 무리의 경계는 깔끔하지 않다. 어떤 프로세서에서는 PC가 프로그램에 보이고, 많은 프로세서에서는 보이지 않는다.
활용
- PC와 PSW는 인터럽트가 생기면 가장 먼저 저장되는 값이다. 이 둘만 있으면 끊긴 프로그램을 같은 자리, 같은 상태에서 다시 시작할 수 있다.
- PSW의 모드 비트가 사용자 모드와 커널 모드를 가른다.
- 레지스터가 주기억장치보다 빠르고 작다는 점은 메모리 계층의 맨 위 칸이다.
연결
- 선수: 컴퓨터의 기본 구성 요소
- PC와 IR이 실제로 움직이는 모습: 명령어 사이클
과목별 관점
어셈블리어 (2-1학기). 위의 일반 이야기를 32비트 x86 프로세서에 대면 이렇다. 프로그램이 직접 쓰는 칸은 범용 레지스터 여덟 개(EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESP, ESI, EDI)다. 세그먼트 포인터는 세그먼트 레지스터 여섯 개(CS, SS, DS, ES, FS, GS), 스택 포인터는 ESP, 인덱스 레지스터는 ESI와 EDI다. 프로그램 카운터는 EIP라는 이름이고, 조건 코드는 EFLAGS 레지스터 안의 상태 플래그(올림, 넘침, 부호, 영 등)다. 자세한 것은 x86 레지스터에 있다.
위에서 “조건 코드는 읽을 수만 있다”고 한 것과 달리, x86에는 올림 플래그를 직접 켜는 stc 같은 명령이 있다. 프로세서마다 사정이 다른 부분이다.
확인 문제
C1 PC, IR, PSW에는 각각 무엇이 들어 있는가?
답: PC: 다음에 가져올 명령어의 주소. IR: 가장 최근에 가져온 명령어 자체. PSW: 조건 코드, 인터럽트 허용 비트, 커널·사용자 모드 비트 같은 상태 정보.
흔한 오답: “PC는 지금 실행 중인 명령어의 주소”. 인출 직후 PC를 1 늘리므로 실행 중에는 이미 다음 명령어를 가리킨다.
C2 조건 코드는 왜 프로그램이 읽을 수만 있고 직접 바꿀 수는 없게 되어 있는가?
답: 조건 코드는 방금 실행한 연산의 결과(양수·음수·0·넘침)를 알려 주는 표시다. 프로그램이 마음대로 바꿀 수 있으면 표시가 실제 결과와 어긋나서, 그 표시를 보고 분기하는 명령어가 틀린 길로 간다.