📚 CISC란 무엇일까 👀
CISC는 Complex Instruction Set Computer 의 약자입니다.
그대로 해석하면 ' 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터' 를 의미합니다. 여기서 ' 컴퓨터' 를 'CPU'
라고 생각해도 좋습니다. CISC란 이름 그대로 복잡하고 다양한 명령어들을 활용하는 CPU 설계 방
식입니다. 앞서 ISA의 한 종류로 소개한 x86, x86-64는 대표적인 CISC 기반의 ISA 입니다.
CISC 는 다양하고 강력한 기능의 명령어 집합을 활용하기 때문에 명령어의 형태와 크기가 다양한 가
변 길이 명령어를 활용합니다. 메모리에 접근하는 주소 지정 방식도 다양해서 아주 특별한 상황에서
만 사용되는 독특한 주소 지정 방식들도 있습니다.
- 다양하고 강력한 명령어를 활용한다는 말은 상대적으로 적은 수의 명령어로도 프로그램을 실행할 수
있다는 것을 의미합니다.
💻 대표적인 CISC 아키텍처들
| 아키텍처 | 비트 수 | 용도 | 특징 |
|---|---|---|---|
| x86(Intel, IA-32) | 32비트 | PC, 서버 | 다양한 명령어, 가변 길이 |
| x86-64 (AMD64, Intel 64) - 대표적인 CISC | 64비트 | 현대 모든 범용 컴퓨터 | x86 호환, 64비트 확장(1바이트 ~ 15바이트) |
| VAX(Virtual Address eXtension) | 32비트 | 워크스테이션, 대학 등 | 매우 복잡한 명령어 세트 |
| Motorola 68k(m68k) | 16/32비트 | 초기 컴퓨터, 임베디드 | 우아한 구조, 넓은 주소 지정 |
| IBM S/360~370(IBM 메인프레임) | 32비트~ | 메인프레임 | 레거시 호환, 대형 시스템 |
| Zilog Z80(인텔 출신 엔지니어들이 설립) | 8비트 | 초기 컴퓨터, 장난감, 기기 | 다양한 주소 모드, 8080 기반 |
📌 CISC의 장점
- 명령어 밀도(Instruction Density) 증가
- CISC 아키텍처는 복잡한 연산을 단일 명령어로 처리할 수 있으므로, 동일한 작업을 수행할 때 필요한 명령어 수가 상대적으로 적어집니다.
- 이로 인해 프로그램의 전체 바이너리 크기가 작아질 수 있으며, 메모리 사용량과 캐시 적중률 면에서 유리할 수 있습니다.
- 프로그램 작성 및 컴파일 효율성
- 복잡한 연산을 한 번에 수행할 수 있는 명령어 덕분에 고급 언어에서 작성된 코드가 저수준 명령어 집합으로 변환될 때 비교적 자연스러운 매핑이 가능해집니다.
- 컴파일러가 복잡한 연산을 여러 단계를 나눠서 처리할 필요 없이 하나의 명령어로 대체할 수 있어, 컴파일러 설계 측면에서 이점을 제공합니다.
- 다양한 주소 지정 모드 지원
- CISC 시스템은 여러 주소 지정 모드를 제공하여, 메모리에서 데이터를 직접 읽거나 저장하는 다양한 방식을 효율적으로 활용할 수 있습니다.
- 이러한 유연성은 복잡한 데이터 구조나 연산을 간편하게 처리할 수 있도록 도와줍니다.
- 레거시 소프트웨어와의 호환성
- 오랜 기간 사용되어 온 CISC 아키텍처(예: x86 계열)는 많은 기존 소프트웨어와 하위 호환성을 유지하고 있습니다.
- 이는 기존 시스템을 업그레이드하거나 이식하는 데 있어 중요한 장점으로 작용합니다.
📌 CISC의 단점
- 하드웨어 복잡도 증가
- 복잡한 명령어 집합을 해석하고 실행하기 위해 제어 유닛과 디코더가 복잡하게 설계되어야 합니다.
- 이러한 복잡성은 칩 설계와 제조 비용 증가로 이어질 수 있으며, 고성능 구현에 한계를 줄 수도 있습니다.
- 명령어 실행 속도의 예측 어려움
- CISC 명령어는 길이가 가변적이고, 내부 동작이 복잡하여 각 명령어의 정확한 실행 시간이나 사이클 예측이 어려울 수 있습니다.
- 이는 파이프라이닝(pipelining)이나 분기 예측 등 현대적인 고속 프로세서 설계 기법을 적용하는 데 도전 과제가 됩니다.
- 전력 소비 및 발열 문제
- 복잡한 디코딩과 내부 연산을 처리하기 위한 회로가 많은 경우, 전력 소비와 발열 문제가 발생할 가능성이 높습니다.
- 모바일 및 임베디드 시스템과 같이 전력 효율성이 중요한 환경에서는 단점으로 작용할 수 있습니다.
- 유연한 최적화의 어려움
- CISC 구조의 복잡성 때문에, 미세 조정 및 최적화가 어려울 수 있으며, 특정 작업에 대해 깊이 있게 최적화하기가 어려울 수 있습니다.
- 특히 여러 연산을 묶어 처리하는 복합 명령어의 경우, 하드웨어 내부에서 일어나는 동작을 완전히 제어하거나 변경하기 어렵습니다.
📚 RISC란 무엇일까 👀
💡 CISC의 한계로 등장한 개념입니다.
RISC는 Reduced Instruction Set Computer의 약자입니다.
RISC의 등장은 컴퓨터 아키텍처 역사에서 큰 전환점 중 하나입니다.
이름처럼 RISC는 CISC 에 비해 명령어의 종류가 적습니다. 그리고 CISC와는 달리 짧고 규격화된 명령어 , 되도록 1 클럭 내외로 실행되는 명령어를 지향합니다.
즉 , RISC 는 고정 길이 명령어를 활용합니다.
🕰️ RISC 등장 시기와 역사
📍 1. 등장의 배경 (1970년대 후반)
- 당시 CISC 구조(특히 x86, VAX 등)가 점점 복잡해지면서, CPU 내부에서 복잡한 명령어들이 단순한 하드웨어 연산으로 다시 분해(micro-ops) 되는 구조로 작동하고 있었습니다.
- 연구자들이 이걸 보면서 “그렇다면, 처음부터 단순한 명령어로만 구성하면 더 빠르지 않을까?”라는 의문을 품게 되었습니다.
💻 대표적인 RISC 아키텍처들
| 아키텍처 | 설계 시기 | 상태 | 대표 사용처 | 특징 |
|---|---|---|---|---|
| ARM | 1985~ | 활발히 사용중 | 모바일, Apple M 시리즈 등 | 저전력, 고효율 |
| MIPS | 1984~ | 점점 감소 | 라우터, 임베디드 | 깔끔한 구조, 교육용 자주 사용 |
| RISC-V | 2010~ | 급성장 중 | 오픈소스 하드웨어, IoT 등 | 오픈 ISA, 유연한 확장성 |
| SPARC | 1987~ | 쇠퇴 중 | 서버, Solaris 시스템 | 레지스터 윈도우 |
| PowerPC | 1991~ | 거의 사용 안 함 | 구형 Mac, 콘솔 | 고성능 RISC, 당시 영향력 큼 |
| Alpha | 1992~ | 단종 | 과거 고성능 서버 | 순수 64비트, 당시 최강 |
대부분의 RISC 아키텍처는 단순한 명령어 집합, 고정된 명령어 길이, 그리고 고성능 파이프라이닝을 목표로 설계되어 있습니다.
📏 코드 길이 비교 (일반적인 경향)
| 기준 | x86-64 | ARM (AArch64) |
|---|---|---|
| 명령어 길이 | 가변 (보통 1~7바이트) | 고정 (대부분 4바이트) |
| 명령어 수 | 적을 수도 있음 | 더 많을 수도 있음 |
| 전체 코드 크기 | 작은 경우도 많음 | 길어지는 경우 있음 |
💡 예시로 비교
int add(int a, int b) {
return a + b;
}🔹 x86-64 (AT&T 문법)
mov eax, edi # 첫 번째 인자 a를 eax로
add eax, esi # esi는 2번째 인자. eax = eax + esi 와 같음.즉, 1번째 + 2번째 인자를 계산하는 것
ret # 함수 종료 → 호출자에게 리턴- x86-64 (64비트 x86) 아키텍처, AT&T 문법 사용의 예시 (리눅스
gas, GCC 디폴트) - 함수 인자를 레지스터로 받는 System V AMD64 ABI 규칙을 따름 (리눅스/유닉스 계열 64비트 시스템의 표준)
🔸 AArch64 (ARMv8)
add w0, w0, w1 # w0, w0, w1 더함
ret # 함수 종료 → 호출자에게 리턴→ 각 명령어 4바이트 고정. 총 8바이트.
즉, 이런 단순한 예제에서는 거의 차이가 없거나 x86-64가 약간 더 짧을 수도 있다.
🧠 결론
- 간단한 코드에선 x86-64가 더 짧은 경우가 많습니다.
- 복잡한 루틴에서는 x86-64의 가변 명령어와 복잡한 주소 모드 덕분에 코드가 더 압축될 수 있습니다.
- 그러나 ARM은 더 단순하고 예측 가능한 구조로 인해 파이프라이닝 효율과 전력 효율이 좋습니다.
📌 CISC vs RISC 요약표
| 항목 | CISC (x86) | RISC (ARM 등) |
|---|---|---|
| 명령어 길이 | 가변 (1~15바이트) | 고정 (보통 4바이트) |
| 명령어 개수 | 많음 | 적음 |
| 메모리 접근 | 거의 모든 명령어 가능 | load/store 명령어만 가능 |
| 디코딩 용이성 | 어렵고 복잡 | 단순 |
| 파이프라이닝 효율 | 낮음 | 높음 |
| 전력 효율 | 낮음 | 높음 |
| 코드 크기 | 작을 수 있음 | 더 길어질 수 있음 |
📚 ISA란 무엇일까 👀
명령어의 세세한 생김새 , 명령어로 할 수 있는 연산 , 주소 지정 방식 등은 CPU 마다 조금씩 차이가 있습니다.
CPU 가 이해할 수 있는 명령어들의 모음을 명령어 집합 instruction set 또는
명령어 집합 구조 ISA: Instruction set architecture ( 이하 ISA) 라고 합니다. 즉 , CPU 마다 ISA가 다를 수 있다는 것입니다.
📚 대표적인 ISA 목록
| ISA 이름 | 아키텍처 분류 | 상태 | 사용처 / 특징 |
|---|---|---|---|
| x86 | CISC | 매우 활발 | 인텔/AMD CPU, 데스크탑/노트북 주류 |
| x86-64 | CISC | 활발 | x86의 64비트 확장. AMD가 처음 만듦 |
| ARMv7 | RISC | 일부 사용중 | 스마트폰, 임베디드. 32비트 |
| ARMv8-A | RISC | 활발 | Apple M 시리즈, 최신 안드로이드 |
| RISC-V | RISC | 급성장 중 | 오픈소스 ISA, IoT ~ 서버까지 확장 |
| MIPS | RISC | 쇠퇴 중 | 과거 콘솔/임베디드. 교육용으로 사용 많음 |
| SPARC | RISC | 거의 단종 | Sun 서버, Solaris |
| PowerPC | RISC | 사양세 | 과거 Mac, PS3, Wii |
| Alpha | RISC | 단종 | 과거 DEC 서버 |
| Itanium (IA-64) | VLIW | 실패 | 인텔이 만든 실험적 ISA. 거의 사라짐 |
💡 ISA는 하드웨어가 파이프라인/슈퍼스칼라로 실행될 수 있도록 설계되어야 합니다.
⚙️ ISA 설계가 파이프라이닝 최적화에 미치는 영향
🔸 파이프라이닝 (Pipelining)
- 명령어 실행을 여러 단계로 나누고, 동시에 여러 명령을 처리하는 기법
- 예: IF → ID → EX → MEM → WB
✅ ISA 설계에서 고려할 점
| 요소 | 설명 |
|---|---|
| 고정된 명령어 길이 | 디코딩이 단순해져서 파이프라인에 유리함 (RISC 특징) |
| 단순 명령어 형식 | 명령어마다 단계별 처리가 예측 가능해야 효율적 |
| load/store 아키텍처 | 메모리 접근을 명령어에서 분리해서 파이프라인 충돌을 줄임 |
| 레지스터만 연산 가능 | EX 단계만 집중적 처리, 하드웨어 단순화 |
| 지연 슬롯 (delay slot) | 파이프라인 hazard를 소프트웨어 수준에서 해결하려는 시도 (예: MIPS) |
🚀 슈퍼스칼라 (Superscalar)와 ISA의 관계
🔸 슈퍼스칼라란?
: 한 사이클에 여러 개의 명령어를 동시에 실행하는 구조 (멀티파이프라인이라고 보면 됨)
✅ ISA가 슈퍼스칼라에 친화적인 조건
| 조건 | 설명 |
|---|---|
| 명령 간 의존성 낮을 것 | 독립된 명령이 많아야 병렬 실행 가능 |
| 레지스터 수가 충분히 많을 것 | 리소스 충돌 줄이기 (RISC는 보통 32개 이상 있음) |
| 명령어 포맷이 균일할 것 | 디코더가 병렬로 쉽게 분석 가능 |
| 사이드 이펙트가 적을 것 | 명령어가 예측 가능한 결과만 낼 것 |
📌 실제 ISA 사례 분석
| ISA | 파이프라이닝 최적화 | 슈퍼스칼라 친화성 | 이유 |
|---|---|---|---|
| RISC-V | ✅ 매우 좋음 | ✅ 좋음 | 고정 명령어 길이, load/store, 간단한 구조 |
| ARMv8 | ✅ 좋음 | ✅ 좋음 | Thumb 명령어로 압축 가능, 명령어 구조 정돈 |
| x86-64 | ❌ 구조적으로 어려움 | ✅ 하드웨어로 극복 | 가변 길이 명령어, 복잡한 디코딩 → 해석기 앞단 필요 |
| MIPS | ✅ 교과서적 예시 | ⚠️ 제한적 | 단순하지만 슈퍼스칼라 고려는 초기에는 부족 |
🌸 요점 정리 🌸
