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.

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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.

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• 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.

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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.

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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.

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• 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.

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총 정리

• CPU의 언어인 ISA와 각기 다른 성격의 ISA를 기반으로 만들어진 CPU 설계 방식에는 CISC와 RISC가 있다.

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