[책리뷰] 컴퓨터 밑바닥의 비밀: ch4.7 CPU 진화론(중): 축소 명령어 집합의 탄생

 

이 글은 책 컴퓨터 밑바닥의 비밀 chapter 4.7 의 내용을 읽고 요약한 글입니다. 

4.7.1 복잡함을 단순함으로

• 마이크로코드의 설계 아이디어: 복잡한 기계 명령어를 CPU 내부에서 비교적 간단한 기계 명령어로 변환하는것으로 컴파일러는 이 프로세스를 알지 못함
• 마이크로코드에 버그가 있으면 컴파일러는 이를 피하기 위해 할 수 있는 일이 없음

또한 복잡한 기계명령어 하나가 같은 일을 하는 간단한 명령어 여러개보다 느리게 실행된다는 사실을 발견

4.7.2 축소 명령어 집합의 철학

• 복잡 명령어 집합(Complex Instruction Set Computer, CISC) 에 대한 반성으로 축소 명령어(Reduced instruction Set Computer, RISC) 집합의 철학이 탄생

3가지 측면을 주로 반영

1. 명령어 자체의 복잡성

• 복잡한 명령어를 제거하고 간단한 명령어 여러개로 대체
• 마이크로코드 설계가 필요없으며 컴파일러에서 생성된 기계 명령어의 CPU 제어 능력이 크게 향상됨
• 명령어 집합을 줄인다는 아이디어는 명령어 집합의 명령어 개수를 줄이다는 의미가 아니라, 하나의 명령어당 들여야 하는 연산이 더 간단하다는 의미

2. 컴파일러

• 컴파일러가 CPU에 대해 더 강력한 제어권을 갖음
• CPU는 더 많은 세부사항을 컴파일러에 제공함

3. LOAD/STORE 구조

• 복잡한 명령어 집합에서는 기계 명령어 하나로 메모리에서 데이터를 가져오고(IF), 작업을 수행하고(EX), 해당 데이터를 메모리에 다시 쓰는 (WB) 작업을 모두 할 수 있음
• 축소 명령어 집합의 명령어는 레지스터 내 데이터만 처리할 수 있으며, 메모리 내 데이터는 직접 처리할 수 없음 

Q. 누가 메모리를 읽고 쓰는 것인가?

• LOAD와 STORE라는 전용 기계 명령어가 메모리의 읽고 쓰기를 책임짐
• 다른 명령어는 CPU 내부의 레지스터만 처리

 

4.7.3 CISC, RISC 차이

두 숫자가 각각 메모리 주소 A와 주소 B에 저장된 상태에서 두 숫자를 곱한 값을 먼저 계산한 후 결과를 다시 메모리 주소 A에 기록 한다고 가정

(1) CISC의 경우

• CISC는 적은 수의 기계 명령어로 가능한 한 많은 작업을 수행하는 것
• MULT(iplication)이라는 기계 명령어가 있을 수 있으며 명령어를 실행할 때 다음 동작이 수행되어야 함

1. 메모리 주소 A의 데이터를 읽어 레지스터에 저장
2. 메모리 주소 B의 데이터를 읽어 레지스터에 저장
3. ALU가 레지스터 값을 이용하여 곱셈 연산 수행
4. 곱셈 결과를 다시 메모리 주소 A에 씀

MULT A B

a = a * b; // 고급 언어와 매우 유사. 이런 설계는 고급 언어와 기계 명령어 사이의 차이를 줄임

 

(2) RISC의 경우

1. 메모리 주소 A의 데이터를 읽어 레지스터에 저장
2. B의 데이터를 읽어 레지스터에 저장
3. ALU가 레지스터 값을 이용하여 곱셈 연산 수행
4. 곱셈 결과를 다시 메모리에 씀

• RISC에서는 LOAD, PROD, STORE 명령어를 사용하여 작업을 단계별로 완료해야 함
  • LOAD: 메모리에서 레지스터로 데이터를 적재
  • PROD: 두 레지스터에 저장된 숫자의 곱셈 연산을 수행
  • STORE: 레지스터의 데이터를 다시 메모리에 씀

어셈블리어 코드

LOAD RA, A
LOAD RB, B
PROD RA, RB
STORE A, RA

• 복잡 명령어 집합을 사용하는 프로그램보다 기계 명령어를 더 많이 사용
• RISC의 의도는 프로그래머가 직접 어셈블리어로 코드를 작성하는 것이 아니라, 이 작업을 컴파일러에게 맡기고 컴파일러가 구체적인 기계 명령어를 자동으로 생성하게 하는 것

4.7.4 명령어 파이프라인

• 위 어셈블리어 코드는 각 명령어가 매우 간단하여 실행 시간이 모두 거의 동일하여 파이프라인 기술을 통해 실행 효율을 높일 수 있음

4.7.5 천하에 명성을 떨치다

• 1980년대 중반 RISC 기반의 CPU가 CISC 기반 CPU를 압도