ISA와 RISC, CISC에 대하여

"혼자 공부하는 컴퓨터구조와 운영체제" 책을 정독 후 스스로 정리한 지식들을 공유하고자 글을 쓴다.

 

아래는  북링크이다.

[한빛미디어] 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제 (hanbit.co.kr)

[한빛미디어] 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제

명령어 집합 구조 ISA

• 프로세서가 이해하는 언어이자 프로그래머와 프로세서가 직접적으로 소통할 수 있는 언어이다.
• 프로세서가 이해하는 명령어 하나를 Instruction이라고 하고, 고급 언어는 컴파일러나 인터프리터를 거쳐 프로세서가 이해할 수 있는 원시적인 Instruction의 흐름으로 바뀐다.
  • 기본적인 사칙연산과 논리연산
  • 메모리에 읽고 (load) 쓰는 (store) 명령
  • 프로그램의 실행 흐름을 제어하는 분기 및 호출 명령 (if/goto, call/return)
• 하나의 명령어에는 이 명령어의 종류와 피연산자 등 여러 가지 내용이 기술된다.
• 정수 형태로 전달될 때, 이진수 값으로 바꾸는 것을 인코딩, 그 반대를 디코딩이라 한다.

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RISC와 CISC 구조

• x86
  • x86 또는 80x86은 인텔이 개발한 마이크로프로세서 계열을 부르는 말이자, 이들과 호환되는 프로세서들에서 사용한 명령어 집합 구조들을 통칭하는 말이다.
• x86 명령어 구조
  • x86 ISA는 1986년에 출시된 인텔 80386의 명령어 집합 구조로 정확한 명칭은 IA-32이다.
  • AMD가 제안한 x86의 64비트 확장(AMD64, x86-64)도 이제는 사실상 표준
• CISC의 주요 특징
  • 명령어 길이가 주로 가변적, 여러 복잡한 형태의 주소 모드의 지원
  • 범용 레지스터의 개수가 비교적 적음.
• RISC 등장
  • 태초에 ISA는 CISC 형태를 띠었으나 실제 사용되는 명령어 종류가 그렇게 많지 않음을 발견
  • 컴파일러가 CISC 명령어 집합이 지원하는 모든 명령어와 주소 모드를 사용안하고 일부만 주로 사용
  • 13비트 정도면 충분한 상수들을 표현
  • 자주 쓰이지 않는 명령어 종류도 줄이고 상수를 표현하는데 32비트를 모두 쓸 필요도 없다는 결론에 도달
  • 프로세서 구조의 단순함과 고속화를 위해 “명령어 길이를 4바이트로 제한”해도 문제없을 듯
    • 명령어 크기를 고정하고 그 갯수를 대폭 줄인 RISC 형식의 명령어 구조 탄생
    • ARM은 대표적인 RISC 프로세서
    • 대신 소프트웨어인 컴파일러가 일을 더 하게 된다.
    • x86과 같은 CISC는 옵코드의 위치와 길이조차 가변이어서 분석 작업이 훨씬 복잡하고, 이는 필연적으로 하드웨어 회로의 복잡합으로 이어진다.
• RISC와 CISC의 가장 큰 차이
  • CISC는 피연산자로 메모리 주소가 바로 올 수 있지만, RISC는 레지스터만 올 수 있다.
  • 대표적으로 RISC의 범용 목적 레지스터 개수는 CISC보다 많다.
• RISC와 CISC는 이제 비교 할 이유가 없다.
  • 펜티엄 프로부터 x86 프로세서는 CISC 명령어를 단순한 RISC처럼 생긴 내부 마이크로 명령어, 또는 마이크로 옵(uop)로 쪼개서 처리한다.
    • 이는 실제 프로세서 내부로 들어가면 마치 ARM(RISC) 처럼 처리한다는 것!
  • 하지만 속도는 여전히 RISC가 빠름.
    • CISC는 컴파일러에서 여전히 8개 혹은 16개의 범용 레지스터만 있는 것으로 간주하고 코드를 짜야 하기 때문.
      • 레지스터 부족 문제를 해결하기 위해 x86 코드는 많은 수의 메모리 접근 명령어가 생성된다.
      • 임시 계산 결과 값을 담을 레지스터가 부족하므로 메모리에 잠시 저장했다가 다시 불러와야 하기 때문이다 (register spill)
        • 큰 캐시로 어느정도 극복은 되지만 많은 수의 메모리 입출력 명령어들은 성능 저하의 주요 원인이다.