컴퓨터 구조 주소 지정 방식 개념과 종류

핵심 요약

목차

• 1. 주소 지정 방식 종류의 기초: 명령어 구조와 유효 주소
• 2. 즉시 주소 지정 방식 (Immediate Addressing Mode)
• 3. 직접 주소 지정 방식 (Direct Addressing Mode)
• 4. 간접 주소 지정 방식 (Indirect Addressing Mode)
• 5. 한눈에 보는 비교 및 요약 (핵심 정리)
• 6. 결론 (Conclusion)
• 자주 묻는 질문 (FAQ)

오늘 포스팅에서는 컴퓨터 구조의 핵심 개념인 다양한 주소 지정 방식 종류에 대해 알아보고, 각 방식이 어떻게 작동하는지 상세히 분석합니다. 우리가 친구에게 택배를 보낼 때 ‘도로명 주소’를 정확히 쓰기도 하고, 특정 건물의 ‘무인 택배함’을 이용하거나, 혹은 아예 친구를 직접 만나 물건을 건네주기도 합니다. 컴퓨터 역시 메모리라는 거대한 창고에서 데이터를 찾을 때, 상황에 따라 여러 가지 방법을 사용합니다.

컴퓨터의 두뇌인 CPU가 처리해야 할 명령어(Instruction)의 크기는 16비트나 32비트 등으로 한정되어 있습니다. 하지만 오늘날 우리가 사용하는 메모리(RAM)는 수 기가바이트(GB)에 달할 정도로 거대합니다. 제한된 비트 수로 이 방대한 공간의 위치를 어떻게 모두 가리킬 수 있을까요? 이 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 주소 지정 방식(Addressing Mode)입니다. 이는 속도와 공간 효율성 사이에서 줄타기하며 최적의 성능을 내기 위한 컴퓨터의 지혜라고 할 수 있습니다.

1. 주소 지정 방식 종류의 기초: 명령어 구조와 유효 주소

세 가지 핵심 방식을 본격적으로 다루기 전에, 먼저 명령어가 어떻게 생겼는지 알아야 합니다. 컴퓨터의 명령어는 크게 두 부분으로 나뉩니다. ‘무엇을 할지’를 나타내는 연산 코드(Opcode)와 ‘누구를 대상으로 할지’를 나타내는 오퍼랜드(Operand)입니다.

여기서 가장 중요한 개념이 바로 유효 주소(EA, Effective Address)입니다. 유효 주소란 데이터가 저장된 ‘실제 기억 장소의 주소’를 뜻합니다. 우리가 앞으로 배울 모든 주소 지정 방식은 결국 “오퍼랜드 필드에 있는 정보를 가지고 어떻게 실제 데이터가 있는 유효 주소(EA)를 찾아갈 것인가?”에 대한 약속입니다. 오퍼랜드에는 데이터 자체가 들어있을 수도 있고, 주소가 들어있을 수도 있으며, 주소를 가리키는 또 다른 주소가 있을 수도 있습니다.

💡 핵심 보충 설명
명령어의 오퍼랜드 필드는 비트 수가 제한적(예: 4비트, 8비트 등)이기 때문에, 이 공간만으로는 기가바이트 단위의 메인 메모리 주소를 모두 표현할 수 없습니다. 따라서 CPU는 오퍼랜드의 값을 단서로 삼아 실제 데이터가 있는 위치(EA)를 계산해냅니다. 이 계산 과정이 얼마나 복잡하냐에 따라 CPU의 처리 속도가 달라지며, 이를 이해하는 것이 컴퓨터 구조 학습의 첫걸음입니다.

2. 즉시 주소 지정 방식 (Immediate Addressing Mode)

즉시 주소 지정 방식은 이름에서 알 수 있듯이, 별도의 검색 과정 없이 데이터를 ‘즉시’ 사용할 수 있는 방식입니다. 이 방식은 명령어의 오퍼랜드 필드에 메모리 주소가 아닌, 연산에 사용할 실제 데이터 값이 직접 들어있습니다.

가장 큰 특징은 메모리 접근 횟수가 0회라는 점입니다. 명령어를 CPU로 가져올 때(인출), 데이터도 이미 명령어 안에 포함되어 딸려 들어왔기 때문입니다. 따라서 별도의 주소 계산이나 메모리 참조가 없어 모든 주소 지정 방식 종류 중에서 가장 속도가 빠릅니다. 예를 들어 ADD R1, 5라는 명령어가 있다면, 레지스터 R1에 숫자 5를 더하라는 뜻이며, 이때 5는 메모리에 있는 것이 아니라 명령어 자체에 포함된 상수입니다.

하지만 치명적인 단점도 있습니다. 오퍼랜드 필드의 비트 수가 작으면 표현할 수 있는 수의 크기도 작아집니다. 만약 오퍼랜드가 8비트라면 표현 가능한 수는 -128에서 127 사이의 정수로 제한됩니다. 따라서 큰 숫자를 다룰 때는 사용할 수 없습니다.

💡 핵심 보충 설명
즉시 주소 지정 방식은 주로 변수의 초기값을 설정하거나(예: i = 0), 작은 상수를 더하고 뺄 때(예: count++) 매우 빈번하게 사용됩니다. 메모리를 다녀오는 시간은 CPU 입장에서 매우 긴 시간인데, 이 방식은 그 시간을 아예 없애주므로 프로그램의 전체적인 실행 속도를 높이는 데 크게 기여합니다. 단, 데이터의 크기가 명령어 길이를 초과할 수 없다는 물리적 한계는 명확합니다.

3. 직접 주소 지정 방식 (Direct Addressing Mode)

직접 주소 지정 방식은 가장 직관적이고 기본적인 형태입니다. 오퍼랜드 필드에 우리가 찾고자 하는 데이터가 저장된 메모리의 실제 주소(EA)가 적혀 있는 방식입니다.

예를 들어 LOAD R1, 1000이라는 명령어가 있다면, 이는 “메모리 1000번지로 가서 그곳에 있는 데이터를 가져와 R1에 넣어라”는 뜻입니다. 이 방식에서 유효 주소(EA)는 오퍼랜드 값 그 자체입니다. 데이터를 얻기 위해 실제 메모리에 1회 접근해야 합니다. 즉시 방식보다는 느리지만, 주소 계산 과정이 매우 단순하다는 장점이 있습니다.

그러나 이 방식 역시 한계가 있습니다. 명령어 내의 오퍼랜드 비트 수가 곧 접근할 수 있는 메모리의 주소 공간 크기가 됩니다. 만약 오퍼랜드가 16비트라면 2^16인 64KB까지만 주소를 지정할 수 있습니다. 현대의 컴퓨터가 수 기가바이트의 메모리를 쓰는 것을 고려하면, 이 방식만으로는 전체 메모리를 활용하기 어렵습니다.

💡 핵심 보충 설명
직접 주소 지정 방식은 초기 컴퓨터나 단순한 마이크로컨트롤러 환경에서 많이 사용되었습니다. 구조가 단순하여 하드웨어 구현이 쉽고 이해하기 편하지만, 명령어 길이가 고정된 시스템에서는 메인 메모리의 전체 영역을 커버하지 못한다는 치명적인 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 후술할 간접 주소 지정이나 레지스터 간접 지정 방식 등이 등장하게 되었습니다.

4. 간접 주소 지정 방식 (Indirect Addressing Mode)

간접 주소 지정 방식은 직접 주소 지정 방식의 공간 제약 문제를 해결하기 위해 등장했습니다. 오퍼랜드 필드에 주소가 적혀 있는데, 그 주소로 가보면 데이터가 있는 것이 아니라 ‘실제 데이터가 있는 주소(EA)’가 들어있습니다. 마치 보물찾기에서 쪽지를 찾았더니 보물이 아니라 “보물은 저기 동굴에 있다”라는 또 다른 위치 정보가 적혀 있는 것과 같습니다.

이 방식의 유효 주소(EA) 계산 식은 EA = Memory[오퍼랜드 값]이 됩니다. 데이터를 손에 넣으려면 최소 2회 이상 메모리를 참조해야 합니다(주소를 찾기 위해 한 번, 실제 데이터를 찾기 위해 또 한 번). 이 때문에 주소 지정 방식 종류 중 속도가 느린 편에 속합니다.

하지만 장점은 강력합니다. 명령어의 길이가 짧아도(오퍼랜드 비트 수가 적어도) 메모리의 전체 주소 공간을 활용할 수 있습니다. 메모리에 저장된 ‘주소’는 명령어의 길이 제약을 받지 않고, 워드(Word) 길이만큼 길게 저장할 수 있기 때문입니다. 이는 C언어의 ‘포인터’ 개념과 매우 유사하며, 프로그램 작성에 높은 융통성을 제공합니다.

💡 핵심 보충 설명
간접 주소 지정 방식은 실행 속도 저하를 감수하고서라도 더 넓은 주소 공간을 유연하게 사용하기 위해 설계되었습니다. 현대의 복잡한 운영체제나 대규모 응용 프로그램은 데이터가 메모리 어디에 위치할지 예측하기 어렵기 때문에, 이처럼 주소를 통해 간접적으로 접근하는 방식이 필수적입니다. 다단계 간접 지정(주소의 주소의 주소…)도 가능하지만, 참조 횟수만큼 속도는 더 느려집니다.

5. 한눈에 보는 비교 및 요약 (핵심 정리)

앞서 살펴본 세 가지 방식을 일목요연하게 비교해 보겠습니다. 컴퓨터 구조 시험이나 정보처리기사 시험에서 가장 자주 출제되는 부분이므로 아래 표를 꼭 기억해 두시기 바랍니다.

비교 항목	즉시 주소 지정 (Immediate)	직접 주소 지정 (Direct)	간접 주소 지정 (Indirect)
속도	가장 빠름 (Fastest)	보통	느림 (Slow)
메모리 접근 횟수	0회	1회	2회 이상
표현 범위	매우 좁음 (오퍼랜드 비트 수 제한)	제한적 (오퍼랜드 비트 수 제한)	매우 넓음 (메모리 용량 전체)
유효 주소(EA)	오퍼랜드 값 자체	오퍼랜드 값	메모리[오퍼랜드 값]
특징	상수값 정의, 초기화에 사용	구현이 단순하고 직관적	포인터 개념, 넓은 주소 공간 활용

방식별 데이터 접근 흐름 도식화:

• 즉시 방식: 명령어 [데이터] (데이터가 바로 내 손안에 있음)
• 직접 방식: 명령어 [주소] ➡️ [데이터] (주소로 가면 데이터가 있음)
• 간접 방식: 명령어 [주소] ➡️ [주소(EA)] ➡️ [데이터] (주소를 거쳐야 진짜 위치가 나옴)

이 외에도 레지스터에 주소를 저장하는 레지스터 주소 지정 방식, 프로그램 카운터(PC)를 활용하는 상대 주소 지정 방식, 인덱스 레지스터를 사용하는 변위 주소 지정 방식 등 다양한 파생 기술들이 존재합니다. 이들은 모두 위에서 설명한 기본 원리를 바탕으로 응용된 것입니다.

💡 핵심 보충 설명
위 표에서 가장 눈여겨볼 점은 ‘속도’와 ‘표현 범위’의 트레이드오프(Trade-off) 관계입니다. 접근 단계가 단순할수록(즉시) 속도는 빠르지만 다룰 수 있는 데이터나 공간은 작아지고, 접근 단계가 복잡해질수록(간접) 속도는 느려지지만 거대한 메모리를 자유자재로 다룰 수 있습니다. 컴퓨터 시스템은 이 균형을 맞추기 위해 여러 방식을 혼합하여 사용합니다.

6. 결론 (Conclusion)

지금까지 컴퓨터가 데이터를 찾아가는 여행, 주소 지정 방식 종류인 즉시, 직접, 간접 방식에 대해 자세히 알아보았습니다.

오늘 배운 내용을 요약하자면 다음과 같습니다.

• 즉시 지정: 빠르지만 표현 범위가 좁아 작은 상수 처리에 적합합니다.
• 직접 지정: 단순하지만 주소 공간 확장에 한계가 있습니다.
• 간접 지정: 두 번 찾아가야 해서 느리지만, 광활한 메모리를 유연하게 사용할 수 있습니다.

결국 컴퓨터 구조의 발전사는 ‘데이터를 얼마나 빠르게 찾느냐(Speed)’와 ‘얼마나 넓은 공간을 효율적으로 쓰느냐(Space)’ 사이의 균형점을 찾는 과정이었습니다. 이 원리를 이해하고 나면 C언어의 포인터가 왜 복잡하지만 강력한지, 어셈블리어가 어떻게 하드웨어를 제어하는지 훨씬 깊이 있게 이해할 수 있게 됩니다.

이 글이 여러분의 컴퓨터 구조 학습에 명쾌한 이정표가 되었기를 바랍니다. 추가로 궁금한 점이나 더 깊이 알고 싶은 주제가 있다면 언제든 댓글로 남겨주세요.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 유효 주소(EA)란 정확히 무엇인가요?

A: 유효 주소(Effective Address)는 CPU가 명령어를 실행하기 위해 접근해야 하는 실제 데이터가 저장된 메모리의 물리적 주소를 의미합니다. 각 주소 지정 방식은 오퍼랜드의 값을 이용해 이 유효 주소를 계산하는 방법이 서로 다릅니다.

Q: 어떤 주소 지정 방식이 가장 좋은가요?

A: 절대적으로 좋은 방식은 없습니다. 속도가 중요하고 데이터가 작다면 ‘즉시 주소 지정’이 유리하고, 광범위한 메모리 주소를 유연하게 다뤄야 한다면 ‘간접 주소 지정’이 유리합니다. 따라서 상황과 목적에 따라 적절한 방식을 혼합하여 사용합니다.

Q: 현대 컴퓨터는 이 세 가지 방식만 사용하나요?

A: 아닙니다. 기본적인 즉시, 직접, 간접 방식 외에도 레지스터 간접, 변위(Displacement), 상대(Relative), 베이스 레지스터 주소 지정 등 다양한 방식이 존재하며, 현대의 CPU는 성능 최적화를 위해 매우 복합적인 주소 지정 방식을 지원합니다.