CISC

컴퓨터 구조와 운영체제

CPU의 성능 향상 기법 - CISC & RISC

명령어 파이프라이닝과 슈퍼스칼라 기법을 실제로 CPU에 적용하려면 명령어가 파이프라이닝에 최적화되어 있어야 한다.
파이프라이닝 하기 쉬운 명령어에 대해 알아보자.

명령어 집합

CPU는 명령어를 실행한다. 이 세상 모든 CPU들이 똑같이 생긴 명령어를 실행할까?
그렇지 않다. 명령어로 할 수 있는 연산, 주소 지정 방식 등은 CPU마다 조금씩 차이가 있다.
CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음을 명령어 집합 또는 명령어 집합 구조(ISA) 라고 한다. 즉, CPU마다 ISA가 다를 수 있다는 것이다.
같은 소스 코드로 만들어진 같은 프로그램이라 할지라도 ISA가 다르면 CPU가 이해할 수 있는 명령어도 어셈블리어(명령어를 읽기 편하게 표현한 언어)도 달라진다.
ISA가 같은 CPU끼리는 서로의 명령어를 이해할 수 있지만, ISA가 다르면 서로의 명령어를 이해하지 못한다. ISA는 일종의 CPU 언어인 셈이다. 또한 CPU가 이해하는 명령어들이 달라짐에 따라 CPU 하드웨어 설계에도 큰 영향을 미치게 된다.
ISA는 CPU의 언어임과 동시에 CPU를 비롯한 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속이라고도 볼 수 있다.

CISC

Complex Instruction Set Computer, 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터(CPU)
CISC는 다양하고 강력한 기능의 명령어 집합을 활용하기 때문에 명령어의 형태와 크기가 다양한 가변 길이 명령어를 활용한다.

다양하고 강력한 명령어를 활용한다는 말은 상대적으로 적은 수의 명령어로도 프로그램을 실행할 수 있다는 것을 의미한다.
이런 장점으로 CISC는 메모리를 최대한 아끼며 개발해야 했던 시절에 인기가 높았다. 최대한 적은 수의 명령으로 메모리 공간을 절약시킬 수 있기 때문이다.
하지만 단점은 활용하는 명령어가 워낙 복잡하고 다양한 기능을 제공하는 탓에 명령어의 크기와 실행되기까지의 시간이 일정하지 않다. 그리고 복잡한 명령어 때문에 명령어 하나를 실행하는 데에 여러 클럭 주기를 필요로 한다.
이는 명령어 파이프라인을 구현하는 데 적합하지 않다. 명령어 파이프라인 기법을 위한 이상적인 명령어는 각 단계에 소요되는 시간이 동일해야 한다.(가급적 1클럭)
하지만 CISC가 활용하는 명령어는 명령어 수행 시간이 길고 가지각색이기 때문에 파이프라인이 효율적으로 명령어를 처리할 수 없다.
현대 CPU에서 명령어 파이프라인은 높은 성능을 내기 위해 절대 놓쳐서는 안 되는 핵심 기술이기 때문에 현대 CPU에서 아주 치명적인 약점이다.

정리
CISC 명령어 집합은 복잡하고 다양한 기능을 제공하기 때문에 적은 수의 명령으로 프로그램을 동작시키고 메모리를 절약할 수 있다.
하지만 명령어의 규격화가 어려워 파이프라이닝이 어려울 뿐더러, 대다수의 복잡한 명령어는 그 사용 빈도가 낮다는 큰 단점이 있다.

RISC

Reduced Instruction Set Computer, 이름 그대로 CISC에 비해 명령어의 종류가 적다.
RISC는 CISC와 달리 짧고 규격화된 명령어, 되도록 1클럭 내외 실행되는 명령어를 지향하며, 고정 길이 명령어를 활용한다.

명령어가 규격화 되어 있고, 하나의 명령어가 1클럭 내외로 실행되기 때문에 RISC 명령어 집합은 명령어 파이프라이닝에 최적화 되어 있다.
그리고 RISC는 메모리에 직접 접근하는 명령어를 load, store 두 개로 제한할 만큼 메모리 접근을 단순화하고 최소화를 추구한다. 때문에 CISC보다 주소 지정 방식의 종류가 적은 경우가 많다.

정리
RISC 명령어 집합은 메모리 접근을 단순화, 최소화 하는 대신 레지스터를 적극적으로 활용한다. 그래서 CISC보다 레지스터를 이용하는 연산이 많고, 일반적인 경우보다 범용 레지스터 개수도 더 많다.
다만 사용 가능한 명령어 종류가 CISC보다 적기 때문에 RISC는 CISC보다 많은 명령어로 프로그램을 작동시킨다.