[CS] CISC와 RISC

이재환·2024년 12월 1일

👋 들어가며

소프트웨어를 다운로드하려고 할 때, 운영체제뿐만 아니라 x64, Arm64 같은 옵션들 때문에 어떤 파일을 선택해야 할지 고민한 적 있으신가요?
이러한 선택지는 명령어 집합(ISA: Instruction Set Architecture)이 다르기 때문입니다.

📚 명령어 집합(ISA)

CPU는 명령어를 실행하는 기계

CPU는 명령어를 받아 연산을 수행합니다. 하지만 모든 CPU가 동일한 명령어를 사용하는 것은 아닙니다.
CPU는 특정 명령어 집합을 기반으로 설계되며, 이는 CPU의 언어와도 같습니다.

명령어 집합의 특징

명령어 집합: CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음.

예시
Intel CPU → x86, x86-64 명령어 집합.
Apple M1/M2 (ARM CPU) → ARM64 명령어 집합.

아래 사진과 같이 소스코드가 같더라도, 사용하는 명령어 집합이 다르면 실행 파일의 형태가 달라집니다.

👥 CISC와 RISC

명령어 집합의 설계 방식은 크게 CISC와 RISC로 나눌 수 있습니다.
‼️ 여기에서 명령어 길이는 위의 어셈블리 코드를 0과 1로 변환했을 때의 명령어 길이를 뜻합니다!

1. CISC (Complex Instruction Set Computer)

CISC: 복잡하고 다양한 가변 길이 명령어를 활용하는 구조.

특징

강력한 명령어 활용 = 적은 수의 명령어로도 프로그램 실행 가능.

다양한 주소 지정 방식 사용.

한계

명령어의 크기과 실행 시간이 일정하지 않아 파이프라이닝에 불리.

대부분의 명령어가 사용되지 않음 = 자주 사용되는 명령어만 사용.

예시: x86, x86-64 (Intel/AMD CPU).

2. RISC (Reduced Instruction Set Computer)

RISC: 단순하고 적은 고정 길이 명령어를 활용하는 구조.

특징

명령어의 규격화, 실행 시간이 일정 = 파이프라이닝에 유리.

메모리 접근 명령어를 load, store 로 제한 = ALU와 가까운 레지스터 적극 활용

적은 주소 지정 방식 사용. (대부분 레지스터 주소 지정 방식)

한계

단순한 명령어로 작업을 수행하기 때문에 더 많은 명령어가 필요.

예시: ARM (Apple M1/M2, 모바일 기기, 임베디드 시스템).

😶‍🌫️ 실행 시간이 다른 이유 (번외)

실행 시간이 왜 달라지는지 궁금하신 분들만 읽으시면 됩니다!

CISC

CISC는 명령어는 가변 길이이기 때문에, 명령어의 길이를 파악하는 과정에서 추가 시간이 소요됩니다. 여기에 더해 복잡한 코드를 실행 가능한 코드 단위로 쪼개는 과정에서 시간이 더 소요되게 됩니다. 또 CISC 명령어는 메모리 접근과 연산을 하나의 명령어로 묶어 처리하는 경우가 많습니다. 때문에 각 명령어를 메모리 접근 단계로 분리하기가 힘들어지고 결국엔 실행 시간이 일정하지 않게 됩니다.

RISC

메모리에 접근하는 과정은 캐시 히트를 할 경우 1~2클럭 내외로 처리되지만 캐시 미스가 발생한 경우 50~200클럭이 요구됩니다. 하지만 이와 관계없이 RISC에서는 메모리 접근을 Load/Store로 제한하여 메모리 접근 단계로 분리할 수 있게 되었고 레지스터 중심으로 연산하기 때문에 메모리 접근 단계의 의존성을 줄일 수 있게 되었습니다. 메모리 접근 단계를 제외하곤 모두 1클럭 내외로 실행되기 때문에 파이프라이닝에 유리합니다.